90) Защита металла от вторичного окисления

Защита металла от вторичного окисления

Струя жидкого металла при истечении из сталеразливочного и промежуточного ковшей увлекает за собой газообразную среду. Этот процесс можно описать эмпирической зависимостью:

,

где Q_газ – объём поглощённого газа; Q_жид– объём прошедшей через сечение струи жидкости; l – длина участка струи в газообразной среде; d – диаметр струи;  – коэффициент, зависящий от физических свойств газообразной среды и конфигурации струи.

Для уменьшения степени увлечения газов струёй следует: уменьшать её длину 1; диаметр струи следует иметь большим, так как увеличение диаметра приводит к уменьшению поверхности соприкосновения струи с воздухом.

Как показали исследования, активность кислорода в стали во время вторичного окисления увеличивается.

В результате взаимодействия струи металла с воздухом в сталь поступает и азот.

Вторичное окисление значительно ухудшает качество металла. Во избежание этого, при разливке на МНЛЗ металл от вторичного окисления защищают смазками, синтетическими шлаками и газом.

Используемые для защиты от вторичного окисления смазки должны быть однородные, стабильные и хорошо смачивать стенку кристаллизатора. В качестве таких смазок применяют твёрдые и жидкие растительные масла: льняное масло, стеарин и др.

Газообразные продукты испарения и сгорания смазки препятствуют подходу к стенкам кристаллизатора плёнки окислов.

Ряд элементов, находящихся в металле (Al, Cr, Ti и др.), имеют большое химическое сродство к кислороду, сильно окисляются, даже если сталь отливать в защитной атмосфере (1–3% О₂). Благодаря этому, на поверхности образуется шлаковый слой, чему также способствуют всплывающие на поверхность неметаллические включения.

Использование специального шлака в качестве защитной среды предохраняет металл от окисления, охлаждения и, кроме того, он ассимилирует неметаллические включения, что способствует получению металла, более чистого по включениям.

Шлак должен иметь температуру плавления 1100–1350С, хорошо смачивать неметаллические включения, хорошо адсорбировать их, иметь стабильную вязкость (в пределах обычных колебаний температуры). Шлак для ответственных марок стали часто формируют из таких материалов: силикокальций, натриевая селитра, криолит, окалина, силикатная глыба, борный ангидрид, сода. Расход смеси – около 1 кг/т стали.

При отливке сталей обыкновенного качества низкоуглеродистой (для автолиста), а также с повышенным углеродом (инструментальной, рельсовой и др.) широкое распространение получили смеси из графита и шлаковых компонентов. В этих смесях графит выполняет роль смазки и теплоизолятора, а шлак ассимилирует неметаллические включения. Расход шлака составляет 0,2–0,4 кг/т стали.

Применение графита и смесей на его основе недопустимо при разливке таких сталей: нержавеющих, жаропрочных, низколегированных, трансформаторных из-за возможного их науглероживания.

Как ранее уже было указано, в настоящее время наблюдается переход к использованию гранулированных шлакообразующих смесей. Такая технология даёт возможность стабильно получать заготовки с высоким качеством поверхности, значительно улучшить условия труда (уменьшить количество пыли в 2–4 раза), механизировать подачу смесей в кристаллизатор.

При защите струи с помощью погружного стакана количество включений на единицу поверхности снижается в 2–8 раз, что убедительно показывает предпочтительность применения погружных стаканов по сравнению с другими способами защиты струи.

Наиболее эффективным способом защиты металла от вторичного окисления является разливка стали затопленными струями с покрытием зеркала металла в кристаллизаторе теплоизоляционной шлаковой смесью.

