CC BY
34
УДК 669.18-412
Макуров С.Л.
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАЗЛИВКИ И ЗАТВЕРДЕВАНИЯ БЛЮМИНГОВЫХ СЛИТКОВ
Несмотря на широкое развитие в мировой практике процессов непрерывной разливки, объём стали, разливаемой в изложницы, по ряду причин остается значительным. В этих условиях эффективность сталеплавильного производства и качество металлопродукции определяются качеством слитка и, следовательно, уровнем технологии разливки стали в слитки.
Основным резервом экономии металла при производстве проката через слиток является снижение головной обрези, а также уменьшение брака по поверхностным дефектам и дефектам макроструктуры. Одним из главных направлений в решении этих задач является совершенствование и оптимизация технологии сифонной разливки стали под защитными средами [1].
На металлургических заводах Украины при сифонной разливке широко применяются теплоизолирующие смеси на основе золы ТЭЦ и других недефицитных материалов. Эти смеси подаются на зеркало металла на ранней стадии заполнения изложниц.
Изложница
Остаточный порошок
Спекшиеся частицы
Жидкий шлак
^атвердевша^ Жидкий корка________ • металл
Схема, поясняющая механизм действия порошкообразных теплоизолирующих смесей приведена на рис. 1.
В процессе заполнения изложницы 'смесь представляет собой трехслойную систему, состоящую из жидкого шлака, спекшегося слоя и слоя остаточного теплоизолирующего порошка
Назначение слоя расплавленного шлака очевидно. Шлак смазывает поверхность изложницы, ассимилирует неметаллические включения и препятствует процессу окисления металла Спекшийся слой является как бы перегородкой, демпфирующей бурление металла в изложнице, обеспечивая тем самым сохранность
остаточного, верхнего слоя.
Рис. 1- Схема, поясняющая меха- ^
, ■ Остаточный порошок, обладая высокой подвижностью
низм действия»йорошкообразных
г равномерно распределяется по поверхности металла,
теплоизолирующих смесей. -
обеспечивая хорошую теплоизоляцию зеркала.
Это позволяет избежать появления заворотов корки при разливке и усадочных дефектов при затвердевании слитка
Большинство применяемых теплоизолирующих смесей содержит дорогостоящий графит, что увеличивает себестоимость стали, науглераживает металл и ухудшает экологию производства
В настоящей работе провели исследование свойств теплоизолирующих смесей не содержащих графит. При разработке составов смесей исходили из требований дешевизны и мало-компонентности, определяющих вопрос внедрения в производство. Поскольку плавление смесей происходит в интервале температур величина этого интервала должна быть по возможности больше с целью улучшения шлакообразования. Перечисленным требованиям удовлетворяют смеси на основе золы ТЭЦ. Химический состав золы различных партий мало разнится. Ос-
новными её компонентами являются (мае. %): БЮг - 50-51; AI2O3 - 24-32; FeO - 6-13; щелочи,
углерод и др. - остальное.
Вместо дефицитного графита в качестве тугоплавкой составляющей смеси вводили минералы силлиманитовой группы: дистенсиллиманит или ставролит. Содержание глинозема в этих минералах составляет 55-65 %, температура их плавления превышает 1550 °С.
Температуру начала и конца плавления смесей и их компонентов определяли на высокотемпературном микроскопе МНО-2. Образцы смесей диаметром 2-3 мм помещали на подложу и вводили в микропечь. В области температуры начала плавления нагрев микропечи производили со скоростью не более 3 °С в минуту.
В процессе нагревания непрерывно вели наблюдение за изменением формы образца и периодически фотографировали его. Температурой начала плавления считали температуру, при которой отмечалось начало оплавления краев. Температурой конца плавления считали такое значение, при котором образец принимал форму капли. Результаты исследований температуры плавления 19 смесей различного состава приведены в работе [2].
Проведенные исследования показали, что при изменении состава смеси в пределах 10-30 вес. % дистенсиллиманита температура ее полного расплавления достаточно высока и находится в пределах 1350-1450 °С. Температура начала плавления во всех случаях не превышала 1100 °С, что является благоприятным фактором для образования шлаковой прослойки, необходимой при разливке стали. Аналогичными свойствами обладают смеси, содержащие ставролит [3].
