автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение ассимилирующей способности шлакового расплава в промежуточном ковше при непрерывной разливке низкоуглеродистых сталей, раскисленных алюминием

На правах рукописи

Лебедев Илья Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ АССИМИЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ШЛАКОВОГО РАСПЛАВА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ, РАСКИСЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕМ

Специальность 05.16.02 - «Металлургия чёрных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2014

11 ПАИ 2014

005548814

Диссертационная работа выполнена в центре новых металлургических технологий Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина».

Научный руководитель: Топтыгин Андрей Михайлович,

кандидат технических наук, заведующий лабораторией

Официальные оппоненты: Свяжин Анатолий Григорьевич,

доктор технических наук,

профессор кафедры металлургии стали и ферросплавов ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Аксельрод Лев Моисеевич, кандидат технических наук, технический директор ООО «Группа «Магнезит»

Ведущая организация: ОАО «Волжский трубный завод»

Защита состоится «10» июня 2014 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 217.035.02 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии им. И.П. Бардина» по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина».

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» -http://chermet.net. Объявление о защите размещено на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии (ВАК) при Министерстве образования и науки РФ -http://vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «08» мая 2014 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.035.02

Т.П. Москвина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время большая часть холоднокатаного листа из низкоуглеродистых сталей, раскисленных алюминием, используется в автомобильной промышленности для штамповки лицевых панелей, к которым предъявляются повышенные требования по качеству поверхности. В связи с ростом производства автомобилей на территории России и повышением степени его локализации возрастает потребность в этом металле.

Основными дефектами сталеплавильного происхождения холоднокатаного листа являются «плена», «раскатанное загрязнение», «раскатанная трещина» и «расслоение». Эти дефекты образуются, в том числе, из-за наличия в металле неметаллических включений различного типа и происхождения. Важную роль в получении чистого по неметаллическим включениям металла выполняют шлакооб-разующие смеси (ШОС), применяемые в промежуточных ковшах и кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Таким образом, применение эффективных ассимилирующих смесей при непрерывной разливке низкоуглеродистых сталей, раскисленных алюминием, является важной составной частью решения задачи получения качественного холоднокатаного листа.

Цель работы. Повышение качества поверхности холоднокатаного листа за счет снижения загрязненности жидкой стали неметаллическими включениями путем их ассимиляции шлаковым расплавом в промежуточном ковше с использованием эффективных ШОС. . ,

Методы исследования. При выполнении экспериментальной части работы были использованы методы оптической и электронной сканирующей микроскопии при исследовании образцов металла; методы анализа химического состава, физических свойств шлаковых расплавов и теплофизических свойств порошковых шлакообразующих смесей; математические расчеты, выполненные на базе современных средств вычислительной техники, а также проведено промышленное опробование разработанных шлакообразующих смесей. .

Научная новизна.

1. Установлен механизм изменения состава и свойств шлака в промежуточном ковше при разливке серии плавок, заключающийся в постоянном уменьшении массовой доли ассимилирующей смеси за счет эрозии рабочего слоя футеровки, попадания шлака и шиберной засыпки из сталеразливочного ковша, а также поглощения всплывающих из стали неметаллических включений.

2. Определены границы исходных химических составов шлакообразующих смесей (см. таблицу 3, смесь марки АСЛ), применение которых позволяет на протяжении всей кампании промежуточного ковша сохранять физико-химические

свойства шлака в диапазоне, необходимом для эффективной ассимиляции глиноземистых неметаллических включений.

3. Разработан новый подход к оценке ассимилирующей способности шлако-образующей смеси, заключающийся в определении удельной величины, равной отношению массы неметаллических включений, перешедших из металла в шлак, к массе поданной в промежуточный ковш ШОС.

4. Разработана методика для изучения теплофизических характеристик шла-кообразующих смесей, заключающаяся в экспериментальном определении коэффициентов температуре- и теплопроводности методом регулярного теплового режима при граничных условиях первого и третьего рода соответственно.

Практическая значимость работы.

1. Разработан новый состав утепляюще-ассимилирующей смеси для промежуточного ковша для разливки низкоуглеродистых сталей в условиях кислородно-конвертерного цеха №1 (ККЦ №1) НЛМК, обеспечивающий высокое качество конечной продукции - холоднокатаного листа. Разработаны и зарегистрированы технические условия (ТУ 0798-008-84849597-2012), оформлена заявка на патент.

2. В качестве исходных материалов для производства смеси подобраны недорогие компоненты, обладающие стабильным химическим составом, позволяющие получать ШОС с заданными физико-химическими характеристиками и низкой стоимостью.

3. Разработана технология подачи утепляюще-ассимилирующей смеси, обеспечивающая стабильную температуру разливки и эффективную ассимиляцию неметаллических включений на протяжении всей кампании промежуточного ковша в условиях ККЦ №1 НЛМК.

4. Создана уникальная лабораторная установка, позволяющая получить зависимости коэффициента теплопроводности порошковых смесей от содержания в них рисовой лузги.

Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; проведение теоретических, лабораторных и промышленных исследований; обработка, обобщение, анализ и научное обоснование результатов исследований; формулировка выводов и рекомендаций.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: XII Российская конференция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», г. Екатеринбург, 2008 г., II Конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», г. Москва, 2010 г., Международная конференция «Технологии и оборудование для сталеплавильного производства», НИТУ «МИСиС», г. Москва, 2011 г., III Конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ГНЦ РФ ФГУП

«ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», г. Москва, 2011 г., «XII. Конгресс сталеплавильщиков», г. Выкса, 2012 г., IV Конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», г. Москва, 2012 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в журналах и сборниках научных трудов, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, для публикации материалов диссертаций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников из 91 наименования и приложений. Она изложена на 145 страницах машинописного текста, включая 50 таблиц, 66 рисунков и 91 источник.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложены: актуальность, структура работы, научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе рассмотрено влияние неметаллических включений (НВ) в низкоуглеродистых сталях на качество поверхности листового проката. Основными видами дефектов являются «плена», «раскатанное загрязнение», «раскатанная трещина» и «расслоение», представляющие собой многоуровневое расслоение поверхности проката. Такие поверхностные дефекты в низкоуглеродистых сталях, применяемых в основном в автомобильной промышленности, связывают с наличием глиноземистых включений в стали, иногда с затягиванием ШОС кристаллизатора или шлака из промежуточного ковша.

