3.3. Функции и свойства шлакообразующих смесей для кристаллизатора

Шлакообразующие смеси (ШОС) для разливки на МНЛЗ получили широкое распространение благодаря выполнению ими ряда важнейших функций [23]:

1. Смазочный эффект между кристаллизатором и корочкой затвердевшей стали и предотвращение прямого контакта между ними. На зеркале жидкой стали образуются три зоны из смеси: порошкообразная зона; зона спеченного порошка; жидкий шлак (рис. 39). Основная часть жидкого шлака втекает в зазор между кристаллизатором и заготовкой и тем самым действует как смазка.

2. Установление и уравновешивание теплопередачи в кристаллизаторе. Известно, что продольная трещина на поверхности непрерывнолитых заготовок в основном связана с повышенной теплопередачей в кристаллизаторе. Теплопроводность шлакового гарнисажа можно уменьшить повышением основности шлака (получение кристаллической структуры вместо стекловидной) и изменением его вязкости [23].

3. Защитное шлаковое покрытие ассимилирует продукты раскисления, которые всплывают к зеркалу металла в кристаллизаторе. Поглощение глинозема и кремнезема изменяет химический состав защитного шлака и его физических свойств, и в том числе - вязкость. Фториды (NaF, CaF,) способствуют снижению вязкости и ассимиляции включений. С другой стороны фториды увеличивают износ погружного стакана.

4. Защита стали от вторичного окисления. Для предотвращения вторичного окисления суммарное содержание окислов железа должно быть меньше 4%, а на практике не более 2%.

5. Теплоизоляция зеркала металла.

Рис. 39. Схема действия ШОС

Все функции имеют важное значение, но в повседневной практике наиболее важными являются смазка и горизонтальная теплопередача. Основными факторами, которые следует учитывать при выборе рабочих характеристик флюса, являются:

- условия разливки (скорость разливки Vc, характеристики качания кристаллизатора);

- марка стали и размер кристаллизатора;

- регулирование уровня в кристаллизаторе;

- условия подвода и гидродинамика жидкого металла.

Для подачи в кристаллизатор обычно используют ШОС, состоящий примерно из 70% (CaO+SiO2), 0-6% MgO, 2-6% Al₂O₃, 2-10% Na₂O₃+K₂O, 0-10%F, с различными добавками - TiO₂, ZrO₂, В₂О₃, Li₂O и MnO; основность (СаО/SiO2) 0,7-1,3. Частицы углерода в виде мелочи кокса, сажи и графита добавляются (2-20%) для регулирования скорости плавления и для образования восстановительной атмосферы СО в верхней части кристаллизатора для защиты металла от окисления. Частицы углерода не смачиваются шлаком и поэтому капельки шлака защищены от отекания из-за присутствия частиц углерода до тех пор, пока последний не будет израсходован в процессе окисления. В этом заключается механизм регулирования скорости плавления [23]. Жидкая составляющая ШOC в кристаллизаторе обеспечивает смазку стального слитка. Важно, чтобы жидкая смазка имелась в наличии на протяжении всего слитка, потому что если произойдет полная кристаллизация шлака в нижней половине кристаллизатора и жидкая смазка будет отсутствовать, могут возникнуть проблемы (образование разветвленных трещин). Гидродинамическое трение скорость в кристаллизаторе уменьшается по мере снижения вязкости и увеличения толщины пленки жидкого флюса. Расход порошка обеспечивает необходимое количество смазки и сильно зависит от размера кристаллизатора, потому что трение повышается по мере увеличения расстояния от угла. Поэтому силы трения гораздо больше при разливе слябов, чем блюмов и заготовок, и увеличиваются с повышением вязкости ШОС.

Недостаточный расход порошка приводит к возникновению различных дефектов и проблем, а именно: образованию продольных трещин, прорывам жидкой стали в результате прилипания (подвисания) корки слитков в кристаллизаторе, появлению глубоких следов качания кристаллизатора, образованию поперечных трещин по углам и впадин. Большинство исследователей считают, что на расход ШОС влияют в основном две составляющие: часть ШОС, которая идет на смазку кристаллизатора, и та часть, которая захватывается следами качания кристаллизатора.

Горизонтальная теплопередача является сложным процессом, в котором задействованы два механизма, а именно: решеточная, или фононная проводимость и излучающая проводимость. Излучающая проводимость подразумевает поглощение и повторную отдачу излучаемой энергии и может стать доминирующим механизмом передачи в стекловидных материалах при высоких температурах [25].

Слой порошка должен обеспечивать достаточную теплоизоляцию для предотвращения застывания поверхности стали. Уменьшение вертикального теплового потока имеет также большое значение для уменьшения глубины следов качания кристаллизатора и снижения «ситовидной пористости» путем уменьшения длины «серпа» мениска [25]. Теплоизоляция зависит от основных природных характеристик слоя шлака и в общих чертах увеличивается в следующих случаях: при использовании в последовательности порошков гранул, полученных с помощью экструзии, и шаровидных гранул; по мере уменьшения размера гранул; при увеличении толщины слоя шлака; при введении в состав ШОС экзотермических порошков.

