автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Вторичное окисление и окисленность низкоуглеродистой стали при внепечной обработке и непрерывной разливке

РГ8 ОЛ

1 1 НОП ШВ

на правах ругописи

САЛЬНИКОВ Валерий Дмитриевич

ВТОРИЧНОЕ ОКИСЛЕНИЕ И ОКИСЛЕННОСТЬ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ И НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соисАание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедре Металлургии стшш Московского государственного института стали и сплавов.

Научный руководитель: доктор технических наук СВЯВДН Д.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук ШАХПАЗОВ Е.Х. кандидат'технических наук БРЕЖНЕВА B.C.

Ведущее предприятие: АО СЕВЕРСТАЛЬ

Зайдата состоится "Я/.." ttcJtfpJ 1996 г. в . час на заседании специализированного совета К 063.08.01 Московского государственного института стали и сцлавов по адресу.:! 11V93Q, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект,4. Qffi. 36

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан »1996 г.

Справки по телефону: 236-82-17

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

профессор КУРУНОВ И.Ф.

;

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы. ' .

При производстве чистой стаПи одной из недостаточно разрешенных проблем является вторичное окисление и связанное с этим образование дополнительных неметаллических включений в кристаллизующемся металле.Одновременно со снижением чистоты стали повышается расход раокислителей и легирующих добавок. Влияние вторичного окисления возрастает с увеличением глубины рафинирования металла. Для управления этим процессом требуется значке закономерностей поступления кислорода в жидгай металл из различиях возможных ис-' точников.

В частности производство внсокочистой стали для глубокой штамповки невозможно без контроля взаимодействия расплава с футе-Роекой, шлаком, и атмосферой на стадиях жидкого передела и разработки мер к умельшониго вторичных процессов при внепечной обработке и разливке стали.

Количественные характеристики вторичных процессов,получаемые в ходе промышленных исследований,полезны не только для развития теории этих процессов, но одновременно могут быть непосредственно использованы для совершенствования технологии производства стали.

1.2. Цель работы. - -

Задачами исследования предусматривалось:

- определение влияния технологических параметров внепечной. обработки и непрерывной разливки на развитие процессов вторичного окисления металла; ' ■

- изучение динамики окисленности стали в процессе раскисления, и усреднительного перемешивания в стдлерязливочном ковше, а также

- 4 - ' ,

в промежуточном ковше и в кристаллизаторе в ходе непрерывной разливки;

- разработка способа газодинамической защиты струи, металла при разливке.

1.3. Научная новизна.

В результате исследований получены количественные данные по вторичному окислению стали в ковше ь период внепечной обработки еа счет атмосферы, шлака и футеровки. Установлена зависимость поступления кислорода из этих источников от состава металла, шлака и параметров обработки.

По результатам экспрессного контроля активности кислорода в жидком металле методом ЭДС установлено, что низкоуглеродистая сталь после раскисления характеризуется значительной переокислен-ноотью, которая сохраняется до начала кристаллизации.

Общее содержание кислорода и алюминия в металле . уменьшается как во время продувки стали аргоном, так и после ее окончания. Стабилизация концентраций этих элементов в,металле достигается через 10-15 минут после окончания перемешивания стали аргоном.

По скорости растворения углерода оценен массоперенос в слое металла, граничным с поверхностью твердого электролита во время намерений активности кислорода датчиками УКОО в разливочном ковше.

Экспериментально' изучено взаимодействие струи металла с атмосферой в условиях непрерывной разливки.Получены данные, подтверждающие, что перенос кислорода к поверхности металла лимитируется его диффузией через газовый пограничный слой.

1.4. Практическая значимость.

На основе количественных характеристик степени вторичного окисления и данных об окисленности металла при внепечной обработке разработана уточненная математическая модель раскисления низкоуг-

• - 5 - ■

леродистой стали .алюминием. Определены пути снижения вторичного окисления металла за счет атмосферы и шлака.

На основании результатов по массообмену струй металла с атмосферой разработан способ газодинамической запиты металла при. ра-зливке и устройство для его реализации.

Промышленные опробования газодинамической защиты показали ее высокую эффективность в условиях непрерывной разливки стали в конвертерных цехах АО НЛМК, конвертерного цеха АО СЕВЕРСТАЛЬ и на Белорусском Металлургическом заводе (FAß). ' Техническая новизна разработки защищена авторским свидетельством на изобретение.

1.5. Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции " Проблемы повышения качества металлопродукции по основным переделам черной металлургии" ( Днепропетровск,1989 г.), на XI.Всесоюзной конференции по проблемам слитка ( Волгоград, 1990 -Г.),на II Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении" (Волгоград, 1992 г.), на 1,11,III Конгрессах сталеплавильщиков (Москва, 1992 г..Липецк,1993 г..Москва, 1995 г.).

1.6.Публикации.

Основное содержание работы опубликовано, в 6 публикациях и защищено авторским свидетельством на изобретение.