Представлен анализ современного состояния вопроса применения шлакооб-разующих смесей в промежуточных ковшах и кристаллизаторах при непрерывной разливке стали. Изучено влияние шлакообразующих смесей на качество получаемой металлопродукции, в большей степени на образование типичных для автолистовых сталей дефектов проката. Установлено, что ШОС, применяемые в промежуточном ковше, играют важную роль в процессе получения чистой по НВ стали. На фоне большого количества выполненных в последнее время научно-исследовательских работ, направленных на улучшение условий всплывания НВ в жидкой стали в промежуточном ковше, увеличение «емкости» шлака по отношению к НВ, а также сохранение высокой ассимилирующей способности на протяжении всей кампании промежуточного ковша является важной задачей.

Приведены основные требования к физико-химическим, теплофизическим и технологическим свойствам ШОС для непрерывной разливки низкоуглеродистых марок стали. Основными требованиями, предъявляемыми к шлаковому покрытию в промежуточном ковше, являются: низкая теплопроводность, низкая газопроницаемость и сохранение ассимилирующей способности по отношению к ряду ок-

сидов, находящихся в металле промежуточного ковша, в течение длительной разливки, без обновления шлака. Теплозащитная функция шлака, позволяющая сохранять равномерность температуры металла в промежуточном ковше по ходу разливки, определяется не только величиной теплопроводности расплавленного шлака, но и содержанием углерода в смеси, соотношением слоев расплавленного шлака, спеченной и порошкообразной части, а в целом - толщиной шлакового покрытия. Содержание углерода в смеси при разливке низкоуглеродистых сталей не должно превышать 2-3 мае. % для исключения науглероживания металла. Газопроницаемость шлакового покрытия, влияющая на степень вторичного окисления металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе со стороны зеркала, определяется соотношением жидкого и нерасплавленного слоев, наличием в шлаке окислов переменной валентности, а также вязкостью жидкого слоя шлака: чем больше толщина жидкого слоя, чем больше его вязкость и чем меньше содержания окислов железа и марганца, тем ниже степень вторичного окисления металла. Ассимилирующая способность шлака и длительность сохранения этого свойства без смены шлака определяются оптимальной величиной основности, температуры течения (ликвидус), поверхностного натяжения и вязкости шлака в течение всей кампании промежуточного ковша. Исследования и опыт использования ассимилирующих смесей для промежуточного ковша при разливке низкоуглеродистых сталей показали, что оптимальные значения основности находятся в диапазонах 0,5-1,2 или 8-11, наиболее оптимальная температура течения находится в пределах 1250-1300 °С, оптимальные значения вязкости шлака в промежуточном ковше к настоящему моменту не определены. Шлаки, обладающие меньшей величиной вязкости и поверхностного натяжения лучше ассимилируют НВ, однако, эти величины не должны быть слишком низкими во избежание диспергирования шлака в металл.

Процесс изменения состава шлака в промежуточном ковше и его влияние на ассимиляцию НВ исследован к настоящему моменту недостаточно полно. Под воздействием шлака и засыпки шиберного затвора сталеразливочного ковша, эрозии футеровки и окислительно-восстановительных реакций состав шлака в промежуточном ковше, его физические свойства и, соответственно, ассимилирующая способность могут существенно изменяться.

Поставлены основные задачи исследования:

- установить тип, размеры и объемную долю НВ, находящихся в металле в промежуточном ковше при непрерывной разливке низкоуглеродистых сталей в промышленных условиях;

- разработать эффективные составы ассимилирующих смесей для промежуточного ковша для разливки низкоуглеродистых марок стали;

- изучить основные физико-химические свойства, серийно применяемых и разработанных смесей; .-...;;,,-..

- изучить изменение химического состава и свойств шлакового расплава в промежуточном ковше в процессе разливки серии плавок; -

- определить ассимилирующую способность шлака в промежуточном ковше и ее изменение по ходу разливки серии плавок при использовании серийно применяемых и разработанных смесей;

- определить оптимальную схему подачи шлакообразующих смесей в промежуточный ковш, обеспечивающую максимальную эффективность рафинирования металла от НВ и хорошую теплоизоляцию зеркала металла;

- оценить влияние использования разработанных смесей на качество металлопроката и технико-экономическую эффективность их применения.

Во второй главе приведены сведения о методах исследований и анализа полученных результатов, а также показатели точности. Приведены схемы и описание экспериментальных установок и лабораторного оборудования для исследования физическо-химических и теплофизических свойств ШОС, а также для проведения металлографических исследований образцов стали. Описана методика проведения опытно-промышленных испытаний ШОС, а также методика исследования процесса изменения состава шлака в промежуточном ковше и вычисления количества ассимилированных шлаком НВ.

Химический состав, вязкость и температурный интервал плавления шлакообразующих смесей и образцов шлака из промежуточного ковша определяли в аккредитованных лабораториях с помощью стандартных методов исследования. Поверхностное натяжение шлаковых расплавов оценивали с помощью диаграмм многокомпонентных шлаковых систем. Краевой угол смачивания в системе «жидкий шлак - твердое НВ (А120з)» определяли по снимкам с высокотемпературного микроскопа, полученным при проведении экспериментов по изучению температурного интервала плавления образцов шлака.

В рамках эксперимента по определению теплофизических свойств шлакообразующих смесей для защиты зеркала металла в промежуточном ковше были определены насыпная плотность, коэффициенты тепло- и температуропроводности, а также удельная теплоемкость.