Промышленное опробование смесей при разливке блюминговых слитков массой 5,5 т. показало, что содержание силлиманита в смеси нельзя увеличивать свыше 10-15 %, т.к. повышается ее насыпная масса и ухудшается рассыпаемость. При этом толщина нерасплавившегося за время разливки слоя порошка для зольно-графитовой и зольно-силлиманитовой смеси примерно одинакова и определяется ее расходом.
Качество утепления прибыльной части слитков опытными смесями, отличающимися по составу и крупности зерен, при различном расходе смеси (2,1 - 3,6 кг/т) оценивали по результатам тепловых измерений, а также по величине усадки в прибыли. Для исследования тепловых потоков от слоя смеси в прибыли применяли специальный тепломер калориметрического типа, конструкция которого описана в работе [4]. Результаты измерений приведены на рис. 2.
о о
I*
В
Н CQ
s rf
S 9
ä I
t s
10
8
6
4
2
--
100
и 20 40 60 80
Время от конца запивки, мин.
Рис. 2-Тепловые потоки от наружного слоя теплоизолирующей смеси в процессе затвердевания 5,5, т. блюмингового с. дттка: 1 - зола + дистенсиллиманит (10 %), расход 3,6 кг/т; 2 - зола + дистенсиллиманит (20 %), расход 2,9 кг/т; 3 - зола + дистенсиллиманит (20 %), расход 2,5 кг/т; 4 - зола + дистенсиллиманит КСДЗ (10 %), расход 2,1 кг/т.
Минимальные тепловые потери были зафиксированы при расходе смесей 2,9-3,6 кг/т стали. Однако, учитывая, что тепловые потери через засыпку составляют 10-15 % в общем балансе прибыли [5] было решено использовать пониженный до 2,1 кг/т расход смеси. При таком расходе смеси наилучшие результаты были получены при использовании зольно-силлиманитовой смеои, содержащей 10 % дистенсиллиманита фракции КСДЗ (0,3-0,5 мм). Тепловой поток от поверхности этой смеси почти такой же, как от зольно-графитовой (кривые 3 и 4 на рис. 2).
Существует мнение, что применение смесей не содержащих графит, приводит к ухудшению их рассыпаемости по поверхности металла и вторичному окислению стали. Проведенными исследованиями установлено, что угол естественного откоса опытных смесей примерно такой же, как у зольно-графитовой смеси, и зависит от качества золы. Обычно величина этого угла не превышает 25-30°. При разливке смесь равномерно распределяется по поверхности металла в изложнице, расширяющейся кверху (свечение металла у стенок изложницы не наблюдали).
Для оценки окисленности металла отбирали пробы из изложницы на глубине 100 мм от зеркала металла в процессе разливки и затвердевания опытных и сравнительных слитков. Пробы отбирали отсосом в кварцевые трубки, а содержание кислорода определяли на эксхалографе системы "Бальцерс". Содержание кислорода в стали составляло (30-40)хЮ"4 % и практически! не различалось для металла, разлитого под зольно-графитовой и опытными смесями не содержащими графит.
Наряду с разработкой технологии утепления зеркала металла при разливке был опробован новый метод воздействия на кристаллизующийся металл путем ввода взрывчатых веществ в жидкую сердцевину слитка в процессе его затвердевания [6]. С этой целью в жидкую сердцевину слитка на глубину 0,8 м с интервалом 10 мин ввели 9 порций аммонала. Масса одной порции взрывчатого вещества составляла 5 г.
На рис. 3 приведены серные отпечатки продольных темплетов сравнительного (а) и опытных (б, в, г) слитков.
а б в г
Рис. З-Серные отпечатки продольных темплетов 5,5 т блюминговых слитков стали 40Х: а) утепление зольно-графитовой смесью; б) обработка взрывом с утеплением зольно-графитовой смесью; в) утепление зольно-ставролйтовой смесью; г) утепление зольно-силлиманитовой смесью.
