CC BY
326
МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
УДК 621.746.5.047:669.046.581 Вдовин К.Н., Ряхов А.А., Великий А.Б.
ШЛАКООБРАЗУЮЩИЕ СМЕСИ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Аннотация. В статье приведен анализ применения шлакообразующих смесей (ШОС) при непрерывной разливке стали. Показано, что без применения ШОС непрерывная разливка невозможна. Рассмотрена история изобретения шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали. В основе большинства ШОС лежит трехкомпонентная система CaO-SiO2-ÄhO3. Представлены основные свойства современных шлакообразующих смесей и традиционная схема их работы в кристаллизаторе МНЛЗ. Указано, что при непрерывной разливке на мениске стали в кристаллизаторе смесь образует трехфазную структуру: порошковый слой, спеченный слой и слой жидкого шлака. Толщина жидкого шлака должна быть не менее 10 мм. Рекомендован перечень научных методов для изучения свойств ШОС. Выбор ШОС зависит от марки разливаемой стали, технологии ее выплавки и доводки, типа конструкции МНЛЗ и ее технологических узлов, температурных и скоростных режимов разливки. Показаны технологические отличия гранулированных шлакообразующих смесей от порошкообразных.
Ключевые слова: шлакообразующая смесь, способы защиты стали, непрерывная разливка стали, кристаллизатор, шлаковый расплав.
Шлакообразующие смеси (ШОС), или разливочные смеси (часто используемое название за рубежом), на сегодняшний день являются неотъемлемой составляющей процесса непрерывной разливки стали и получения качественной заготовки, из которой при дальнейшем переделе будут изготовлены стальные детали и предметы, без которых невозможно представить современный мир. Установлено, что ШОС являются частью комплекса мероприятий по защите металла в процессе непрерывной разливки стали наряду с изоляцией струи металла, вытекающей из сталеразливочного ковша и поступающего в промежуточный ковш, и струи металла, поступающей в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) [1].
Учитывая особенности современного представления об использовании шлакообразующих смесей для непрерывной разливки и способов ее изготовления можно дать определение шлакообразующей смеси - это порошок или гранулят, состоящий из одного или более компонентов. Они представляют собой природные и синтетические минералы, а также отходы металлургического производства и их продукты переработки, способные при расплавлении образовывать жидкий шлак, выполняющий функции по защите поверхности жидкого металла (зеркало металла) от окисления и тепловых потерь, ассимиляции неметаллических включений, улучшать процесс скольжения твердой корочки слитка вдоль поверхности кристаллизатора.
На пути совершенствования технологии производства стали происходило немало открытий, которые с каждым разом улучшали качественные показатели конечного продукта, меняя представление о технологии производства заготовок из стали в целом. В 1910 году впервые была произведена разливка стали в изложницу, однако при этом
© Вдовин К.Н., Ряхов А.А., Великий А.Б., 2017
имелись значительные проблемы с точки зрения технологичности операций и качества полупродукта [2].
Долгие годы внедрение непрерывной разливки стали широкого размерного и марочного сортамента в металлургическую практику сдерживалось низким качеством поверхности непрерывно-литых заготовок. Это связано с использованием различных защитных сред, таких как инертные газы, парафиновые и минеральные (нефтяные) масла, графитсодержащие материалы и их отходы, оказывающие негативное влияние на качество поверхности слитков, загрязненность их неметаллическими включениями, условия труда, загрязненность воздушного и водного бассейнов, науглероживание и наводораживание заготовок. Значительный перелом в обеспечении качества заготовок произошел в 1960-х годах с созданием так называемых шлакообразующих смесей, которые выполняют функции:
- защита стали от окисления;
- обеспечение теплоизоляции поверхности жидкой стали;
- поглощение (ассимиляция) неметаллических включений;
- образование своего рода смазки.
В 1957 году молодой инженер Ханс Эйтель, представляя компанию Veitscher Magnesit, подхватив идею Эдгара Боленса, менеджера сталелитейного завода Cockerill Seraing Steelworks, с энтузиазмом начал развивать это, без преувеличения, целое направление в разливке стали на протяжении 40 лет, создавая коммерческие продукты для немецких сталелитейных предприятий. В 1965 году Ханс Эйтель основал компанию Metallurgica GmbH & Co. KG [2]. В России основоположником этого направления является известный российский ученый
А.В. Лейтес. Он заложил основы изучения и практического применения способов защиты металла в процессе непрерывной разливки стали.
