НЕПРЕРЫВНОЕ РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ РАЗЛИВКИ

Внеагрегатные способы улучшения качества широко вошли в практику производства стали. Однако, при этом нежелательно увеличивается пауза между выпуском металла из агрегата и началом разливки, существено снижается температура и требуется недежная защита металла от контакта с воздухом при разливке для сохранения полученного эффекта. Применение АКОСов решает температурную пробле-му, оставляя нерешенными остальные.

Непрерывная разливка создает хорошие условия для совмещения разливки и способов рафинирования металла. На Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) длительное время успешно эксплуатируется установка поточного вакуумирования, разработанная учеными Липецкого политехнического института, НЛМК и ЦНИИЧермета под руководством проф. Г.А.Соколова.

Сущность непрерывного вакуумирования заключается в том, что между сталеразливочным и промежуточным ковшами устанавливается камера, обеспечивающая вакуумирование струи и тонкого слоя металла на днище камеры

Преимущества поточного вакуумирования перед традиционными способами вакуумирования заключаются в следующем: непрерывность процесса со скоростью разливки (0,5 — 6,0 т/мин) без увеличения технологической паузы между выплавкой и разливкой стали; создание развитой межфазной поверхности в системе струя — слой, обеспечивающей высокую степень рафинирования; сохранения обычного (без перегрева) температурного режима производства стали в связи с незначительными тепловыми потерями при вакуумировании; сохранение эффекта вакуумирования до литого слитка без специальных мер защиты металла от контакта с воздухом на участке сталеразливочный ковш— промежуточный ковш; обеспечение благоприятной для всплывания неметаллических включений гидродинамики в промежу- то*шом ковше за счет безнапорного истечения металла из вакуумной камеры.

Вакуумная камера имеет небольшие и хорошо вписывается в существующее разливочное оборудование. На НЛМК одна камера установлена в конвертерном цехе №2 на МНЛЗ №5 в 1985 г. и на МНЛЗ №6 в 1993 г.; разработана технология поточного вакуумирования металла различной степени окисленности: спокойного, кипящего и полуспокойного, при вакуумировании которого происходит ограничен- [ ное вакуумное обезуглероживание [1].

Вакуумировали низкоуглеролистую стабили-зированную алюминием сталь марки 08Ю, а также конструкционные стали марок 10, 15, 09Г2, 17ГС и др. Вакуумирование не повлияло на температурный режим плавки и позволило на 15 — 20% увеличить скорость разливки за счет лучшей жидкотекучести вакуумированной стали и снижения крупных неметаллических включений в оболочке формирующегося слитка.

При поточном вакуумировании спокойных марок стали улучшение качества достигается за счет вакуумной дегазации, надежной защиты струи металла из сталеразливочного ковша от вторичного окисления и безнапорного истечения металла из камеры в промежуточный ковш. Получены следующие показатели качества: в 1,5 — 2,0 раза снизилось количество неметаллических включений, особенно крупных (см. таблицу); на 50 — 60 % снизилось содержание водорода; содержание азота стаби- 130

Особенностью поточного вакуумирования является ограниченное время воздействия вакуума на металл, обусловленное массовой скоростью разливки: при скорости разливки 5 т/мин металл находится в струе 0,2 — 0,4 с в зависимости от уровня металла в сталеразливочном ковше и 53 — 55 с — в слое. Эффективность вакуумного обезуглероживания при данных условиях изучали по степени приближения реакции обезуглероживания к равновесию, используя отношение /Пфакт/травн (т ~ произведение фактических концентраций углерода и кислорода после ва- куумирования и расчетных). По данным [2] - был рассчитан показатель т для традиционных способов вакуумирования.

Высокая эффективность обезуглероживания при поточном вакуумировании обеспечивается улучшением кинетических условий процесса за счет развитой межфазной поверхности металл- газ в струе и тонком регулируемом слое. Содержание кислорода в металле после вакуумирования соответствовало его концентрации в спокойной стали, и структура слитка была плотной. Однако для предотвращения старения металлопродукции и, учитывая ликвацион- ные процессы при кристаллизации слитка, в металл после вакуумирования присаживали алюминий.

Основными проблемами получения стали типа 08Ю при вакуумировании нераскисленного металла являлись: обеспечение оптимальных температур, соотношения исходных концентраций углерода и кислорода и разрежения в камере; разработка способа непрерывного легирования металла алюминием; применение огнеупоров, обеспечивающих высокую стойкость футеровки ковшей, шиберных затворов и вакуумной камеры. Разработанная математическая модель взаимодействия состава стали и параметров вакуумирования позволила оптимизировать процесс и обеспечить глубокое обезуглероживание.