Ассимиляция включении IIIOC имеет важное значение, потому что механические свойства стали, зависят как от количества включений, так и от их размера. Это сложный многостадийный процесс. Ассимиляции включений способствуют большой краевой угол смачивания между включением, металлом и шлаком и смачивание включений (большая часть включений смачивается шлаками).

Вместе с тем работа ШОС определяется организацией потоков жидкой стали в кристаллизаторе. Турбулентный поток воздействует на ванну шлака и приводит к: захвату шлака и газа, способному вызвать возникновение поверхностных дефектов у проката; поглощению углерода, особенно у сверхмалоуглеродистых марок стали; эрозии погружаемого стакана, особенно на поверхности раздела металл-шлак; чрезмерному охлаждению поверхности стали вследствие уменьшения теплоизоляции. Чаще всего возникновение турбулентных потоков связываются с заглублением погружаемого стакана, конструкцией отверстий этого стакана и расходом аргона. Предполагается, что ШОС в кристаллизаторе должны компенсировать влияние воздействий турбулентного потока за счет использования смесей с более высокой вязкостью. Однако это ведет к снижению расхода порошка и возникновению других проблем, в частности дефектов слитка - различного рода трещинам, складчатости, газовых и шлаковых включений, прорывов и др.

Значительный объем исследований посвящен свойствам ШОС, применяемых для засыпки в кристаллизатор. Вязкость (или жидкотекучесть) ШОС для подачи в кристаллизатор является наиболее важным из свойств: она определяет расход порошка, а, следовательно, и смазку корки слитка: захват шлака обычно устраняют увеличением вязкости; степень эрозии погружаемого стакана пропорциональна жидкотекучести (измеряется на вискозиметре).

Технологические свойства ШОС определяются рядом температурных характеристик. Температура ликвидуса T_liq представляет собой конечную температуру плавления ШОС и измеряется в ходе цикла нагрева по данным дифференциальной термогравиметрии и/или дифференциальной сканирующей калориметрии или испытаний с помощью микроскопа Лейца; T_liq определяет поверхность раздела между жидкой ванной (лункой), пористой зоной в слое порошка и аналитически может быть рассчитана с точностью до ±35°С.

Температура затвердения Т_sol представляет собой температуру, при которой в процессе охлаждения затвердевает (или кристаллизуется) расплавленная ШОС. Температура перелома T_br представляет собой температуру, ниже которой наблюдается заметное увеличение вязкости. Как правило, величины T_br и T_sol близки между собой, но иногда разница между ними достигает 70°C.

Температуры перелома (и возможного затвердевания) снижаются с увеличением скорости охлаждения и обычно измеряются при скорости охлаждения -10 С/мин. Фактически Т_br может быть значительно ниже, так как скорость охлаждения в кристаллизаторе составляет 10 °С/с [25].

Практические результаты, полученные в промышленных условиях, показали, что при разливке среднеуглеродистых сталей, которые подвержены образованию продольных трещин, ШОС при log₁₀ (дПа*с) 1.0-3.5 имеет температуру перелома ШОС при разливке высокоуглеродистых сталей которые подвержены прорывам жидкой стали в результате прилипания корки слитка в кристаллизаторе, - в интервале 1030-1150°С. Для других марок стали T_br расположены между этими интервалами в зависимости от вязкости. Установлено, что тепловое сопротивление R_Cu/sl увеличивается с повышением толщины и качества кристаллической фазы в пленке шлака. Важность присутствия кристаллической фазы в пленке шлака для горизонтальной теплопередачи послужила своеобразным катализатором при проведении научно-исследовательских работ в области кристаллизации. Поверхностное натяжение имеет большое значение для процесса непрерывной разливки, поскольку высокое значение помогает свести до минимума захват шлака. Форма мениска, а, следовательно, и ширина канала для проникновения шлака определяется по капиллярной константе, которая включает величину поверхностного натяжения. Установлено, что компоненты натрия снижают величину поверхностного натяжения, а А1₂O₃- увеличивают. Поверхностное натяжение на границе металл-шлак в значительной степени зависит от поверхностного натяжения на границе металл-газ, которое определяется содержанием в металле серы. Поэтому менее вероятно, что регулирование состава шлака будет иметь большое влияние на поверхностное натяжение на границе металл-шлак, чем регулирование в металле содержания серы.

Тепловые свойства ШОС играют важную роль в горизонтальной теплопередаче между коркой слитка и кристаллизатором. Имеют множество данных о величине температуропроводности стекловидных, кристаллических и жидких шлаков, пленок шлака, отобранных из кристаллизатора.