УСЛОВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТАЛИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ПРИ РАЗЛИВКЕ НА МНЛЗ

Основными источниками дополнительного загрязнения металла неметаллическими включениями может служить вторичное окисление стали при ее движении от сталеразливочного ковша до кристаллизатора, а также огнеупорные и вспомогательные материалы, с которыми сталь вступает в контакт в процессе движения [4]. Общий анализ возможных источников загрязнения стали неметаллическими включениями (рис. 5) позволяет с достаточной степенью уверенности разделить их в зависимости от механизма проявления на следующие группы:

1. Не всплывшие в шлак неметаллические включения, являющиеся продуктами реакций раскисления стали;

2. Мелкие частицы шлака, которые вовлекаются в металл в результате турбулентного перемешивания струи с жидкой ванной металла и покрывающего ее шлака;

3. Продукты разрушения огнеупоров при контакте с металлом и шлаком;

4. Продукты прожигания канала шиберного затвора кислородом;

5. Вторичное окисление стали в ходе технологических переливов. Безусловно, для обеспечения высокой чистоты стали в непрерывнолитой заготовке необходимо предусматривать специальные мероприятия, препятствующие развитию вышеперечисленных явлений. Наибольшее значение имеют следующие процессы:

• вторичное окисление стали в начале процесса непрерывной разливки стали;

• реакции с футеровкой промежуточного ковша и покровным шлаком;

• потоки в промежуточном ковше и всплытие включений;

• перетекание эмульгированного шлака из ковша в промежуточный ковш с последними порциями металла;

• способы раннего обнаружения попадания шлака в ковш;

• зарастание погружных стаканов;

• распределение неметаллических включений в заготовках в радиальных и криволинейных МНЛЗ.

В начале разливки заполнение промежуточного ковша происходит при открытом зеркале металла вплоть до засыпки теплоизолирующей смеси.

Весь этот период металл активно контактирует с окружающей атмосферой. По некоторым данным, в первые 5...6 мин. разливки содержание кислорода в стали в 3...4 раза выше, чем при установившемся процессе разливки (например, через 10 мин. содержание кислорода в стали падает в два раза, а через 30 мин. уменьшается в 3...3,5 раза) [5].

Степень чистоты стали на заднем конце заготовки вновь ухудшается, так как при полном опорожнении ковша в промежуточный ковш попадает некоторое количество шлака. Дополнительно шлаковые включения могут попасть в сталь при разливке последних порций каждого сталеразливочного ковша из-за эффекта «воронки». В начале подачи металла из нового промежуточного ковша также возможно загрязнение стали следствие попадания в промежуточный ковш продуктов «прожигания» канала шиберного затвора кислородом.

Для переднего конца заготовки установлено, что загрязненность неметаллическими включениями значительно уменьшается при использовании торкрет покрытия на основе магнезита и теплоизолирующего покрытия на основе золы рисовой шелухи.

Особое значение для ритмичной работы МНЛЗ специальные по химическому и гранулометрическому составу засыпки, которые размещаются в канале шиберного затвора перед заполнением металлом
(рис. 6). Функциональное назначение засыпки заключается в предотвраще-

Рис. 5. Общая схема источников загрязнения стали неметаллическими включениями при разливке на МНЛЗ

Рис. 6. Общая схема заполнения отверстия шиберного затвора засыпкой:

1 - засыпка без термофизических превращений;2 - спеченный при контакте со сталью слой засыпки;3 - гнездовой блок; 4- верхний стакан; 5- шиберный затвор; 6- коллектор.

нии проникновения жидкой стали в канал шиберного затвора до его открывания, а также быстром и беспрепятственном высыпанием из канала при открытии затвора. Следует отметить, что с внедрением в технологический процесс методов внепечной обработки время пребывания металла в ковше существенно увеличилось, что соответственно повысило требования к качеству и эксплуатационным свойствам засыпки.

Известно, что в случае неоткрытия шиберного затвора (засыпка самопроизвольно не высыпалась) его канал прожигают кислородом. Этот процесс сопровождается образованием большого количества оксидов железа, которые попадают в промежуточный ковш. На практике отмечено повышение в 1,5...2 раза содержания кислорода в головной части заготовки при прожигании канала шиберного затвора.

На многих металлургических заводах Украины и России используют смесь природного кварцевого песка с определенным количеством аморфного графита [6]. Однако такие засыпки характеризуются низким уровнем открывания канала шиберного затвора (30...60%) при высокой степени колебаний результатов от одной партии материала к другой. На японских заводах, если используют в качестве засыпки кварцевый песок, уделяют особое внимание его химическому составу (SiO; > 98%), чтобы повысить показатель открываемости затвора без прожиганий.

Ряд металлургических заводов применяет ставролитовый концентрат (Al₂O₃ = 49,6%; SiO₂ = 27,5%; Fe₂O₃, = 12,2%; TiO₂ = 3,5%) определенного гранулометрического состава (0,4...0,7 мм). Однако этот материал требует предварительного прокаливания перед применением при температуре 250...350°С, что значительно усложняет процесс его эксплуатации.