В последние годы получил распространение новый технологический приём – вдувание инертного газа в струю поступающего в кристаллизатор металла. Газ подводится через полый стопор-моноблок в промежуточный ковш или непосредственно в погружной стакан (Рис. 4.7, 4.8). Как в том, так и в другом случае обеспечивается эффективная защита металла от окисления и, кроме того, пузырьки газа, всплывая в кристаллизаторе, уменьшают глубину проникновения струи в слиток. Вдувание аргона через полый стопор в промежуточном ковше предотвращает затягивание стакана при разливке стали с высоким содержанием алюминия, снижает содержание глиноземистых включений в стали. Брак по поверхностным дефектам листов из непрерывнолитых слябов снизился на 70–80%. При таком способе использования нейтрального газа следует строго ограниваться диапазоном его оптимальных расходов. При высоких расходах (порядка 20 л/мин) стойкость погружного стакана, как уже указывалось, возрастает, но при этом за счет бурления мениска металла в кристаллизаторе поверхность стали оголяется и происходит ее вторичное окисление. На практике расход нейтрального газа зависит от сечения заготовки и колеблется в диапазоне 2–6 л/мин.

Растущие требования к качеству заготовок приводят к разработке и усовершенствованию систем подвода металла в кристаллизатор. Используют, например, устройство, в котором струя металла из промежуточного ковша изолируется от окружающей среды поверхностью смесителя. Сбоку через отверстие в стенке смесителя вводят фурму, через которую в процессе разливки струя обдувается газопорошковым потоком. Этот способ позволяет полностью исключить подсос воздуха и значительно повысить качество стали.

Разливка стали под уровень является необходимым условием получения качественных заготовок ещё и потому, что, наряду с защитой металла от окисления, погружной стакан позволяет управлять гидродинамикой потоков в кристаллизаторе.

На заводе в Денене (Франция) при непрерывной разливке блюмов применяют погружные стаканы со специальной «чашей». При работе такого погружного стакана потоки металла проходят через стакан, затем, в результате удара о расположенную ниже торца стакана «чашу», перенаправляются к верхним слоям металла в кристаллизаторе.

Непрерывная разливка стали под давлением

Метод, позволяющий в значительной степени увеличить диаметр металлопровода, по которому металл поступает в кристаллизатор из сталеразливочной ёмкости, и ликвидировать устройство для регулирования расхода металла, состоит в следующем.

Жидкий металл поступает в кристаллизатор через огнеупорный тракт, площадь рабочего сечения которого соизмерима с площадью поперечного сечения отливаемой заготовки. Для предотвращения перелива металла кристаллизатор снабжён крышкой. Между крышкой и зеркалом металла в кристаллизаторе поддерживается слой шлака, который предотвращает сцепление металла с крышкой и служит для смазки стенок кристаллизатора, снижения теплопотерь и ассимиляции неметаллических включений, всплывающих из жидкой лунки слитка. В этом случае на формирующуюся оболочку слитка воздействует дополнительное (по сравнению с обычным процессом) ферростатическое давление, равное высоте металла от его уровня в промежуточном ковше до уровня металла в кристаллизаторе.

Как показали исследования, проведенные на горячей модели, увеличение давления на зеркале металла в кристаллизаторе приводит к увеличению толщины оболочки формирующегося слитка на выходе из кристаллизатора и уменьшает её разнотолщинность за счёт более полного контакта металла со стенками кристаллизатора. При этом эффект воздействия проявляется при избыточном давлении >0,25 кг/см².

Для опробования метода в промышленных условиях были разработаны три типа конструкций оснастки.

Следующий метод состоит в использовании эжектирующего свойства струи для формирования на ней пограничного газового слоя из инертной атмосферы. Для этого необходимо создать определённые условия, при которых в попутное движение вовлекается не воздух, а инертный газ (например, аргон). Аргон должен подаваться к месту истечения струи распределённым по периметру корня струи с небольшим избыточным давлением, лишь компенсирующим разрежение, возникающее от движения потока более плотной среды в менее плотной. Количество газа, идущего на создание пограничного слоя, определяется энергией струи, то есть зависит от уровня металла в разливочном ковше, диаметра выпускаемого отверстия, длины струи, а также обусловлено и физическими свойствами используемого инертного газа.

При креплении крышки жёстко к промежуточному ковшу объём камеры избыточного давления не зависит от давления в кристаллизаторе.

В этом случае шлакообразующую смесь в камеру избыточного давления также подают с помощью пневмоцилиндра.