На серном отпечатке от слнтка, обработанного взрывом, четко видны белые линии, соответствующие пониженному содержанию серы. Очевидно, при гидравлическом ударе происходит уплотнение дёндритов двухфазной зоны, а жидкий расплав, обогащенный лидирующими примесями вытесняется в незатвердевшую сердцевину слитка В слитке, обработанном взрывом, наблюдается большая протяженность донного конуса и меньшее развитие осевой рыхлости при несколько меньшем угле раскрытия полос внецентренной ликвации. Однако, в верхней части слитка наблюдаются и-образные зоны скоплений сульфидов, усиливающие хи-мическую неоднородность осевой зоны слитка Очевидно, метод взрыва может быть рекомендован для выявления конфигурации фронта кристаллизации затвердевающего слитка, но не дает существенного улучшения физической и химической однородности слитка По этой причине, а также из-за сложности применения в массовом производстве и требований техники безопасности было решено ограничиться традиционными способами воздействия на структуру слитка - оптимизацией технологии утепления и разливки.
Слитки, отлитые с применением новых теплоизолирующих смесей (см. рис. 3 в, г), имеют вполне удовлетворительное качество, а слиток, отлитый с применением зольно-силлиманитовой смеси (см. рис. 3 г) существенно лучше сравнительного слитка, отлитого под зольно- графитовой смесью.
Следующим этапом совершенствования технологии разливки блюминговых слитков явилось увеличение скорости заполнения изложниц.
При увеличении линейной скорости разливки с 0,3 до 0,6 м /мин на отдельных слитках наблюдали проплавление теплоизолирующей смеси в центральной части. Поэтому расход смеси увеличили до 2,6 кг/т.
Для оценки утепления слитков и характера охлаждения металла при ускоренной и обычной разливке провели измерения температуры в жидкой сердцевине слитков термопарами погружения по методике [7]. Установлено наличие более горячего металла (на 8-12 °С) в верхней части слитков, отлитых с увеличенной до 0,6 м /мин скоростью. Это связано с более интенсивной вынужденной конвекцией стали при ускоренной разливке, в результате которой охлажденные в процессе разливки верхние слои металла лучше перемешиваются с поступающей снизу горячей сталью. Наличие более горячего металла в верхней части слитков, отлитых ускоренно, улучшает условия их питания при усадке, что должно способствовать формированию более однородной структуры.
Контроль качества заготовок позволил установить, что наибольшее число дефектных штанг получается при прокатке слитков, отливаемых ускоренно на первом и втором поддонах по порядку разливки. Это связано с высокой температурой разливаемого металла, обусловленной закономерностями охлаждения стали в ковше.
Результаты "посифонного" измерения температуры разных сталей в изложницах к моменту окончания их заполнения приведены в табл. 1. При доверительной вероятности 95 % пределы колебания температуры составляют 5 °С.
Таблица 1 - Результаты "посифонного" измерения температуры жидкой стали в изложницах.
Марка стали Число плавок Температура по сифонам, °С
1 2 3 4 5 6
30ХГСА 18 ' 1487 1503 1480 1470 1465 1460
40Х 16 1490 1505 1503 1492 1490 1487
60С2 21 1477 1482 1478 1477 1475 1470
Ст. 3 12 1502 1521 1512 1507, 1500 1496
Отрицательное влияние повышения температуры разливаемого металла на качество заготовок, получаемых после прокатки слитков, установлено также в результате обработки данных по браку металла большого числа плавок. В соответствии с этим выпуск стали опытных плавок из печи производили с пониженной температурой. Температуру стали в ковше, необходимую для ускоренной разливки предложено рассчитывать по формуле:
^=гл+квгв + крГр+40, (1)
где Лл- температура ликвидуса данной стали;
Кв,Кр- скорости охлаждения стали при выдержке в ковше и разливке;
г в, г р- соответственно продолжительность выдержки в ковше и разливки стали.
Температуру ликвидуса стали определяли экспресс-методом с помощью устройства термического анализа [8]. Все остальные коэффициенты принимали на основании производственного опыта В итоге были разработаны практические нормативы температуры стали в ковше, необходимой при ускоренной разливке. В случае отклонения от этих нормативов разливу проводили сокращенной струей.