Насыпную плотность определяли как отношение массы навески свободно насыпанной смеси к ее объему. Коэффициенты температуре- и теплопроводности определяли методом регулярного теплового режима при граничных условиях первого и третьего рода соответственно. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. Установка оборудована электрическим водонагревателем 1, обеспечивающим нагрев исследуемого образца 2 в кипящей воде при граничных условиях первого рода. Интенсивность кипения регулируют с помощью ла-

бораторного автотрансформатора (ЛАТР). Образцы после нагрева могут быть подняты с помощью подъемного устройства 3 и зафиксированы в поднятом положении для охлаждения на воздухе при граничных условиях третьего рода. Для исключения влияния случайных потоков при охлаждении на воздухе включают вентилятор 4 с помощью тумблера 5, расположенного на передней панели установки. Температуру центра и поверхности образцов 2 измеряли с помощью термопар хромель-алюмель 6 и 7. Термопара 8 измеряет температуру среды. Для проведения эксперимента исследуемую навеску сыпучего материала помещают в калориметрическую бомбу - завинчивающийся стальной цилиндр с известными геометрическими размерами, в котором закреплены термопары 6 и 7. Установка оборудована устройством связи с объектом (УСО) АБАМ4018 класса точности 0,1, передающим в компьютер показания термопар.

Рисунок 1 - Общая схема и вид стенда экспериментальной установки по определению теплоизоляционных свойств смесей

Массу ассимилированных шлаком в промежуточном ковше НВ определяли путем решения системы уравнений, основанных на материальном балансе. В уравнении (1) указаны составляющие шлака в промежуточном ковше.

Мшл = "Чиос + "1ск + тшиб + Щ + "1НВ, (1)

где Мшл - масса шлака в промежуточном ковше, кг;

т-шос ~ масса шлакообразующей ассимилирующей смеси, поданной к моменту расчета, кг;

?7тск - масса шлака, попавшего в промежуточный ковш из сталеразливочного ковша к моменту расчета, кг;

тши6 - масса шиберной засыпки, попавшей в промежуточный ковш из сталеразливочного ковша к моменту расчета, кг;

Шф - масса растворенной в шлаке промежуточного ковша футеровки к моменту расчета, кг;

тнв - масса НВ, ассимилированных шлаком из металла,в промежуточном ковше, к моменту расчета.

Из всех переменных этого уравнения неизвестными являются только три: мшл> тск и тнв. Поэтому для их определения необходимо составить еще два уравнения, не содержащих других неизвестных величин (2) и (3). Масса растворенной в шлаке футеровки промежуточного ковша определялась посредством измерения линейных размеров шлакового пояса на участке ремонта ковшей после завершения разливки серии плавок. Масса шиберной засыпки сталеразливочного ковша, попадающей в промежуточный ковш в начале разливки каждой плавки известна и составляет по производственным данным 15-20 кг/пл.

,, /-шл _ г*ШОС _ г шиб ™ гФ „ гНВ

мшл'сСаО~тШОС ^са0~тшн6'^са0~тф сСаО~тН8^СаО

тск ---.

где С^о - содержание оксида кальция в шлаке промежуточного ковша, мае. %;

ссво _ содержание оксида кальция в шлакообразующей ассимилирующей смеси, мае. %;

ссао - содержание оксида кальция в шиберной засыпке сталеразливочного ковша, мае. %;

с£а0 — содержание оксида кальция в футеровке промежуточного ковша, мас.%;

ссао ~ содержание оксида кальция в НВ, мае. %;

ссао - содержание оксида кальция в шлаке в сталеразливочном ковше после внепечной обработки стали, мае. %.

Уравнение (2) позволяет определить массу высокоосновного шлака, попадающего в промежуточный ковш из сталеразливочного в конце разливки каждой плавки. Данная величина определялась через содержание СаО, т.к. содержание этого оксида известно для всех составляющих шлакового расплава в промежуточном ковше.

,. „ г-ск „ гШОС гшнб _ ,-Ф

_ М1Ш1Ч-/1120з~'ЭТСК Ч»г03~'"1110С'Ч<|203-"'ши6 ^/ИгОд-'Пф Ч^Оз

тНВ — -^нв-> (.-и

где С^0з- содержание оксида алюминия в шлаке промежуточного ковша, мае. %;

См2о3~ содержание оксида алюминия в шлаке сталеразливочного ковша после внепечной обработки стали, мае. %;

с™о3 _ содержание оксида алюминия в шлакообразующей ассимилирующей смеси, мае. %;

С^оз- содержание оксида алюминия в шиберной засыпке сталеразливочного ковша, мае. %;

са12о3~ содержание оксида алюминия в рабочем слое футеровки промежуточного ковша, мае. %;

са?2о3~ содержание оксида алюминия в НВ, ассимилированных шлаком из металла в промежуточном ковше, мае. %.

Решив систему, состоящую из трех уравнений (1)-(3), представляется возможным определить общую масса шлака в промежуточном ковше, массу шлака, попавшего в промежуточный ковш из сталеразливочного, а также главную для данного исследования величину - массу ассимилированных шлаком НВ.

Проведя несколько расчетов для различных моментов времени в течение разливки серии плавок, соответствующих плавкам, на которых производились отборы проб шлака для последующего их химического анализа, получены данные, с помощью которых построены диаграммы изменения состава шлака в промежуточном ковше.

Промышленные испытания разработанных шлакообразующих смесей для промежуточного ковша проводили в конвертерном цехе ЧерМК ОАО «Северсталь» на МНЛЗ №4 и в конвертерном цехе №1 ОАО «НЛМК» (г. Липецк) на МНЛЗ №4 и №6 при разливке низкоуглеродистых сталей, предназначенных для холодного проката. Разработанные смеси применялись в соответствии с рекомендованной автором схемой подачи в промежуточный ковш на нескольких сериях плавок. В ходе испытаний оценивались следующие параметры:

- время образования жидкой шлаковой прослойки;

- удельный расход;

- равномерность распределения по поверхности металла в промежуточном ковше;

- износ футеровки, стопоров-моноблоков и защитной трубы;

- падение температуры металла в промежуточном ковше.