Внедрение метода непрерывной разливки стали под давлением позволяет: улучшить качество непрерывнолитых заготовок за счёт снижения содержания неметаллических включений и уменьшения складчатости поверхности; снизить перегрев металла над температурой ликвидус; уменьшить вероятность закупорки рабочего канала металлотракта за счёт использования стаканов с большим диаметром рабочего канала; улучшить экологическую обстановку на рабочей площадке МНЛЗ за счёт локализации газопылевыделений на участке промковш – кристаллизатор.

При разливке стали по такой технологии целесообразно организовать контроль макроструктуры отливаемых заготовок. Использование результатов контроля даёт возможность управлять процессом формирования заготовки с помощью изменения параметров разливки с учётом состояния конструктивных элементов машины.

На заводах качественной металлургии разрабатываются различные конструктивные решения для исключения таких случаев. Так, на заводе «Mannesmannrohren–Werke» в г.Дунсбурге (Германия) разработана конструкция промежуточного ковша с двумя камерами. Одна из камер (Рис. 4.14) предназначена для поступления в неё основной массы (90%) металла из сталеразливочного ковша.

После почти полного опорожнения сталеразливочный ковш передвигают ко второй камере и сливают остальные 10% металла, сюда же попадает во время слива и шлак. Поверхность металла в первой камере остаётся без шлака. В эту камеру переливают металл из следующего ковша при разливке подряд нескольких плавок.

Защита стали от вторичного окисления предполагает обеспечение ус­ловий перетекания металла из разливочного ковша в промежуточный и далее в кристаллизатор, при которых свободная поверхность расплава в ков­шах, кристаллизаторе и струй изолируется от прямого контакта с окру­жающей атмосферой. В настоящее время разработаны и успешно при­меняются в сталеплавильном производстве различные способы защиты, технологические особенности которых определяются с учетом химичес­кого состава разливаемой стали, конструктивных параметров машин, а так­же назначением отливаемых заготовок.Проблема устранения негативного влияния кислорода воздуха на жид­кий металл в процессе его разливки особо остро стоит в случае повы­шенного содержания в нем алюминия, а также высокоактивных легиру­ющих элементов (Ti, Сr). Защита струи стали на участке разливочный ковш - промежуточный ковш необязательна, если к получаемой заго­товке не предъявляются специальные требования по качеству поверхнос­ти и загрязненности металла вредными включениями. Наиболее распространенным способом экранирования струи металла, поступающего в промежуточный ковш и кристаллизатор, считается при­менение погружных огнеупорных стаканов.

В качестве защитных материалов для зеркала металла в основном и промежуточном ковшах в течение ряда лет были опробованы и рекомен­дованы к промышленному использованию теплоизолирующие смеси раз­личного состава. Для защиты свободной поверхности стали в кристалли­заторе и создания гарнисажа, улучшающего условия контакта форми­рующейся корки слитка со стенками металлоприемника, нашли приме­нение легкоплавкие шлаковые покрытия.

Эффективность проводимых мероприятий по снижению интенсивности вторичного окисления стали в разливочных ковшах зависит не только от правильно подобранного состава защитного покрытия, но и от окислитель­ного потенциала и количества попадающего в ковш конечного техноло­гического шлака. Высокоокисленные мартеновские и конвертер­ные шлаки, находящиеся на поверхности металла, затрудняют проведе­ние корректировки состава стали в ковше по углероду и алюминию. В связи с этим в последнее время принимаются меры по осуществлению отсечки шлака при выпуске стали из плавильных агрегатов. Взамен шлакового покрова на свободной поверхности металла в сталеразливочном ковше наносят новое защитное покрытие. С целью снижения тепловых потерь металла, предотвращения его контакта с воздухом и обеспечения ассимиляции всплывающих включений в сталеразливочных ковшах при непрерывной разливке на зеркало расплава предварительно подают специ­альные теплоизолирующие материалы, инертные к огнеупорам.

На зарубежных и некоторых отечественных металлургических пред­приятиях для повышения эффективности работы МНЛЗ и уменьшения теплопотерь при разливке стали ее поверхность покрывают слоем рисовой лузги, керамзита или смесью из шамотной крошки и отходов углеродсодержащих материалов (чаще всего отсева кокса).