1.7.Объем работы.

Диссертационная работа .состоит из введения. 5 глав, заклгаче-■ нил,списка литературы из ____ источников и изложена на ... страницах машинописного текста, содержит'... таблиц, ... рисунков, а таске шслючает приложения.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 2. Вторичное окисление стали при внепечной обработку. Вторичное окисление металла исследовали при внепечной обработке В 350-тонных ковшах сталей 08Ю.08ПС ( ГОСТ 0045-80) в условиях второго конвертерного цеха АО ШМК. До начала обработки и пусле.ее окончания замеряли температуру металла и высоту шлака, отбирали пробы металла и шлака, процесс обработки хронометрировали. Ыассу плавки оценивали по степени наполненности ковша;с учетом количества шлака, при этом для исключения дополнительной ошибки в определении'массы металла в обработке данных использовали только плавки без охлаждения металла слябами.' Для получения количества кислорода,поступающего в металл из атмосферы,футеровки и шлака,результаты плавок. обработали на основе балансовых уравнений, при-• нив,что источниками поступления материалов в систему металл-шлак являются футеровка ковша.атмосфера и присадки в ковш. Баланс для количества шлака в этом случае можно выразить следующими уравнениями:

Ск=0о+0ф+0ка+0м (1)

= + + = (2) где: Оо - начальная масса шлака в ковше, кг; Си - конечная масса шлака в ковше,кг; 0® - масса футеровки,перешедшей в шлак,кг; 0ка - масса кислорода,поступившего.в шлак из атмосферы,кг; 0ц -масса элементов, перешедших из металла в шлак или из шлака в металл, т. е. суммарный результат массообмена в системе шлак-металл,кг.

Для компонента • шлака в общем виде уравнение баланса можно представить:

(ХРо Оо (XI Оь 100 100 или с учетом С 1,2)

(хор - (х^ _ а а

(XIОо

■ где: (ХОо, (XI)ь - начальная и конечная концентрация компонента в шлаке Д. \

Для компонентов,распределяющихся между металлом и шлаком получим следующее уравнение баланса:

(хоо -'(Х1Н Д о (сх^о - [Х1З0 м4 а

(Х1)ь Оо

( В )

где: СХ130 -. начальная концентрация компонента в металле с учетом присадки: [XI ]о = СХ^ост + ГХ^пр Чпр/ЗД; [Х13 п - конечная концентрация компонента в металле, %; [ХхЗост - концентрация компонента в металле до внепечной обработки, без учета присадки Д; [Х^пр - содержание компонента в присадке Д; чПр - масса введенной в металл присадки,кг; в - масса плавки,кг; А1 - масса компонента в оксиде с учетом стехиометрического коэффициента; М1 - масса оксида компонента в шлаке с учетом стехиометрического коэффициента.

При определении 0® и количества кислорода из футеровки в систему металл-шлак принимали,что футеровка ковша содержит только 3102 и.А1г0з, так как в период проведения опытных плавок использовались ' ковши с футеровкой из набивной кварцег'люшстой массы ( 90% ЭЮг, 8Х Л12О3 ), а, днище и шлаковый пояс выкладывали из шамотного кирпича ( 30% А120з,'65% БЮг ).

Количество смытой в шлак футеровки (0®) ' определили методом приближений из совместного решения балансовых уравнений для А1г0э

и 5102,' используя в качестве предварительных значений ДО/Qo и Qo величины,полученные из замеров высоты шлака в ковше.

Количество кислорода,поступившего, в металл из атмосферы и перешедшее в виде оксидов в щлак (0ка) рассчитали также путем последовательных приближений, задаваясь значениями Q®,AQ/Qo, Qo , определенными из решения балансовых уравнений для AI2O3 и SIO2. Окончательные усредненные значения начальной и конечной массы шлака для каждой плавки вычисляли путем статистической обработки системы уравнений балансов по отдельным компонентам.

Кислород из футеровки ( 0кф) определяли по степени восстановления кремния:

л (tSilt- t3i]0) 2Ао G

Ок - --( 6 )

100 Asi

Поступление кислорода из шлака ( 0кш) в металл рассчитали по восстановлению железа из FeO и Fe203, а также по восстановлению Р2О5:

(FeO)о Qo Ао (Fe203)o Qo ЗАо (Рг05)о Qo БАо

Ок'

100 MFeO ioo MFe203 100 MP205

(FeO)t Qt Ao (Fe203)t Qt 3Ap (P205)t Qt SAp 100 MFeO 100 MFe203 100 MP2O5

( 7 )

В результате расчетов по 14-ти плавкам установили,что при исследованных составах металла и шлака основным источником вторичного окисления при внепечной обработке металла является кислород атмосферы,из шлака,несмотря на его высокую .окисленность,поступает вдвое меньше кислорода,что может быть связано с малой массой шлака, отсекаемого при выпуске. Кислород футеровки не превышал в среднем 3% от суммарного кислорода,поступившего в расплав. На рис.1 дало распределение кислорода в системе металл-шлак и схема вторич-

ного окисления при внепечной обработке в 350-тонном ковше стали 08Ю,откуда видно,что количество кислорода, вызывающее вторичное окисление, соизмеримо с кислородом раствора,удаленным из.металла при раскислении.