Ассимилирующую способность разработанных и серийно применяемых смесей оценивали путем расчета удельной величины, равной отношению массы ассимилированных шлаком НВ, выраженной в граммах, к массе поданной в промежуточный ковш ШОС, выраженной в килограммах.

В третьей главе приведены результаты металлографических исследований проб стали, проведенных с целью определения типа, размеров и объемной доли НВ, являющихся основной причиной возникновения дефекта холоднокатаного листа «плена, раскатанное загрязнение». На рисунке 2 приведены типичные НВ в стали 08Ю.

Установлено, что основным типом НВ в низкоуглеродистых сталях (08Ю, 08пс, и т.п.) являются мелкие глиноземистые включения (А1203) размером 5-20 мкм, причем чаще встречаются не отдельные включения, а их скопления общим

размером до 150 мкм. Объемная доля НВ в исследованных образцах стали колеблется от тысячных до сотых долей процента.

■ б)

Спектр Содержание, мае. %

О А1 Сумма

1 51,98 48,02 100,00

2 45,08 54,92 100,00

3 51,01 48,99 100,00

4 59,30 40,70 100,00

5 60,76 39,24 100,00

Среднее 53,63 46,37 100,00

Станд. отклонение 6,43 6,43 -

Маке. 60,76 54,92 -

Мин. 45,08 39,24 -

Рисунок 2 - Неметаллические включения в стали 08Ю. а), б) - микрофотографии с оптического микроскопа; в) - микрофотографии с электронно-сканирующего микроскопа

В соответствии с производственными данными основная доля отсортировки холоднокатаного листа по дефекту «плена, раскатанное загрязнение» приходится на металл, отлитый во второй половине кампании промежуточного ковша. Это может быть объяснено ухудшающимися условиями для перехода НВ из металла в шлак из-за существенного изменения физико-химических свойств последнего, таких как вязкость, температура течения (ликвидус), краевой угол смачивания в системах «металл-шлак» и «шлак-НВ» и поверхностное натяжение. Для проверки этой гипотезы были отобраны пробы шлака из промежуточного ковша на протяжении разливки серии плавок, определен их химический состав, вязкость и температуры деформации и течения (см. таблицу 1).

9

Таблица 1 - Результаты химического анализа, измерения температуры деформации, температуры течения и вязкости проб шлака

№ плавки в серии Содержание оксидов, мае. % т °гл 1 деф? ^ Т °С А теч> ^ г|, Па с (при 1350 °С)

Si02 СаО А1203 MgO

Исходная ШОС* 32,3-38,3 29,035,0 14,018,0 4,5-6,5 - 11851285 0,6-0,7

2 36,75 28,51 22,34 5,21 1201 1228 0,86

4 33,80 30,56 24,45 4,68 1281 >1300 > 1

10 29,25 29,10 28,22 4,43 1287 >1300 проба не расплавилась

* - по данным производителя

Физические свойства шлака сильно изменяются к последним плавкам в кампании промежуточного ковша: вязкость, температура деформации и температура течения возрастают, что ухудшает условия перехода всплывающих НВ из металла в шлак. Содержание А1203 в шлаке резко прирастает за первые две плавки: средняя скорость прироста составляет 3,17 %/пл. За следующие две плавки средняя скорость прироста понижается до 1,06 %/пл., начиная с пятой плавки в серии, средняя скорость прироста А1203 еще снижается до величины 0,63 %/пл. Содержание оксида кальция в шлаке изменяется в очень узких пределах 28,5-30,5 мае. %, в то время как содержание оксида кремния существенно снижается. Следовательно, на изменение химического состава шлакового расплава в промежуточном ковше помимо ассимиляции НВ влияют другие процессы.

Для определения степени влияния на формирование шлакового расплава таких процессов, как растворение в шлаке разрушающейся футеровки, попадание шлака и шиберной засыпки из сталеразливочного ковша, был проведен математический расчет по методике, описанной в гл. 2.3 диссертационной работы. Результаты расчета приведены в таблице 2 и на рисунке 3.

Таблица 2 - Изменение содержания компонентов в шлаке промежуточного ковша

Компонент шлака Масса, кг

Начало разливки 2-я плавка 4-я плавка 10-я плавка

Ассимилирующая смесь (ШОС) 438,0 438,0 438,0 438,0

Шлак из сталеразливочного ковша 0,0 17,3 173,4 417,0

Футеровка 0,0 10,1 20,2 50,4

Неметаллические включения 0,0 31,3 44,8 108,2

Шиберная засыпка 20,0 40,0 80,0 200,0

Сумма 458,0 536,7 756,4 1213,6

Рисунок 3 - Изменение состава шлака в промежуточном ковше при использовании импортной ассимилирующей смеси

^ 100% °о 90% I 80%

« 70%

§ 60%

а 50%

ё 40%

| 30%

8- 20% § 10% и 0%

■ Шиберная засыпка

■ НВ

и Футеровка

■ Шлак из с/к

■ ШОС

0123456789 10 Номер плавки

Данные, представленные на рисунке 3, свидетельствуют о том, что на изменение состава и, как следствие, физических характеристик шлака в промежуточном ковше оказывают влияние все вышеуказанные процессы.

По данным, приведенным в таблице 2, можно судить о снижающейся от плавки к плавке массе ассимилированных шлаком НВ. Если за первые две плавки эта величина составляла 15,65 кг/пл., то за последние 8 плавок она снизилась до 9,61 кг/пл., т.е. почти на 40 отн. %.