Статистической обработкой результатов опытных и сравнительных плавок было установлено, что при увеличении скорости разливки до 0,6 м /мин брак по зачистке заготовок на адыостаже блюминга не увеличивается, а их макроструктура и качественные характеристики (предел прочности, ударная вязкость и др.) соответствуют требованиям стандарта Данные по браку металла при ускоренной и обычной разливке приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Брак заготовок по металлу при ускоренной и обычной разливке.
Технология разливки Брак заготовок, % Осмотрено заготовок,т
Трещины Рванины Песочины Всего
Ускоренная 0,50 0,35 0,08 0,93 4 7516,2
Обычная 0,44 0,43 0,07 0,94 7072,8
Исследование большого числа темплетов от заготовок опытных и сравнительных плавок показало, что качество макроструктуры металла, разлитого ускоренно и по обычной технологии одинаково. В то же время длительность разливки плавки сокращается на 15 мин, что позволяет увеличить пропускную способность разливочного пролета
Важным моментом оптимизации технологии производства стальных слитков является разработка нормативов прохождения слитков от разливки до посада в нагревательные колодцы.
С этой точки зрения весьма желательно сокращение времени транспортировки и выдержки слитков в изложницах. Однако, эта выдержка не должна быть меньше времени затвердевания, соответствующего достижению двухфазной областью осевой зоны слитка, так как раннее стрипперование может вызвать ухудшение макроструктуры слитка С другой стороны, чрезмерная выдержка сверх этого времени слитков некоторых легированных марок стали (60ХН, ЗОХНЗ, 36Г2С и др.) приводит не только к неоправданным потерям тепла, но и к образованию продольных поверхностных трещин, если температура поверхности слитка становится ниже 800 °С [5]. Форсированный нагрев таких слитков в случае их посада в печь с низкой температурой поверхности (ниже 700-800 °С) очень часто приводит к образованию поперечных трещин, а иногда к полному разрушению слитков [9].
Таким образом, определение оптимального времени выдержки слитков в изложницах возможно только при наличии точных сведений о продолжительности их затвердевания, а также об изменении температуры поверхности слитков во времени. Такая информация может быть получена расчетным и экспериментальным путем.
Расчетом на ЭВМ по методике [10] были получены данные по продолжительности затвердевания блюмингового 5,5 т слитка, а также по температуре поверхности слитка в центре широкой грани. Согласно расчету продолжительность затвердевания слитка составляет 110 мин. Однако, надежные данные по температуре поверхности слитка в различных его точках могут быть получены только экспериментальным путем.
Для осуществления измерения температуры поверхности слитка в изложнице сверлили отверстия диаметром 18-20 мм, в которые вводили датчики с термопарами. Перед проведением опыта отверстия в изложнице закрывали холостыми пробками, длину которых выбирали индивидуально в зависимости от глубины отверстий.
После окончания заливки металла в изложницу холостые пробки извлекали из отверстий, а на их место устанавливали датчики температуры с прижимными устройствами. Конструкция датчиков подробно описана в работе [11].
1200
оЧ
* юоо
а
а §
И
ей &
£
800
600
__ 2 / г4 1
40 80 120 160
Время от начала заливки, мин
200
Рис. 4. Изменение температуры поверхности блюмингового слитка массой 5,5 т в процессе затвердевания: 1,2, 3 - соответственно верх, середина, низ широкой грани; 4- расчет на ЭВМ по методике [10].
Экспериментальные зависимости изменения температуры в различных точках поверхности блюмингового слитка массой 5,5 т при затвердевании приведены на рис. 4. Здесь же приведены расчетные данные по температуре широкой грани слитка (на середине высоты).
Данные расчета оказались несколько завышенными, поэтому максимальное время выдержки слитков из сталей, склонных к трещинообразованию, должно оцениваться экспериментальным путем.
Рассматриваемые слитки транспортируются на блюминг в изложницах, что соответствует времени их прохождения от разливки до посада в колодцы. При этом минимальное время снятия надставок и подрыва слитков должно соответствовать времени распространения двухфазной зоны на весь объем незатвердевшеш ядра. В последнем случае манипуляции при стрипперовании не приводят к ухудшению макроструктуры слитков. Время посада слитков в колодцы после стрипперования определяется только длительностью их транспортировки.