Снижения потерь тепла и интенсивности вторичного окисления ме­талла при контакте его свободной поверхности с воздушной атмосферой в ванне промежуточного ковша удалось достичь за счет применения за­щитных покрытий, способных к тому же поглощать всплывающие неме­таллические включения типа Аl20₃. В противном случае глиноземистые включения могут осаждаться на поверхности погружного стакана, нару­шая нормальный ход разливки. При увеличении содержания А1₂О3 в теплоизолирующем шлаке последний становится гетерогенным, что может вызвать "прихватывание" стопоров промежуточного ковша и затруднит управление скоростью разливки.

Установлено также, что применение погружного стакана в качестве экранирующего средства истекающей струи металла не может считаться достаточно эффективным, поскольку из-за подсоса воздуха между огне­упорными плитами скользящего ковшового затвора [20] и в зазор между его коллектором и погружным стаканом качественная картина процесса проникновения газовой фазы в металлическую остается такой же, как и при разливке незащищенной струей.

Для исключения подсоса воздуха в узлах разливки стали на многих металлургических предприятиях используется метод обдува аргоном области сочленения стакана-коллектора и защитной трубы, требующий сложных дорогостоящих устройств [317-320]. При этом необходимо обеспечить высокую точность посадочных размеров сопрягаемых огнеупорных деталей, которая пока достигнута только на предприятиях Германии и Австрии (±0,3-0,5 мм), однако их продукция является весьма дорогостоящей. Альтернативным вариантом защиты стыка от проникновения воздуха является создание «аргонного» барьера посредством специального стального жакета, расположенного непосредственно на верхней части защитной трубы (рисунок 4.4).

Дополнительную защиту струи металла от вторичного окисления обеспечивает термопластичная уплотнительная вставка [321-323]. Прокладка устанавливается в месте стыка рабочих поверхностей коллектора и защитной трубы перед началом ее эксплуатации. Подобранный соответствующим образом материал (огнеупорный наполнитель с неорганическим связующим 50-95%; эластомер 3,5-21%; углеродсодержащий материал 0,5-15%; пластификатор 0,5-10%; антиадгезив 0,5-4%) прокладки обеспечивает надежное уплотнение за счет частичного подплавления прокладки, а также образования химических соединений с высокой устойчивостью к металлургическим шлакам. В процессе эксплуатации в условиях высоких температур происходит образование однородного спеченного материала, сохраняющего герметичность на весь период эксплуатации. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит увеличение объема материала, что позволяет заполнить полости соединений и разъемов и, таким, образом обеспечить высокую герметизацию стыка [324].

Подготовка МНЛЗ к разливке стали

Полнота и точность выполнения операций по подготовке МНЛЗ к работе очень важны, так как от этого во многом зависит развитие процесса разливки стали и качество отливаемых заготовок.

Основными условиями нормального протекания процесса непрерывной разливки стали являются:

своевременная подача, выплавленного в сталеплавильных агрегатах и обработанного на установке внепечной доводки стали металла для разливки;

тщательная подготовка к приему плавки сталеразливочных и промежуточных ковшей;

установка в сталеразливочных и промежуточных ковшах разливочных стаканов необходимого диаметра и конфигурации;

подготовка и проверка всех функциональных узлов машины непрерывного литья заготовок перед разливкой;

обеспечение необходимых режимов вторичного охлаждения заготовки;

строгое соблюдение действующих на предприятии технологических инструкций по подготовке металла и его разливке на МНЛЗ, а также инструкций по охране труда.

При проверке подъемно-поворотного стенда (ППС) необходимо убедиться в:

исправности механизмов подъема – опускания и поворота ППС как в ручном, так и в автоматическом режимах, гидроцилиндров шиберного затвора и пультов для управления им и ППС;

отсутствии утечек масла на шлангах гидроцилиндров шиберного затвора и утечки воздуха на шланге для охлажде-ния шиберного затвора, наличии на шлангах теплоизоляционной обмотки;

исправности систем аварийного закрытия шиберного затвора, аварийного разворота ППС, механизмов подъема-опускания и поворота крышек сталеразливочных ковшей, футеровки крышек;

наличии и исправном состоянии защиты от брызг и выплесков металла и шлака.