На основе количественного анализа изменения состава шлака определены границы исходных составов шлакообразующих смесей, применение которых позволит на протяжении всей кампании промежуточного ковша сохранять физические свойства шлака в диапазоне, необходимом для эффективной ассимиляции неметаллических включений. Химические составы разработанных смесей приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Химические составы новых ассимилирующих смесей

Марка Химический состав, мае. % Основность СаО/8Ю2 Расчетные значения

БЮг А12Оз СаО Я20 С Г со2 Ре203 н2о Т 1 теч., "С Ц, Па-с

АСЛ 43,048,0 <5 27,032,0 7,011,0 <4,0 <2,0 - 5,08,0 <2,5 < 1,0 0,55-0,75 12701320 0,800,90

АСЛ-1 36,040,0 <5 34,038,0 7,011,0 <4,0 <2,0 - 5,08,0 <2,5 < 1,0 0,85-1,05 12601310 0,750,85

П-4-Л 33,036,0 7,09,0 36,039,0 6,0-8,0 <4,0 <2,0 1,03,0 2,55,0 <3,0 < 1,0 1,00-1,15 12001250 0,500,80

На рисунке 4 на диаграмме состояния трехкомпонентной системы 5Ю2-Са0-А1203 показана область исходных базовых составов разработанных ШОС (черный эллипс), а также исходный базовый состав серийно применяемой на НЛМК импортной ассимилирующей смеси №2 (черная точка). Сплошной линией показана траектория типового изменения состава шлака в промежуточном ковше при использовании импортной ШОС.

510; 1328

Рисунок 4 - Область исходных составов новых ШОС (эллипс) и серийно-применяемой импортной смеси (точка)

Для оценки стабильности физических свойств новых шлакообразующих смесей, моделируя процесс насыщения шлака глиноземистыми включениями в процессе разливки серии плавок, были изготовлены пробы с различным количеством добавки А1203, после чего измерены температуры течения полученных проб, а также вязкость при температуре 1350 °С. Результаты исследований представлены на рисунках 5 и 6.

1300

1250

«

к ж

и

ЕГ

<ц

н

св

£ 1200 1 1150

-П-4-Л

-в-АСЛ -"Л™ АСЛ-1

10 20 Добавка А12Оэ, мае. % Рисунок 5 - Изменение температуры течения ШОС с увеличением содержания в

них А1203

о со

с

СО

Рисунок б

По данным, представленным на рисунке 5, можно сделать вывод, что температуры течения смесей АСЛ и АСЛ-1 в исследуемом диапазоне содержаний оксида алюминия не увеличиваются относительно исходной величины, более того, при увеличении содержания А1203 в смесях на 10-20 мае. % наблюдаются минимумы на кривых изменения Ттеч, что соответствует данным, представленным на диаграмме состояния тройной системы. Следовательно, при использовании смесей АСЛ и АСЛ-1 количество жидкой фазы шлака в промежуточном ковше не будет уменьшаться с ростом А1203 вплоть до его содержания 30-35 мае. %. Анализ кривой изменения температуры начала плавления смеси П-4-Л показывает, что Ттеч практически не изменяется до содержания в смеси 28 мае. % А1203, а затем

1,2 1,1 1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0 10 20 30

Добавка А1203, мае. % - Изменение вязкости ШОС (при Т = 1350 °С) с увеличением содержания в них А1203

резко возрастает, что приведет к уменьшению толщины жидкой фазы шлака в промежуточном ковше. Тем не менее, вязкость смеси П-4-Л ниже, чем у смесей АСЛ и АСЛ-1 во всем исследуемом диапазоне содержаний оксида алюминия (см. рисунок 6), что объясняется наличием в составе небольшого количества фтора.

Условие перехода НВ из металла в шлак выглядит следующим образом:

СТНБ [ил < (<?НВ-Ме + ОМо-шл), (4)

где анв-шл - межфазное поверхностное натяжение в системе «твердое НВ - жидкий шлак»;

^нв-ме— межфазное поверхностное натяжение в системе «твердое НВ - жидкий металл»;

Оме-шл - межфазное поверхностное натяжение в системе «жидкий металл -жидкий шлак».

Чем больше будет разница между правой и левой частями неравенства (4), тем лучшие условия для перехода НВ в шлак.

Межфазные поверхностные натяжения можно записать следующим образом:

<7НВ-ШЛ= Онв-Ошл-СОввь (5)

Онв-Ме = Стнв - Оме1 ««02, (6)

ом^шл= (оме - °шл' соахУссмр, (7)

где 8] - краевой угол смачивания в системе «твердое НВ-жидкий шлак-воздух»;

92 - краевой угол смачивания в системе «твердое НВ-жидкий металл-воздух»;

а, р - краевые углы смачивания в системе «жидкий шлак-жидкий металл-воздух».

Таким образом, условие перехода неметаллического включения из металла в шлак можно записать в следующем виде:

(^•(сова- СО30! • СОБр) < СМе'(1 - СОБ02 • соэР) (8)

Краевой угол смачивания 02в системе «твердое неметаллическое включение - жидкий металл - воздух» в случае взаимодействия жидкой стали с включением А1203(тв.) изменяется в пределах 135°-145° в зависимости от марки стали. В системе «жидкий шлак - жидкий металл - воздух» углы а и р изменяются в пределах от 0° до 90°. Таким образом, правая часть неравенства (8) будет всегда положительной. Краевой угол смачивания 0] в системе «твердое НВ (А1203) - жидкий шлак -воздух» для исследованных в настоящей работе шлаков является острым, т.е. собО, -положительная величина. Исходя из вышесказанного, лучшие условия для перехода

твердого НВ из металла в шлак будут обеспечены при использовании шлакообразую-щей смеси с меньшей величиной Ощ, и меньшим краевым углом смачивания б).

Согласно большинству опубликованных в литературе данных увеличение основности шлака в диапазоне 0,6-1,1 и содержания в нем оксида алюминия приводит к увеличению его поверхностного натяжения. Именно эти процессы происходят со шлаком в промежуточном ковше при разливке серии плавок стали, раскисленной алюминием, в условиях НЛМК. Следовательно, особенно важно применять в промежуточном ковше ассимилирующую смесь с низким исходным значением поверхностного натяжения. Оксиды натрия и калия (ЯгО), введенные в составы разработанных ШОС для снижения температуры течения, также понижают их поверхностное натяжение.