Минимальное время выдержки в изложницах блюминговых слитков, определенное расчетным путем, составляет 110 мин. Согласно экспериментальным данным температура поверхности слитка к концу затвердевания поддерживается достаточно высокой, следовательно, некоторое увеличение времени прохождения слитков сверх времени полного затвердевания, возможное в производственных условиях, не опасно для слитков легированных сталей, склонных к трещинообразованию.
На основании проведенного математического и экспериментального исследования составлены новые, сокращенные нормативы, согласно которым выдержка слитков в изложницах сокращена на 20 мин.
Таким образом, в результате проведенных исследований разработана оптимальная технология производства блюминговых слитков, включающая ускоренную разливу, рациональное утепление металла и оптимальную выдержку слитков в изложницах.
В результате внедрения новой технологии длительность разливки плавки сокращена в среднем на 20 мин, что позволяет увеличить пропускную способность разливочного пролета и уменьшить износ огнеупорной футеровки ковша. Качество металла при этом улучшается за счет применения новой теплоизолирующей смеси не содержащей графит. Использование такой смеси не приводит к науглераживанию металла, улучшает экологию разливки и удешевляет производство.
Внедрение новых, сокращенных режимов прохождения слитков от разливки до стрипперования позволяет обеспечить их более ранний посад в колодцы и увеличить оборачиваемость изложниц. В этом случае нагрев слитков осуществляется не только за счет внешнего теплообмена, но и в значительной мере за счет внутреннего тепла, чем достигается более равномерный прогрев по сечению, уменьшается время нагрева, расход топлива и окалинообразова-ние.
Перечень ссылок
1. Ефимов В.А. Разливка стали в слиткй // Формирование стального слитка: - Сб. научн. тр. ИПЛ АН УССР - М: Металлургия,-1986,- С. 6-13.
2. Макуров С.Л., Федоров В.А., Житник Г.Г., Казачков Е.А. Теплофизические свойства теплоизолирующих смесей для сифонной разливки стали, содержащих минералы силлиманитовой
группы // Прогрессивные способы получения стальных слитков: Сб. научи, тр. ИПЛ АН УССР.-Киев. - 1980.-С. 137-139.
3. А. с. № 667319 СССР, МКИ В2207/10. Теплоизолирующая смесь для сифонной разливки металла / В.А. Федоров, С.Л. Макуров, В.И. Шибанов, Г.Г. Житник, А.М.Офенгенден (СССР). -№2522918/22-02; Заявл. 30.08.77; Опубл. 18.06.79, Бюд. №22.-Зс.
4. Федоров В. А., Макуров С. Л., Житник Г. Г. и др. Теплоизолирующая смесь для сифонной разливки стали//Металлург.-1977.-№12.-С. 20-22.
5. Скобло С. Я., Казачков Е. А. Слитки для крупных поковок.-М.: Металлургия, 1973,- 247 с.
6. Ефимов В. А. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл // Сталь,- 1988.-№4.-С. 21-27.
7. Казачков Е. А., Макуров С. Л., Федоров В. А. Исследование температурного состояния жидкой сердцевины стальных слитков //Изв. ВУЗов. Черная металлургия,- 1976.-№3.-С.37-40.
8. А. с. №871047 СССР, МКИ СО 1 N25/06. Устройство для термического анализа металлов /СЛМакуров, Е.А.Казачков, В.И.Шибанов (СССР).-№ 2820429/18-25;3аявл. 06.09.79; Опубл. 07.10.81, Бюл. №22.-3 с.
9. Залесский В. И., Корнеев Д. М. Определение времени выдержки в изложницах крупных кузнечных слитков //Кузнечно-штамповочное производство.-1966.-№ 8.-С. 9-11.
10. Казачков Е.А., Макуров С.Л. Математическое моделирование процесса затвердевания стальных слитков прямоугольного сечения //Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1974. - №11.-С.54-57.
11 . Казачков Е. А., Макуров С.Л., Житник Г.Г., Шабловский В. А. Определение оптимальной выдержки слитков в изложницах // Сталь.-1984. - №10.-С. 32-34.