Развитие знаний о шлакообразующих смесях на ранних этапах происходило с проведением значительного количества промышленных испытаний, так как в лабораторных условиях невозможно было установить их работоспособность, любые проектные составы требовали обязательного промышленного апробирования [2]. Поэтому можно сказать, что даже существующие смеси известных производителей, их эффективные составы, получены эмпирическим путем.
В сегодняшней обстановке на предприятиях черной металлургии, использующих непрерывную разливку, ведётся борьба за качество получаемой продукции (из-за высокой конкуренции на рынке), поэтому такой подход, как проведение целой серии промышленных испытаний одной смеси неприемлем. Предприятия-потребители ставят задачу перед изготовителями предложить шлакообразующую смесь, которая безаварийно выполнит необходимые задачи при первом тестировании. Из-за многочисленных факторов в непрерывной разливке и сложности конструкции установок непрерывного литья это практически невыполнимая задача. В последнее время производители оборудования установок непрерывного литья заготовок объединяются с производителями ШОС, чтобы при вводе в эксплуатацию новых машин непрерывно-литых заготовок (МНЛЗ) обеспечить достижение эксплуатационных параметров с учетом технологии выплавки стали и ее доводки на предприятии заказчика. Тесный контакт между разработчиками оборудования и производителями шлакообразующих смесей в наибольшей степени позволяет подобрать необходимые их виды для определенного марочного и размерного сортамента. Однако существуют случаи, когда в процессе освоения технологии разливки на вновь введенной в промышленную эксплуатацию МНЛЗ осуществляют подбор оптимальных ШОС с целью повышения стабильности процесса разливки [3]. Настоящая практика внедрения ШОС в уже действующий процесс непрерывного литья стали на предприятии показывает, что оправдание ожиданий разливщиков стали по обеспечению стабильности процесса и получению качественной заготовки достигается только за счет высокой квалификации специалистов, осуществляющих подбор ШОС, и детального изучения предлагаемого состава современными научными методами, такими как:
- рентгенофлуоресцентная спектроскопия;
- термический анализ: дифференциальная
сканирующая калориметрия и термогравиметрия;
- высокотемпературная микроскопия;
- микрорентгеноспектральный анализ;
- рентгеновская дифрактометрия;
- высокотемпературная вискозиметрия;
- исследование температуропроводности.
Для точного подбора (выбора) ШОС необходим учет всех параметров, начиная с марки
разливаемой стали, в особенности содержание углерода, характеризующее картину усадки стали (диаграмма железо-углерод), технологии ее выплавки и доводки, типом конструкции МНЛЗ и ее технологических узлов, температурных и скоростных режимов разливки, заканчивая свойствами ШОС. Известно, что неправильно выбранная ШОС может являться причинной ухудшения качества поверхности слитка путем загрязнения непрерывно-литой заготовки неметаллическими включениями [4].
Наиболее важными свойствами
шлакообразующих смесей являются химический состав, вязкость, температура плавления, теплопроводность, влажность, форма смеси (порошок или гранулы) и ее фракционный состав. Существуют и другие параметры, которые, в свою очередь, зависят от вышепреречисленных свойств: скорость расплавления, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, плотность шлакового расплава, агрессивность к огнеупорам и др.
В основе почти всех известных ШОС лежит трехкомпонентная система СаО-8Ю2-А12О3, а именно ее низкотемпературные области (рис. 1). Эвтектические области диаграммы с отношением СаО/8Ю2 = 0,9 - 1,2 могут быть основой для шлакового расплава, так как температура его затвердевания при увеличении содержания глинозема до 25-30 % изменяется незначительно [5]. Это одна из функциональных задач ШОС - сохранение заданных свойств шлакового расплава при ассимиляции неметаллических включений, в частности глинозема, так как в большинстве случаев при раскислении стали используют алюминий.
Рис. 1. Трехкомпонентная система (концентрационный треугольник) СаО-8Ю2-АЮз
Помимо этого, должны быть созданы условия для перехода неметаллических включений через границу металл-шлак, при этом они должны остаться в шлаке на всем пути его движения вдоль стенки
кристаллизатора. При этом имеют существенное значения такие параметры, как поверхностное натяжение и краевой угол смачивания.
Для обеспечения необходимых свойств в смесь вводят присадки флюсующих добавок, содержащих Сар2, №20, К2О, М§0, В2О3, П2О и углеродосодержащие компоненты в виде свободного углерода и карбонатов. Углерод добавляют для регулирования скорости расплавления ШОС. Располагаясь между твердыми частицами и каплями расплава, свободный углерод создает своего рода инертный барьер. Помимо этого, углерод при сгорании образует восстановительную атмосферу (СО), часть несгоревшего углерода окрашивает шлак в темный цвет, оказывая влияние на теплопередачу шлаком через излучение (рис. 2).