Анализ зависимостей прихода ■ кислорода из атмосферы,шлака и футеровки от параметров обработки,состава металла и шлака показал, что поступление из атмосферы отчетливо зависит только от параметров продувки: времени продувки и количества израсходованного аргона,что свидетельствует о переходе кислорода в металл через свободную от шлагл поверхность в период продувки. Количество кислорода из шлака определяется ' окислительным потенциалом шлакз ((Ре)0.(Са0/3102)о),влияния других факторов, в.частности параметров продувки и состава металла не выявлено.

Путем статистической обработки получили уравнение регрессия, связывающее основные, параметры, значимо влияющие на суммарное количество кислорода, приходящее в систему металл-шлак из атмосферы, шлака и футеровки в период раскисления -й усреднительного перемешивания аргоном низкоуглеродистой стали (Щ<):

- = 0,007 Одг + 0,013 (Ре) + 0,005 ( 8 )

ЧА1 _ N

где: qAl - количество введенного в ковш алюминия,кг; 0дг -количество аргона, израсходованного на обработку,м3;. (Ре)- среднее содержание железа в шлаке,X; <х0бр - общее время обработки плавки, мин.; N - количество предыдущих плавок,разлитых в данном ковше.

Уравнение (8) можно использовать для анализа процесса вторичного окисления при внепечной обработке, в 350-тонном ковше .низкоуглеродистой стали с целью рационализации технологии раскисления и. перемешивания.

' . Рис.1.Схемы распределения потоков кислорода:

а - в системе шлак-металл: 1-кислород раствора;2,3,4-кислород из воздуха,шлака и из футеровки соответственно; 6,6 - количество кислорода,израсходованное на окисление марганца и алюминия; 0 -при вторичном окислении: 1,2,3 -поступление кислорода из воздуха, шлака и из футеровки соответственно; 4,6 -количество кислорода, израсходованное на окисление марганца и алюминия.

Уменьшить поступление кислорода из воздуха можно, применяя погружные фурмы с пористой вставкой,донную продувку или ващиту поверхности металла в зоне продувки.Ослабление потока кислорода из шлака возможно при' понижении содержания (Ре) за счет присадок нейтральных или основных флюсующих материалов в небольших количествах, не снижающих активность рафинирующего компонента шлака.

. - 11 -

2.2.0кисленность металла при внепечной обработке и непрерывной разливке.

Для получения достаточно полного представления о состоянии стали были проведены измерения окисленности жидкого металла в процессе раскисления,усреднительного перемешивания и последующей выдержки плавки в ковше, а также во время непрерывной разливки.Контроль осуществляли, методом ЭДС с помощью сменных блоков УКОС,при этом в разливочном ковше применяли блоки с двумя измерительными ячейками (УКОС-2, ' 25 плавок),а в промежуточном ковше и кристаллизаторе с целью уменьшения дисперсии результатов проводили по два последовательных замера блоками УКОС-1, а результаты усредняли СЮ плавок). За время разливки одной плавки оглсленность в промежуточном ковше и кристаллизаторе измеряли в ходе разливки не менее 5 раз. ' ■

На основании данных о температуре и составе металла, значений активности кислорода и коэффициентов активности, рассчитанных с использованием параметров взаимодействия, определили концентрации растворенного и связанного алюминия, предположив, что весь связанный кислород находится в металле в виде глинозема стехиометричес-кого .состава. ' '

Снижение уровня окисленности металла в процессе раскисления начинается после растворения в расплаве первых метров алюминиевой

проволоки. Обработка аргоном устраняет химическую неоднородность,

¥

стабилизация содержаний кислорода и алюминия в растворе наступает сразу же по окончании продувки/ что свидетельствует об окончании процесса раскислений. Общее содержание кислорода и алюминия за счет процесса удаления неметаллических вщпочений снижается более медленно и стабилизируется в течении 8-10 минут после прекращения аргонного перемешивания.

Соотношение между фактической активностью кислорода и равновесной, определенной из литературных данных для константы равновесия реакции образования глинозема, показано на рис.2. Представленные данные свидетельствуют о том, что металл после раскисления в ковше и во время разливки, в том числе непосредственно перед кристаллизацией имеет уровень окисленности,значительно превышающий равновесный.

0,0(00 £10050

ё 40(120 х

80,0010

„0| в

0,0005 0(0002

Рис. 2.Соотношение между равновесной и фактической активностью кислорода в металле (прямая на рисунке - равновесное значение активности кислорода): о - сталеразливочный ковш (08Ю.08ГО); Д -то же для ЗСП; в - промежуточный ковш (08Ю,08ПС); А - то же для ЗОН; * - кристаллизатор (08Ю.08ПС); А - то же для ЗСП.