При проверке тележек промежуточных ковшей (рисунок 7.1) необходимо убедиться в:

исправности приводов перемещения и позиционирования тележек, пультов промковшей, гидроцилиндров, манипулятора защитной трубы, систем гидравлики тележек;

отсутствии течи гидравлических шлангов и соединений, наличии теплоизоляционной обмотки на гидравлических шлангах, теплоизоляционной обмотки на шлангах аргонопровода, исправности и герметичности аргонопровода.

Для аварийного слива металла проверяют состояние аварийного ковша, желоба, шлаковни и аварийных емкостей в резервной позиции тележки промежуточного ковша. Подготовка промежуточного ковша. Рекомендуемый уровень остатка металла в промковше после разливки серии плавок должен быть около 250 мм. При необходимости прожигается канал одного из стаканов промковша и остатки металла сливаются в аварийную емкость. В случае, когда уровень оставшегося металла в промковше более рекомендуемого, перед транспортировкой ковша металл охлаждается до образования на поверхности плотной корки.

Шлакообразующая смесь для разливки стали содержит графит, силикатную глыбу, плавиковый шпат и отвальный шлак ферросплавного производства. Кроме того, она дополнительно содержит рисовую лузгу при следующем соотношении компонентов, мас. %: графит - 12-20; силикатная глыба - 10-20; плавиковый шпат - 10-20; рисовая лузга - 0,5-5; отвальный шлак ферросплавного производства - остальное. 

Разливка стали под слоем жидкого шлака

Изучение процессов, протекающих при разливке стали и формировании слитков, позволило установить, что основными причинами возникновения дефектов являются вторичное окисление и охлаждение металла в процессе разливки стали, а также напряжения, возникающие в корочке кристаллизующегося слитка. В результате проведенных исследований были разработаны основы способа разливки стали под шлаком, а в дальнейшем и технология разливки высоколегированных сталей с использованием экзотермических смесей специального состава.           Жидкий шлак можно приготовить либо в специальных печах и залить в изложницы в готовом виде, либо непосредственно в изложнице расплавлением экзотермических порошкообразных смесей или брикетов.           Жидкий синтетический шлак, приготовленный в специальных печах. Расход шлака составляет 5—10 кг/т стали. При использовании такого шлака резко сокращается объем работ по обдирке слитков, а для стали некоторых марок эта операция совсем устраняется.            В настоящее время технология разливки стали под жидким шлаком внедрена в массовое производство на многих металлургических заводах.                        При использовании новой технологии разливки стали резко сокращается объем работы по обдирке и зачистке заготовок, появляется возможность прокатки слитков из ряда высоколегированной и легированной •сталей горячим всадом; резко улучшается качество поверхности проката. Брак металла по поверхностным дефектам снижается во много раз; снижаются и затраты труда по зачистке проката.             Разливка под шлаком способствует также существенному улучшению макроструктуры слитков — повышению плотности осевой зоны и уменьшению внецентренной ликвации, снижению загрязненности стали неметаллическими включениями и их более равномерному распределению. Содержание неметаллических включений уменьшается примерно на 30%; при этом практически полностью устраняются скопления их в нижней части слитков. При разливке с применением жидкого шлака уменьшается содержание в стали таких вредных примесей, как кислород, водород, азот.             Снижение потерь металла по дефектам поверхности и макроструктуре, резкое сокращение объема работ по обдирке и зачистке слитков обеспечивают значительное увеличение выхода годного проката.            Установлено, что у слитков, отлитых с применением жидкого синтетического шлака, более чистая поверхность и их прокатка обеспечивает более высокий выход слябов без дефектов. По сравнению со слябами, полученными из слитков, отлитых по обычной технологии.            Механические свойства и сопротивляемость межкристаллитной коррозии металла, отлитого с применением жидкого синтетического шлака, практически не отличаются от обычного и вполне удовлетворяют требованиям ГОСТов. Загрязненность неметаллическими включениями металла, отлитого сверху под жидким синтетическим шлаком, ниже, чем отлитого по обычной технологии (с применением петролатума).                       Широкое распространение на металлургических заводах получила разливка стали с защитными покрытиями.