При этих условиях содержание углерода снижалось на 0,025 — 0,035%, а содержание кислорода после вакуумирования не превышало 0,010%.

Разработаны два способа непрерывной подачи алюминиевой проволоки в металл после вакуумирования: в кристаллизатор по обе стороны погружного устройства (диаметр про-волоки 3,15 мм) и в промежуточный ковш по обе стороны металлопровода (диаметр проволоки 11,5 мм). Провели гидравлическое лирование процессов в кристаллизаторе, промежуточном ковше и физическое моделирование процесса растворения алюминиевой проволоки в жидком металле. Определили оптимальное сочетание потоков, глубины растворения проволоки, обеспечивающее высокую степень усвоения, равномерное распределение алюминия в слитке и всплывание образующихся оксидных включений. Расход алюминия устанавливали согласно уравнению: g = k([AJ]K-[Al]B) х х 104 + 50/(рост +1), где g - удельный расход алюминия, кг/т; [Л/]к, [А1\я — конечная и начальная концентрации алюминия соответ-ственно, %; к = 1,0+1,3 - коэффициент, учи- . тывающий окисление алюминия за счет нерав-новесного кислорода и зависящий от давления в камере; 50/(рост +1) - слагаемое, учитывающее окисление алюминия за счет кислорода воздуха, натекающего в камеру.

При данном легировании получили стабильное усвоение алюминия в пределах 92 — 96% и равномерное его распределение в слитке. Содержание неметаллических включений несколько повысилось по сравнению с вакуумиро- ванной спокойной сталью, но осталось ниже, чем в плавках без вакуумирования: общее количество включений 0,0098 %, в том числе оксидных 0,0056 % и крупных 1,35 шт/см2. Содержание азота в опытных плавках составляло 0,0018 — 0,0026 %. Изменение гидродинамики в промежуточном ковше за счет установки перегородок и продувки аргоном снижает содержание неметаллических включений при всех вариантах поточного - вакуумирования и особенно при непрерывном легировании. Таким образом, данная технология производства стали 08Ю обеспечила высокую чистоту стали по газам и неметаллическим включениям, повышение штампуемости холоднокатаного листа и существенную экономию алюминия: было получено 43% листа категории вытяжки ВОСВ и 57% — ОСВ; расход алюминия снизился на 0,8 — 1,5 кг/т стали.

Поточное вакуумирование является хорошей базой для создания агрегата комплексной обработки стали (АКОС) непрерывного действия. Возможно сочетание вакуума с обработкой жидкого металла газами и твердыми реагентами разного состава и с различной целью. При этом можно воздействовать как на исходный металл, так и на металл в процессе и после вакуумирования. Хорошее перемешивание и внедрение вводимых материалов может быть обеспечено в струе металла, истекающей из сталеразливочного ковша в камеру и из ме-таллопровода в промежуточный ковш (Re >30000). В данном АКОС сохранятся преимущество поточного вакуумирования (непрерывность, малые теплопотери и пр.) и обеспе- чих,.. экономия материалов: газообразных за счет резкого перепада давления, увеличивающего межфазную поверхность, а твердых — за счет исключения их контакта с воздухом, развитой реакционной поверхности и понижения парциальных давлений продуктов реакции. Кроме того, замкнутый объем и отсос газов из камеры пароэжекторными насосами могут обеспечить экологическую чистоту процесса.

В настоящее время проводятся работы по газо-вакуумной обработке стали с целью углубления рафинировочных процессов, в том числе получения особо низких концентраций углерода. Разработана конструкция подачи аргона в корень струи через шиберное устройство сталеразливочного ковша, проведено математическое и физическое моделиро-вание процесса газо-вакуумной обработки струи металла. Расчеты и лабораторные исследования показали, что при незначительном расходе аргона (~ 0,007 MVT) В 1,5 — 2,0 раза увеличивается межфазная поверхность металл— газ и на 15 — 35% снижается содержание газов по сравнению с вакуумной обработкой (рис.З). Промышленные эксперименты (проведено 13 плавок) свидетельствуют о технологической надежности конструкции и увеличении степени рафинирования металла. Так, при аргоно-вакуумной обработке стали 08Ю содержание неметаллических включений снизилось в 1,5 раза, в том числе включений размером >40 мкм с 1,19 до ОДбпгг/см2; на 0,0004 — 0,0007 % снизилось содержание азота и в 1,3 раза водорода по сравнению с вакуумированным металлом. Получены положительные результаты по непрерывному легированию алюминием после вакуумирования металла различной степени окисленности: экономия алюминия при высокой чистоте металла по газам и неметаллическим включениям. Начаты работы по непрерывному легированию и модифицированию сталей различного состава в процессе поточного вакуумирования.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994