Наличие избытка кислорода в растворе над равновесным является .дополнительным источником неметаллических включений, поэтому важно знание причин переокисленности металла для оценки возможностей повышения глубины раскисления технологическими средствами.

Существование избыточной активности кислорода в металле может бить обусловлено и торможением раскисления стадией образования

аГс3 роки.

зародышей оксидной фазы и систематическими погрешностями при измерениях низкого уровня окисленности методом ЭДС. -

В данной работе провели оценку возможной связи повышенной ак-' Тивности кислорода с процессом поляризации кислородного потенциала в слое металла, граничным с твердым электролитом измерительной ячейки, в результате чего концентрация кислорода на поверхности ячейки может в несколько раз отличаться от концентрации его в объ-т еме. Степень превышения зависит от скорости переноса кислорода в пограничном с твердым электролитом слое жидкого металла.

, Используя известное из литературы уравнение для потока ионов кислорода (J02-.моль/см2о) из твёрдого электролита, обусловленного^ наличием электронной проводимости, рассчитали соответствующие, потоки для измерительной ячейки УКОС. Поток кислорода' в пограничном слое (Jco],моль/см2с) можно определить из уравнения:

Jсо] = -7— Всо] aoin - С0]о5) • ( 9 )

16-100

• где: р - плотность жидкого металла,г/см3; Всо] - коэффициент массопереноса кислорода в расплав'е.см/с; С0]п. [03Об * концентрации кислорода на поверхности измерительной ячейки и в объеме ванныД масс. '

Из условия равенства потоков кислорода следует,что J02-" Jcoa-Величину и со] оценили из условия в coJ * £kci• Величину fl cçJ определили экспериментально по скорости растворения графитовых стержней, которые помешали вместо измерительных ячеек в сменный блок УКОС 'и с помощью измерительной штанги погружапи в. ванну разливочного • ковша,имитируя замер активности. Из результатов измерений получили среднее значение Bccj б,75-Ю"3 ± .1,5-10"3 см/с (по 15 замерам)*.

Используя эту величину,из уравнения (9) рассчитали возможную раз-

• лицу в концентрациях кислорода у поверхности датчика и в объеме металла. Например для 1600° С получены следующие значения:'

ЮЗПД масс. 0,0240 0,0135 0,0096..... 0,0080 0,0073

Г03обД масс. 0,0200 0,0100 0,0050 0,0030 0,0020 Из этих данных следует, что одним из факторов, обусловливающих избыточную окисленность стали после раскисления может быть взаимодействие материала твердого электролита с расплавом. Однако для более определенных выводов нужны дальнейшие исследования. Для-практического использования данных по окисленности важен сам факт существования избыточной активности кислорода, т.к. это является . резервом для совершенствования раскисления и внепечной обработки и повышения степени чистоты стали по неметаллическим включениям!

На основе данных, полученных иа решения балансовых уравнений, .

• о .роли атмосферы и шлака в неполезном расходовании раскислителя

и измерений динамики окисленности стали, разработана математическая модель раскисления низкоуглеродистой стали алюминием: qAi - 1.3 + 2,7aoH/foH - aoK/foK + 0,07aoH-hmJ)(l - 5.7CC3) +

+ 1,5 -10"3-Jar tar/60 + 4,8 [Al]a ( 10 )

где:дд1- необходимое для раскисления количество алюминия,кг/т; аон - фактическое значение активности кислорода до раскисления; аок - расчетное равновесное значение активности кислорода после раскисления; f0".foK - коэффициенты активности кислорода; Ьшл, -толщина шлака до раскисления; ÍC3 - содержание углерода в нерас-. кисленном металле; Jar и та. - интенсивность и продолжительность продувки аргоном; CAI3э * требуемое содержание алюминия в металле.

Температура, начальная окисленность и толщина шлака до раскисления являются контролируемыми параметрами уравнения (10), а содержание алюминия, интенсивность и продолжительность продувки

аргоном - задаваемыми.

Использование модели раскисления позволило снизить количество переводов, стали 08Ю по содержанию алюминия в другие марки на 27Z.

2.3. Вторичное окисление стали при непрерывной разливке.

Исследования проведены в отделениях непрерывной разливки второго конвертерного цеха АО НЛМК (плавки по контролю изменений в химическом составе стали с замерами окисленности в процессе переливов в промежуточный ковш и кристаллизатор¡плавки по оценке массооб-менных процессов в струе) и Белорусского металлургического завода (плавки по оценке массообменных процессов в струе). .