В последнее время для засыпок создают специально приготовленные смеси. Например, в США запатентована засыпка состоящая из кварцевого песка с размером зерен 0.5...3,5 мм, которые плакированы мелкими частицами минерала из группы полевых шпатов, имеющих температуру плавления 1000-1700°С. Содержание полевого шпата в засыпке колеблется от 5 до 30%, а размер его частиц - менее 0,15 мм. Особенность данного материала заключается в том, что он, спекаясь в момент контакта с жидкой сталью, образует корочку, которая препятствует проникновению металла в поры между частицами. При открытии шиберного затвора она разрушается под давлением жидкой стали [1].

По данным ККЦ-1 Новолипецкого металлургического комбината, специальная смесь Боровичского огнеупорного завода обеспечила открывание шиберного затвора около 80% [7]. Однако такой показатель вряд ли следует считать удовлетворительным, поскольку в соответствии с теорией статистики существует высокая степень вероятности неоткрывания двух ковшей подряд, что значительно повысит загрязненность стали неметаллическими включениями в течение длительного периода разливки.

На наш взгляд, концепция разработки смеси для засыпки в канал шиберного затвора должна предполагать его открывание во всех случаях, кроме экстремальных, которые, как показывает статистический анализ, не могут превышать 1...1,5%.

В результате исследований установлены основные технологические причины, по которым засыпка не высыпается из канала шиберного затвора:

•наличие в засыпке компонентов, склонных спекаться при высоких температурах и образовывать жесткий каркас, который не разрушается при открытии затвора;

•присутствие компонентов, склонных к газотворным проявлениям. Если в момент возникновения в канале затвора избыточного газового давления на верхней части столба засыпки не успела образоваться достаточно прочная корка, то газы устремляются в жидкий металл, разрушая корку и образуя в столбе засыпке полости, которые могут заполняться металлом;

•высокая пластичность засыпки. Под воздействием ферростатического давления она уменьшает свой объем, что приводит к растрескиванию спекшейся корочки в верхней части столба засыпки и протеканию металла в засыпку;

•низкая текучесть засыпки, не позволяющая ей быстро высыпаться из канала при открывании затвора. При этом часть смеси смешивается с металлом и прилипает к стенкам коллектора, препятствуя нормальному процессу разливки;

•низкая термомеханическая устойчивость, т.е. склонность смеси оплавляться при соприкосновении с жидким металлом;

•разрушение верхней части столба засыпки струей падающего металла, что приводит к образованию «пробок» в канале шиберного затвора.

На первый взгляд, достаточно перспективным представляется использование в засыпке кварцевого песка. Кварц, являющийся одной из форм существования кремнезема (SiOi), обладает высокой огнеупорностью (1713°С), твердостью (7 баллов по шкале Мооса) и низкой химической активностью. К серьезным недостаткам кварца как основы засыпки относятся его аллотропические изменения при нагреве и охлаждении. Известно, что при температуре 575°С β-кварц переходит в α-кварц, что сопровождается увеличением его объема на 2,4%. Кроме того, природные кварцевые пески содержат примеси оксидов железа, полевого шпата, слюды и других материалов. Полевой шпат и слюда содержат оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Все эти примеси являются вредными, так как снижают огнеупорность кварца, образуя с ним и оксидами металла сложные легкоплавкие силикаты. С учетом изложенного следует признать, что создание засыпки только на основе кварцевого песка представляется весьма проблематичным.

Таблица 3. Химический состав и физические свойства засыпок, используемых для открывания шиберных затворов

Поскольку кварцевый песок не обеспечивает достаточных эксплуата-ционных свойств, в состав засыпок вводят более огнеупорные и химически стойкие наполнители: хромит или циркон [1]. Химический состав и физические свойства таких засыпок, рекомендуемых различными производителями, приведены в табл. 3.

Исследования, выполненные авторами на ряде металлургических заводов Украины и России, показали, что засыпка типа Б, имеющая фирменную маркировку Feurolan SM70A20, имеет индекс открывания шиберного затвора без прожигания кислородом 99,1...99,2%. При этом уровень открываний без внешнего вмешательства (подталкивания смеси трубкой в начальный момент) для большинства металлургических заводов составляет 92,3...95%. Еще более высокими показателями отличается засыпка Г, которая содержит большое количество циркона, однако она примерно в 1,5... 2 раза дороже, чем засыпка Б.

Необходимо отметить, что такой уровень показателя открывания затворов достигается при соблюдении определенной совокупности мероприятий. К их числу относятся строгое соблюдение гранулометрического состава и формы зерен засыпки при обязательном исключении пылевидной фракции (<0,1 мм); исключение попадания в канал шиберного затвора кусков шлака или металла при подаче засыпки, регламентирование количества засыпки с целью создания так называемой «горки»; предотвращение попадания струи металла в зону расположения засыпки.

Таким образом, в настоящее время на практике могут быть использованы засыпки в канал шиберного затвора, обеспечивающие почти 100%-ное его открывание без прожиганий кислородом, что снижает содержание оксидов в стали в начальные момент разливки и при перековшовках.