В результате проведенных лабораторных исследований установлено, что расплавленные образцы разработанных смесей лучше смачивают корундовую подложку. Наименьший краевой угол смачивания наблюдается у расплавленной ШОС марки АСЛ - 30°, смесям АСЛ-1 и П-4-Л соответствуют углы в 36° и 37°, наибольшим краевым углом смачивания обладает применяемая на НЛМК импортная ассимилирующая смесь - 43°.

В работе также предложена новая технология подачи ШОС в промежуточный ковш. Действующая технология подразумевает подачу двух типов смесей: ассимилирующая смесь в полном объеме подается на первую плавку в кампании промежуточного ковша, а затем происходит подача теплоизолирующей смеси абсолютно другого состава. Предлагаемая технология предусматривает подачу универсальной утепляюще-ассимилирующей смеси, что позволяет периодически производить ее добавки по ходу разливки серии плавок, тем самым корректировать химический состав и физические характеристики шлакового покрытия в промежуточном ковше в нужном направлении.

Для реализации предлагаемой схемы подачи новых ШОС в промежуточный ковш необходимо улучшить их теплоизоляционные свойства. С этой целью в состав смесей добавлена рисовая лузга, которая снижает их насыпной вес, а также образует при сгорании пористую структуру, создающую дополнительное тепловое сопротивление. Содержание рисовой лузги в разработанных ШОС, необходимое для обеспечения утепляющих свойств, сравнимых с импортными аналогами теплоизолирующих смесей, определено с помощью лабораторного эксперимента. На рисунках 7 и 8 приведены графики зависимостей насыпной плотности и коэффициента теплопроводности ШОС от содержания в них рисовой лузги.

0,0 1-I-1-I-I-.-

0 5 10 15 20 25 30

Содержание лузги, мае. %.

Рисунок 7 - Зависимость насыпной плотности разработанных смесей от содержания в них рисовой лузги

Содержание лузги, мае. %.

Рисунок 8 - Зависимость теплопроводности разработанных смесей при температуре 100 °С от содержания в них рисовой лузги

Добавление рисовой лузги в порошковые смеси приводит к равномерному снижению их насыпной плотности во всем исследуемом диапазоне концентраций. Коэффициент теплопроводности ШОС снижается до содержания в них лузги 15— 18 мае. %, а затем меняется незначительно.

С помощью полученных зависимостей определено необходимое количество добавки рисовой лузги в разработанные смеси АСЛ-1, АСЛ и П-4-Л для обеспечения аналогичных комплексу серийноприменяемых смесей (ассимилирующая и

теплоизолирующая) утепляющих характеристик: 16,5 мае. %, 15,5 мае. % и 13,5 мае. % соответственно.

В четвертой главе приведены результаты промышленного исследования процесса ассимиляции неметаллических включений шлаком в промежуточном ковше при непрерывной разливке низкоуглеродистых сталей в условиях конвертерного цеха № 1 ОАО «НЛМК», а также результаты промышленного опробования одной из разработанных смесей на ЧерМК.

В связи с ограничением в количестве опытных ШОС, которые можно было испытать в условиях НЛМК, к промышленному опробованию были рекомендованы смеси АСЛ и П-4-1, как наиболее отличающиеся по физико-химическим свойствам.

С использованием разработанных шлакообразующих смесей в КЦ-1 ОАО «НЛМК» на МНЛЗ № 4 и № 6 было разлито 140 плавок. Падение температуры металла в промежуточном ковше при использовании опытных ШОС составляло от 3 до 6 °С за плавку. ШОС равномерно распределялись по зеркалу металла в промежуточном ковше, комкования и образования корок отмечено не было.

От трех серий плавок были отобраны пробы шлака из промежуточного ковша. На основе химического анализа шлаков были проведены расчеты, позволяющие построить диаграммы, описывающие процесс изменения состава шлака в промежуточном ковше (см. рисунки 9-11).

100% ; 90% | 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Номер плавки

Рисунок 9 - Изменение состава шлака в промежуточном ковше при использовании новой ассимилирующей смеси АСЛ (серия из 8 плавок)

«

а св

ч

э

<и к

X са

й о. <и

о

и

Засыпка шибера

■ НВ

■ Футеровка

■ Шлак из с/к "ШОС

о 100% -5------ -

о? ¡кл Засыпка

О 90% «к шибера

г 80% '■■^аавввь^^^^^ _ нв

70% ШШШШШШштт "нв

60% -^н^ннщ

£ 50% > футеровка

- -шлак из

30% с/к

20%

>шос

10% ■ " Г, . „^¿.^

0%

0123456789 10 Номер плавки

Рисунок 10 - Изменение состава шлака в промежуточном ковше при использовании новой ассимилирующей смеси АСЛ (серия из 10 плавок)

<и

(Я

ч

3

со

■О

я

I

53 £ О. 0)

4 о О

Рисунок

Данные, представленные на вышеприведенных диаграммах, позволяют заключить, что в процессе формирования шлакового расплава в промежуточном ковше существенную роль играет шлак, попадающий из сталеразливочного ковша. На рисунке 12 показана диаграмма, на которой отражен процесс увеличения содержания неметаллических включений в шлаке промежуточного ковша при использовании серийной ассимилирующей смеси и новых ШОС.