Общее изменение состава металла на участках сталеразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор изучали для сталей 08Ю, 08ПС (ГОСТ 9045 - 80),(17 плавок) в условиях ККЦ-2 АО НЛМК. Указанные марки сталей разливались через 25-тонный промежуточный ковш в слябовые кристаллизаторы сечением 250 х 1290 + 1550 мм. Зона струи из разливочного ковша защищалась по технологической инструкции футерованным колодцем с подачей в него аргона с расходом до 40 м3/ч, подача металла в кристаллизатор осуществлялась через погружные стаканы с обдувом их стыков со стаканом промежуточного ковша аргоном через газовые коллекторы с расходом 15-20 м3/ч.Для оценки эффективности применяемой защиты дополнительно исследовали вторичное окисление на указанных участках разливки стали ЗСП (Зплав-ки), которая разливалась без защиты струи из разливочного ковша аргоном и без защиты стыков погружных стаканов.

На участке сталеразливочный ковш - промежуточный ковш для исследованных марок стали отмечено повышение в металле общего содержания кислорода и его активности, а также прирост содержания азота. Одновременно с поглощением газов происходило снижение содержания растворенного алюминия и марганца, что коррелировало с

ростом содержания кислорода в растворе и являлось следствием вторичного окисления металла.

Близкие величины прироста содержания азота в металле,разлитом с защитой и без нее:(0,0020% для сталей 08Ю,08ПС и 0,0023% для стали ЗСП), а также одинаковый уровень угара алюминия: (0,025% для 08Ю.08ПС; 0,023% для ЗСП) свидетельствуют о низкой эффективности защиты металла от вторичных процессов.применяемой на этом участке непрерывной разливки.

При переливе металла из промежуточного ковша в кристаллизатор наблюдалось снижение как общей концентрации кислорода, так и его содержания в растворе.Общее содержание алюминия понижалось при постоянстве в пределах точности концентрации алюминия в растворе. Изменение количества кислорода в связанном состоянии соответствовало изменению содержания алюминия, связанного в неметаллические включения.Следбвательно величина потока кислорода из атмосферы на , ' этом участке была соизмерима с погрешностью измерения. Поглощение металлом азота составило 0,0008% для сталей 08Ю.08ПС и 0,0006% для стали ЗСП. Расчет количества кислорода, поглощенного сталями 08Ю, 08ПС и ЗСП на участках сталеразливочный ковш - промежуточный ковш и промежуточный ковш- кристаллизатор,проведенный по изменению концентрации общего кислорода и окислению активных к. кислороду элементов расплава,показал, что при указанных технологических условиях непрерывной разливки наибольшее вторичное окисление и азо-тация металла происходит во время его перелива в промежуточный ковш.Следовательно для повышения чистоты стали необходимо совершенствование защиты металла от вторичных процессов именно на этом участке непрерывной разливки.

С целью разработки эффективного способа защиты металла от взаимодействия с атмосферой провели дополнительные исследования

массообменных процессов в струе с отбором проб металла по ее высоте. Условия промышленных экспериментов приведены в табл.1.

Отбор проб осуществляли специальными пробоотборниками из струи металла при полностью открытом канале шиберного затвора разливочного ковша в начале, середине и в конце разливки стали.Пробы отбирались в месте выхода струи из стакана-коллектора и на уровне поверхности ванны металла в'промежуточном ковше.Истечение стали полной, струей максимально приближает ее поверхность к поверхности цилиндра с диаметром,равным диаметру разливочного стакана, что делает корректным сравнение результатов,полученных в различных условиях непрерывной разливки.

Таблица 1.

Условия экспериментов по изучению массообмена струи с атмосферой на участке разливочный ковш - промежуточный ковш.

Завод Марка стали Кол-во плавок СС) X Масса плавки, т а. сем) струи и (си) струи Температура металла. С

АО алмк 08Ю 08ПС 2 005 330 9 95 1575

ЗСП 3 018 330 8 ' 85 1565

БМЗ зеп 35ГС 70К 3 2 2 016 035 070 100 100 10 0 4 4 а 60 60 75 1595 1590 1540

Количество поглощенного поверхностью струи кислорода определили по изменению состава металла, то есть по общему содержанию кислорода и по количеству окислившихся элементов.В ранее проведенных исследованиях (А.Г.Свяжин и В.В.Пичугин.ИЗВ.АН СССР.Металлы, 1988.N3. С.11-18. ) на основании известных закономерностей массо-переноса через пограничный слой в газе было выведено уравнение для потога кислорода ¡га струю металла из окружающей атмосферы ^ля

случая разливки стали в изложницы:

РвМог 0о2°"66 /п п п "

А СО] = 400 с,гЛс'- ' -тп^ (Рог00 - Рог")"

РММВ Уви'4С>

:: ьо,8 1 Тп - т» 0.5 °'8

с 1 + — ( еь —-) : ( и )

4СТ\Р-2 и т" + где: ЛСО] - количество кислорода,поглощенного металломД ; ^в. СЪ2 - вязкость воздуха и коэффициент диффузии кислорода в воздухе при средней температуре погранслоя (ТСр = Тп+Т«/2); &ускорение силы тяжести; Т^.Т"- температура газа в объеме потока и у поверхности металла; СсАс - коэффициент,учитывающий отличие истинной поверхности струи от геометрической и динамику обтекания струи воздухом; рв,рм - плотность воздуха и металла; Мог.Мв - молекулярные массы кислорода и воздуха; Ро2™.Ро2п -относительное давление кислорода в воздухе и у поверхности металла; I-,- длина струи; с1ст • - диаметр разливочного стакана; и - средняя скорость струи. ' . При этом было установлено, что поглощение струей кислорода при разливке в изложницы хорошо описывается уравнением (11) со средней .величиной СсАс = 1.85 • .

По результатам данной работы поглощение кислорода при непрерывной разливке-в убловиях, представленных в табл.1,аппроксимируется уравнением (11) со средней величиной С,сАс = 0,55, то-еоть в. Пределах точности получаются близкие результаты. Таким образом,как при разливке, в изложницы, так и при непрерывной разливке различных марок сталей поток кислорода из воздуха на поверхность открытой струи количественно описывается одной и той же зависимостью (11), 'следовательно процесс осуществляется по одному и тому же механизму. Эти результаты подтверждают вывод о лимитировании поглощения кислорода из воздуха струей металла массопереносом через газовый пограничный слой и указывают на наиболее действенный способ защиты

струи: ограничение доступа окислителя к поверхности жидкой стали путем формирования пограничного слоя ив защитного газа, например аргона.

2.4.Способ газодинамической защиты.

При разливке поглощение металлом кислорода из атмосферы происходит через поверхность струи,за счет инжекции воздуха внутрь ванны приемной емкостй (изложницы,промежуточного ковша,кристаллизатора) и путем абсорбции поверхностью металла в приемной емкости. В условиях непрерывной разливки для защиты струй применяют или завесы из нейтральных газов или защитные трубы и погружные стаканы. Создание сплошных газовых защитных оболочек требует сложных по конструкции устройств соплового типа и повышенных расходов (до 140 м3/ч) инертного газа. Разливка через огнеупорные трубы эффективна лишь при надежной защите стыков огнеупорных элементов от подсосов воздуха.

При разливке высокочистой стали требования к эффективности защиты повышаются.^ однако при этом не должно быть существенного повышения затрат. При непрерывной разливке с использованием защитных труб,в начале и в конце разливки плавки металл в промежуточный ковш поступает открытой струей,что связано с заменой разливочных ковшей. Поэтому метод защиты должен быть универсальным,функционирующим и при открытой струе, и при наличии защитной трубы.

Наиболее полно отвечающим перечисленным требованиям является способ газодинамической защиты металла, основанный на образовании пограничного слоя защитного газа.Суть разработанного способа заключается в формировании на поверхности струи естественного пог-ранслоя из нейтрального газа,замедляющего диффузию кислорода к поверхности металла.Если такой слой не содержит азота,он будет защищать сталь и от поглощения азота.

Возникновение газового, погранслоя обусловлено эжекцией близлежащих к струе слоев газовой фазы, поэтому начало истечения металла • из ковша при газодинамической защите должно происходить в объем газовой фазы,состоящей из нейтрального газа. В этом случае именно - 'защитный газ, а не атмосфера, будет вовлечен струей в спутное движение.При этом принято, что состав газовой фазы,инжектируемый струей металла при ее внедрении в ванну будет равен среднему составу газового погранслоя в месте внедрения. Таким образом применение данной газодинамической защиты не только снижает потоки кислорода и азота к поверхности разливаемого металла, но ц ограничивает инжекцию воздуха в Объем ванны вместе со струей.

Степень эжекции зависит от скорости движения потока жидкого металла, поэтому необходимое количество защитного газа определяется скоростью и гидродинамикой струи в течении разливки, а так же • свойствами •защитного газа (кинематической вязкостью), что дает возможность расчитать расход газа на защиту.На основе известных критериальных соотношений толщины турбулентного погранслоя в функции от длины струи получили следующее математическое выражение: . а - 5,7 а Н°<?5 У0'5 ,' ( 12 )

' где: , 0- расход защитного газа.м3/^; с1 - диаметр струи в месте истечения,Ц;Н-высота уровня металла в ковше над местом истечения,м; Ь- длина струи.м; у - кинематическая вязкость защитного газа при средней температуре погранслоя,м2/с; 5,7 - коэффициент,определенный по результатам промышленных опробований,м0,25 с-0-5.

'По мере снижения уровня металла в ковше снижается скорость 'струи и соответственно скорость образования защитного погранслоя, что позволяет уменьшать расход защитного газа.При разливке стали из 350 - тонного ковша с применением разработанной газодинамической защиты средний расход аргона составлял. * 17 м3/ч или 0,09 м3/т 'стали.

Формирование пограничного слоя осуществляется самой струей в результате эжекции защитного газа из подводящего устройства. Функции защитного устройства заключаются в подаче и равномерном распределении нейтрального газа по периметру струи в месте ее истечения под небольшим избыточным давлением (1,0-1,1атм).