Засыпка шибера ■ НВ

в футеровка

100% 90% 80% 70% 60% 50%

40% "Шлак из с/к

30%

20% "ШОС

10% ^^^^^^^^^^^^^^^^ 0% ЛИИИИ^^^^^^^^Щ

0123456789 10 Номер плавки

11 - Изменение состава шлака в промежуточном ковше при использовании новой ассимилирующей смеси П-4-Л (серия из 10 плавок)

300 250

* 200

со

150

| 100 50 О

♦ АСЛ

■ П-4-Л Я2 = 0,9976^^

а. Ассим. смесь №2 /-<^^0,9467

___-~-~К:Г=0,9854

О

1

10

3 4 5 6 7 8 Номер плавки

Рисунок 12 - Изменение количества неметаллических включений, перешедших в шлак в промежуточном ковше

Исходя из данных, представленных на рисунке 12, можно сделать вывод о более высокой ассимилирующей способности разработанных смесей в сравнении с серийно-применяемой смесью. Однако более правильно оценивать ассимилирующие способности ШОС с учетом их удельного расхода, для чего рассчитана удельная величина, равная отношению массы, перешедших из металла в шлак неметаллических включений, к массе поданной в промежуточный ковш ШОС. На рисунке 13 представлен график изменения удельной ассимилирующей способности разработанных смесей и серийно-применяемой для кампаний промежуточного ковша, состоящих из 10 плавок каждая.

500

400

Ь

300

о

0

§ 200 2

1 100

Л

£

о

«■АСЛ Я2 = 0,9851,'"'

А Ассим. смесь №2 /

а П-4-Л Я2 = 0,9854^^

♦ - Я2 = 0.9186

0123456789 10 Номер плавки

Рисунок 13 - График изменения удельной ассимилирующей способности исследуемых смесей 19

С учетом удельного расхода ШОС, значительно лучшей способностью шлака к поглощению неметаллических включений из металла обладает смесь ACJI. Удельная ассимилирующая способность смеси П-4-Л находится на уровне серий-ноприменяемой смеси №2.

Также как и в случае с серийноприменяемой смесью №2 отбирались пробы литого металла из сталеразливочного ковша после внепечной обработки стали и из промежуточного ковша в процессе непрерывной разливки. С помощью оптического и электронно-сканирующего микроскопов были определены основные типы встречающихся в пробах литого металла неметаллических включений, их размеры, химический состав и средняя объемная доля.

Подавляющее большинство НВ в исследуемых образцах представляют собой мелкие одиночные корунды (А1203) размером от 5 до 20 мкм и их скопления общим размером от 20 до 150 мкм.

На рисунке 14 представлен график зависимости относительного снижения объемной доли НВ в стали 08Ю после прохождения через промежуточный ковш от номера плавки в кампании промежуточного ковша.

I 75,0 о

£ 0123456789 10

О Плавка в кампании промежуточного ковша

-♦-ассим. смесь №2 -«-ассим. смесь АСЛ

Рисунок 14 - Снижение объемной доли НВ в стали 08Ю после прохождения через промежуточный ковш при использовании импортной ассимилирующей смеси №2

и новой смеси АСЛ

Из данных, представленных на рисунке 14 видно, что ассимилирующая смесь АСЛ при соблюдении рекомендованной схемы подачи в промежуточный ковш обеспечивает достаточно низкий конечный уровень содержания НВ в металле. Объемная доля НВ в стали после ее прохождения через промежуточный ковш снижается на 64 отн. % на первой плавке в серии и на 45-55 отн. % на последующих плавках. При действующей технологии подачи импортной смеси №2 наблю-

20

дается постоянное уменьшение величины относительного снижения объемной доли НВ в стали на протяжении всей кампании промежуточного ковша.

После завершения испытаний разработанных смесей на НЛМК были собраны и проанализированы данные по уровню отсортировки горячего и холодного проката. Из полученных данных следует, что разработанная ассимилирующая смесь марки П-4-Л не позволяет получить низкого уровня отсортировки холодного проката, что можно объяснить загрязнением металла экзогенными неметаллическими включениями вследствие повышенного разрушения рабочего слоя футеровки промежуточного ковша и ухудшающимися физическими свойствами шлакового расплава. ШОС марки АСЛ обеспечивает лучшее качество катаного металла по дефекту «раскатанное загрязнение, плена», что подтверждается актом промышленного опробования, и может быть рекомендована для использования в промежуточном ковше при разливке низкоуглеродистыхсталей, предназначенных для холодного проката, в том числе легированных алюминием.

Впоследствии были проведены успешные испытания утепляюще-ассимилирующей смеси марки АСЛ в условиях конвертерного цеха ЧерМК ОАО «Северсталь» при разливке серии из 7 плавок стали марки Зсп на МНЛЗ № 4. Подачу смеси в промежуточный ковш осуществляли в соответствии с разработанной технологией. Удельный расход смеси составил 0,20 кг/т. Установлено, что применение ассимилирующей смеси АСЛ обеспечивает стабильный процесс непрерывной разливки стали. Шлаковое покрытие в промежуточном ковше не образовывает коржей, не препятствует нормальной работе стопоров, а также отбору проб и замерам температуры металла. Износ рабочего слоя футеровки промежуточного ковша и стопоров-моноблоков находится на приемлемом уровне, падение температуры стали в промежуточном ковше за время разливки одной плавки не превышало значений, обеспечиваемых действующей технологией.

Анализ качества горячекатаного металла (2445,42 тонн), разлитого с применением в промежуточном ковше ассимилирующей смеси АСЛ, показал отсутствие брака и отсортировки по сталеплавильным дефектам.

В пятой главе представлен расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения разработанной утепляюще-ассимилирующей смеси АСЛ в конвертерном цехе №1 НЛМК.

Экономический эффект складывается из нижеперечисленных позиций:

1. меньшая стоимость смеси в сравнении с импортными аналогами;

2. снижение отсортировки горячего и холодного проката;

3. возможность увеличения серийности непрерывной разливки низкоуглеродистых сталей.