Выполнение требуемых условий подвода защитного газа определило конструкцию устройства, которая представляет собой двухкамерный кольцевой газовый распределитель,предназначенный для многократного использования.Подача защитного газа к месту истечения струи производится равномерным невозмущенным потоком,что благоприятствует его эжекции и формированию защитного пограничного слоя.

При разливке через огнеупорные трубы эффективная защита стали обеспечивается за счет подвода и распределения по периметру стыка огнеупоров нейтрального газа,который затем также аа счет естественной эжекции его струей засасывается через стык „ внутрь трубы.

Устройство газоплотно крепится на разливочном ковше соосно стакану-коллектору в период подготовки ковша к работе и может быть использовано для защиты как полностью открытых струй .во время замены ковшей при непрерывной разливке сериями или разливке в изложницы, так и при использовании огнеупорных труб- в этом случае осуществляется защита стыков огнеупорных элементов.

2.5.Результаты промышленных опробований.

Разработанный способ и устройство газодинамической защиты металла испытаны при разливке различных марок сталей в производственных условиях ККЦ-1.ККЦ-2 АО НЛМК (г.Липецк),ККЦ АО СЕВЕРСТАЛЬ (г.Череповец).ЭСПЦ НО (г.Жлобин).

Tac как наряду с поглощением кислорода идет и процесс его выделения из металла в виде неметаллических включений,защитный эффект оценивали по приросту в стали содержания азота, а та^же по.

Таблица 2.

Газодинамическая защита стыков ' на участке разливочный

кови-промежуточный ковш.

I

Завод Марка стали Кол-во плавок Элемент -4 Изменение кон-ции. %хЮ по ходу разливки (м сляба) ~10м ~30м ~50м ВИД зашиты

08Ю. 16 сыэ +24*9 +5*5 +21*7 +2*4 +19*8 +2*4 1 2

АО НЛМК 08ПС САН -260*90 -230*80 -220*80 -190*70 -200*80 -180*70 ,1 2

зсп 14 СЫ] +21*5 +2*5 +20*4 +1*4 +14*5 +2*5 1 ' 2

СА13 -200*80 -20*60 -190*85 -15*70 -190*80 -10*75 1 2

Л202 9 СМ +25*12 +9*7 +20*11 +7*6 +21*13 +5*4 1 2

АО СЕВЕР СТАЛЬ 0810. .11 ст +21*9 +3*6 +16*9 +2*6 +17*7 +3*5 1 2

08ПС САП -290*110 -150*80 -300*120 -250*100 -290*100 -210*90 1 2

1 - защита по действующей технологии; 2 - газодинамическая защита;(+ ) - рост концентрации; (-) - снижение концентрации; ( * ) - среднеквадратическое отклонение

изменению концентраций активных к кислороду элементов расплава.

Эффективность защиты испытывали при разливке открытыми струями ¡перелив стали в промежуточный ковш в период замена разливочных ковшей,и при разливке с использованием огнеупорных труб (на участке разливочный ковш- промежуточный ковш) и погружных стаканов (на участке промежуточный ковш- кристаллизатор).Во время разливки через погружные трубы и стаканы Газодинамическим способом защищали стыки огнеупорных элементов.

Таблица 3.

Газодинамическая защита стыков на участке промежуточный " ковш - кристаллизатор.

Завод Мар1са стали Кол-во плавок Элемент -4 Изменение кон-ции.%х10 по ходу разливки.и сляба. ~10м ~30м "-50м Вид зашиты

АО НЛМК 08Ю. 08ПС 15 > ПЛ +9-5 +2*4 +12*6 +4*4 +9*6 +4*3 1 2

САН -60*65 -50*50 -50*60 -40*50 -50*50 -30*45 1 2

ЗСП 14 £N3 +5*5 +2*4 + 6*5 +1*4 +4*5' +0*5 1 ' 2 •

САП -20*60 -10*60 -25*65 -15*50 -35*60 -15*50 1 2

АО СЕВЕР СТАЛЬ 08Ю. 08ПС 12 СЮ +9*7 +2*4 +9*6 +4*4 +7*4 +2*4 1 2

СО] +22*15 -2*10 +3*10 -3*9 +7*10 -7*9 1 2

БМЗ 70К 9 СЫ] +13*6 +7*5 +11*6 +5*5 +10*4 +4*4 1 2

1- защита по действующей технологии; 2 - газодинамическая защита; (-) - снижение концентрации; (+) -. повышение, концен-. трации; ( ± ) - среднеквадратическое отклонение.

При защите открытых струй на всех марках сталей снизилось в два раза поглощение азота, на трубных сталях (09-10Г2ФБ) кроме того уменьшился на 30% угар марганца и на 70% угар кремния,а на динамных сталях (Д-202) на 40% угар алюминия и на 60% угар кремния.

Результаты газодинамической защиты стыков приведены в табл.2 и табл.3,из которых видно что разработанный способ газодинамической зашгеы дает стабильные показатели в течении всего вре-

мени разливки,а значительное снижение поглощения азота свидетельствует о высокой его эффективности при использовании в комбинации

• с защитными трубами и стаканами.

На АО НЛМК и АО СЕВЕРСТАЛЬ по результатам промышленных испытаний получены положительные заключения,техническая документация на разработанный способ защиты передана для внедрения.

ВЫВОДЫ .

1.Определено количество кислорода, поступающего в металл при внепечной обработке низкоуглеродистой стали из атмосферы, шлака и футеровки. Установлено, что вторичное окисление при ковшевой обработке происходит за счет кислорода атмосферы (бб%) и шлака (31%).

2.Значимое влияние на поступление кислорода при раскислении и ' усреднительном перемешивании оказывают количество использованного

• • на продувку аргона,время продувки и окислительный потенциал шла-■ ка. Вторичное окисление за счет атмосферного кислорода может снизить применение погружных фурм с пористыми вставками,донной продувки и защиты поверхности металла в.зоне продувки. Понижение (Fe) в шлаке до 5% присадками СаО вдвое уменьшит поступление кислорода из шлака".- •'.,.-"..." • • .

; 3.Установлено,что реакция раскисления заканчивается практи-. чески сразу после ввода алюминия.Минимальный уровень общего содержания кислорода' и алюминия в металле' устанавливается значительно дольше:после примерно 25 минут от начала.ввода алюминия или через ' ; 10 минут, по • окончании усреднительной продувки.Представительные данные о составе металла и степени его раскисленности могут быть получены только после указанного времени. '■" По замерам окисленности установлено, что по окончании процес-

са раскисления и усреднения сталей 08Ю.08ПС фактический уровень активности кислорода в металле значительно превышает равновесный.Эта переокисленность сохраняется до кристаллизации металла.

4. На основе данных вторичного окисления и окисленности разработана и опробована математическая модель раскисления малоуглеродистой стали алюминием,позволяющая с достаточно высокой точостью определять необходимое количество алюминия.

5.Определен поток кислорода на струю металла при непрерывной разливке.Установлено количественное соответствие этой .величины с соответствующими данными при разливке в изложницы. Получена достаточно универсальная зависимость для потока кислорода.Результаты подтверждают лимитирование поглощения кислорода массопереносом через диффузионный газовый погранслой, что явилось основанием для • разработки способа газодинамической защиты струи от атмосферы.

6.Газодинамическая защита струи и стыков огнеупорных труб и стаканов с выпускными коллекторами ковшей испытана в условиях непрерывной разливки различных сталей в АО НЛМК,АО СЕВЕРСТАЛЬ и . на ЕЮ. •• .

В результате промышленных испытаний установлено,что разработанный способ позволяет осуществлять защиту металла как при разливке открытыми струями,так и в комбинации с защитными трубами и стаканами путем устранения подсосов воздуха к струе через стыки. Защита стыков газодинамическим способом полностью устраняет взаимодействие струн с атмосферой.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Окисленность низкоуглеродистой стали в процессе разливки на УНРС./Сальников В.Д..Романович Д.А..Кочергин C.B. и др.//Бюллетень научно-технической информации "Черная металлургия". -1988.- N12. С.39-40.

2.Совершенствование защиты при непрерывной разливке кордовой стали./Сальников В.Д..Малышев B.C..Думп П.Ю.и др.// Бюллетень на-

■ учно-технической Информации " Черная металлургия".-1991.-N9. -С.59-бЬ. .

3.Использование кислородных зондов для контроля окисленности и процесса раскисления малоуглеродистой стали./ Свяжин А.Г.,Рябов

B.В..Романович Д.А..Сальников В.Д. и др.// Сталь.-1996.-N2.-

C. 12-16.

4.Вторичное окисление при внепечной обработке низкоуглеродистой стали./ Свяжин А.Г..Сальников В.Д.// Изв.ВУЗов.Черная металлургия. - 1996.-H3.-C.7-10.

5.Газодинамическая защита струи металла при разливке./ Саль, ников В.Д. .Свяжин А.Г..Романович Д.А.и др.// Труды первого конг-! ресса сталеплавильщиков.-М.: АО "ЦНИИ и ТЭИ 4M",1993.-С.281-283.

6.Технология газодинамической защиты стыков огнеупорных труб ' при непрерывной разливке конвертерной стали./ Сальников В.Д.. Свяжин А. Г. .Чумаков С.М. и др.//Труды, второго конгресса сталеплавильщиков.-М.: АО "ЦНИИ и ТЭИ 4M",1994.-С.312.

. 7.А.С, M 1412883 СССР. Способ зашиты металла при разливке/ Свяжин А.Г..Сальников В.Д..Кочергин C.B. и др.//Открытия и Изобре-. ' тения. - 1988'. N28. ' ' ' -

Заказ iëi>__ объем 1 п.л. Тираж 10Q зкз. Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе,8/9.