Данные, принятые для расчета экономического эффекта по пункту 1, и их обозначения приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Данные, принятые для расчета

№ п/п Параметр Единицы измерения Значение параметра Обозначение параметра

1 Объем производства низкоуглеродистой стали для холодного проката в КЦ-1 НЛМК тыс. т/год 1600 ОП

2 Удельный расход сравнительной ассимилирующей смеси (№ 2) кг/т 0,25 УР1

3 Удельный расход сравнительной теплоизолирующей смеси (№ 5) кг/т 0,20 УРз

4 Удельный расход опытной смеси АСЛ кг/т 0,30 УРз

5 Удельный расход теплоизолирующей смеси (№ 5) при ее использовании совместно с ШОС АСЛ кг/т 0,10 УР4

6 Цена сравнительной ассимилирующей смеси (№ 2) руб/т 36450 Ц1

7 Цена теплоизолирующей смеси (№ 5) руб/т 24640 ц2

8 Цена опытной смеси АСЛ (при ее изготовлении фирмой «Корад») руб/т 16700 Цз

9 Годовой экономический эффект применения ШОС АСЛ тыс. руб/год см.ниже э

Формула для расчета ожидаемого годового экономического эффекта применения ШОС АСЛ выглядит следующим образом:

Э = ОП(УР, • Ц, + УР2- Ц2 - (УР3- Ц3 + УР4- Ц2))/Ю00. (9)

Подставив численные значения в формулу (9), получим: Э = 10506 (тыс. руб/год).

Расчет экономического эффекта по пункту 2 невозможен без получения данных по снижению стоимости металлопродукции при ее переводе в нижнюю категорию качества. Эти данные на сегодняшний день являются конфиденциальными и не подлежат распространению в открытой печати.

Экономический эффект при увеличении серийности непрерывной разливки (пункт 3) достигается за счет:

- повышения выхода годного металла вследствие снижения технологических потерь в виде обрези головной и хвостовой частей непрерывнолитого слитка;

- уменьшения удельного расхода огнеупоров рабочего слоя футеровки промежуточного ковша и стопоров-моноблоков.

При проведении промышленных испытаний разработанных в рамках настоящей работы ШОС не было предпринято попыток в увеличении серийности непрерывной разливки, в связи с этим экономический эффект по данному пункту не рассчитывали.

ВЫВОДЫ

1. Установлен механизм и количественно определено влияние разрушающейся в процессе непрерывной разливки футеровки, неметаллических включений, переходящих из металла в шлак, высокоосновного шлака и шиберной засыпки из стаперазливочного ковша на химический состав и физические характеристики шлакового расплава в промежуточном ковше.

2. Применение в промежуточном ковше в условиях кислородно-конвертерного цеха №1 НЛМК шлакообразующей смеси, имеющей основность 0,60-0,70 и содержащей не более 5 мае. % А1203, позволяет на протяжении всей кампании промежуточного ковша сохранять физико-химические свойства жидкого шлака в диапазоне, необходимом для эффективной ассимиляции глиноземистых неметаллических включений.

3. Разработан состав утепляюще-ассимилирующей смеси для непрерывной разливки низкоуглеродистых сталей, раскисленных алюминием, в условиях кислородно-конвертерного цеха №1 НЛМК, а также технология ее подачи в промежуточный ковш, позволяющие снизить загрязненность стали неметаллическими включениями на протяжении всей серии плавок.

4. Создана уникальная лабораторная установка и разработана методика для изучения теплофизических характеристик шлакообразующих смесей, позволяющие получить зависимости коэффициентов теплопроводности и насыпной плотности порошковых смесей от содержания в них рисовой лузги. Показано, что добавка 18 мае. %. рисовой лузги позволяет снизить коэффициент теплопроводности порошковых смесей на 40-55 отн. % и их насыпную плотность на 25-35 отн. %. Дальнейшее увеличение содержания рисовой лузги приводит только лишь к снижению насыпной плотности ШОС.

5. Установлено, что эрозия рабочего слоя футеровки из муллито-кремнеземистых кирпичей при использовании в промежуточном ковше смеси, содержащей 1,0-3,0 мае. % фтора, в 1,5-2,0 раза выше, чем при использовании смеси бесфтористого состава. Повышенный износ и растворение футеровки данного

типа в шлаке приводит к росту его вязкости и температуры течения, что препятствует эффективной ассимиляции неметаллических включений.

6. Определено, что повышение удельной ассимилирующей способности шлакового расплава в промежуточном ковше, достигнутое при использовании разработанной смеси ACJI, позволяет снизить отсортировку холоднокатаного листа по дефекту «плена, раскатанное загрязнение» на 25 отн. %.

7. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения новой утепля-юще-ассимилирующей смеси марки ACJI в условиях кислородно-конвертерного цеха№ 1 НЛМК составляет 10,5 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Куклев A.B., Капитанов В.А., Соколова С.А., Лебедев И.В., Тиняков В.В. Исследование скорости плавления шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали: Тр. XII Российской конф. «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Екатеринбург: УрО РАН, 2008. Т.З. С. 187— 188.

2. Куклев A.B., Лебедев И.В., Соколова С.А., Капитанов В.А. Исследование скорости плавления шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали // Изв. вузов. 4M. 2009. №7. С. 18-21.

3. Лебедев И.В., Анисимов К.Н., Тиняков В.В., Топтыгин A.M. Ассимилирующие смеси для промежуточного ковша при разливке сталей, предназначенных для холодной прокатки // Металлург. 2013. №6. С. 45-48.

4. Лебедев И.В., Тиняков В.В., Топтыгин A.M., Анисимов К.Н. Оптимизация теплофизических характеристик шлакообразующих смесей для промежуточного ковша // Металлург. 2013. №8. С. 42-45.

Личный вклад автора в опубликованные работы. Все выносимые на защиту научные и практические результаты получены автором лично и в соавторстве.

В работах [1,2] автором приводятся данные, полученные в результате лабораторного исследования процесса плавления образцов ШОС с различной концентрацией углеродсодержащего компонента. В работе [3] приведены результаты исследований, направленных на повышение эффективности рафинирования низкоуглеродистых марок стали в промежуточном ковше в условиях конвертерного цеха №1 НЛМК. В работе [4] представлены данные, полученные в ходе исследования теплофизических характеристик шлакообразующих смесей, применяемых в промежуточных ковшах МНЛЗ.

Подписано к печати: 11.04.2014г. Объем: 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 293 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д. 33, стр. 1 +7(495)979-98-99, www.reglet.ru