Рис. 2. Образец шлака, отобранный с мениска
стали
Как было сказано выше, форма смеси является одним из основных свойств ШОС. С целью улучшения условий и безопасности труда, а также улучшения работы смеси в целом были разработаны гранулированные шлакообразующие смеси (ГШОС). Известно, что по сравнению с порошкообразными шлакообразующими смесями гранулированные имеют ряд технологических преимуществ [6]:
- более однородный химический состав, обеспечивающий гомогенное шлакообразование в кристаллизаторе (меньшее расслаивание);
- лучшая сыпучесть (текучесть) ШОС способствует более равномерному распределению гранулята по зеркалу металла в кристаллизаторе;
- отсутствие пыли и возможность автоматической подачи ШОС в кристаллизатор;
- лучшие теплоизолирующие свойства (рыхлый слой);
- предотвращение пылеобразования при разливке и транспортировке;
- отсутствие влаги и меньшая гигроскопичность, что упрощает условия хранения.
В работе [7] отмечено, что достижение наилучших результатов по прочности гранул и
содержанию пыли при производстве ГШОС получают за счет правильного выбора связующего и оптимизации режимов сушки распылением.
Работа смеси в кристаллизаторе хорошо описана зарубежным исследователем (рис. 3) [8]. Шлакообразующую смесь подают на зеркало металла - верхнюю часть стального мениска в кристаллизаторе. В течение непрерывной разливки смесь образует трехфазную структуру: порошковый слой, спеченный слой и слой жидкого шлака. Любая влага в смеси испаряется в верхнем слое, затем при температуре около 600 °С начинают разлагаться карбонаты (СаСОз и №2С0з) с образованием оксидов кальция и натрия и С02. Углерод в присутствии кислорода в смеси выгорает с образованием газообразных оксидов СО и СО2 в диапазоне температур между 500 и 900°С. В этом диапазоне минеральные частицы начинают спекаться. Затем твердый шлак начинает плавиться в интервале температур от 900 до 1100 ° С, после чего образуется шлаковый расплав с оставшимися частицами углерода, плавающими в расплаве. Этот шлаковый расплав очень важен для процесса разливки, как правило, он должен иметь толщину не менее 10 мм для обеспечения удовлетворительной инфильтрации в зазор между стенкой кристаллизатора и корочкой слитка. Шлаковый расплав при этом защищает стальной мениск от атмосферы и тем самым предотвращает окисление стали и обеспечивает постоянный поток жидкого шлака для смазывания оболочки по всей длине кристаллизатора.
Рис. 3. Принципиальная схема работы ШОС, показывающая направления потока стали и различные фазы шлака, образованные в кристаллизаторе
Когда жидкий шлак проникает в зазор между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора, он
частично затвердевает по направлению от стенки кристаллизатора с водяным охлаждением. Пленка шлака состоит из твердого (толщиной около 1 -2 мм) и жидкого (около 0,1 мм) слоя. Эта шлаковая пленка играет решающую роль в процессе разливки, поскольку толщина жидкого слоя оказывает влияние на качество смазки, подаваемой на оболочку слитка, а толщина твердого слоя регулирует передачу тепла от оболочки слитка [9].
В последнее десятилетие использование шлакообразующих смесей для наведения защитного шлака в кристаллизаторе стало одним из наиболее эффективных направлений повышения качества разливаемых непрерывно-литых заготовок. С продолжающимся ростом доли стали, разливаемой непрерывным способом, растет и объем потребления ШОС. Это объясняет высокую конкуренцию на рынке среди таких компаний как, ООО «Шлаксервис» (Россия), «ТД Корад» (Россия), Prosimet (Италия), Imerys (Германия), ООО «Интокаст-Рус» (Россия-Германия), Metallurgica (Vesuvius Group) (Германия-Канада), Henan Xibao (Китай), Tasori (Китай).
Выводы
В представленной работе сделан анализ применения ШОС при непрерывной разливке стали. Показано, что без использования ШОС непрерывная разливка невозможна. Представлена традиционная схема работы ШОС в кристаллизаторе МНЛЗ. При непрерывной разливке на мениске стали в кристаллизаторе смесь образует трехфазную структуру: порошковый слой, спеченный слой и слой жидкого шлака. Толщина шлакового расплава на зеркале металла должна быть не менее 10 мм. Выбор ШОС зависит от марки разливаемой стали, технологии ее выплавки и доводки, типа конструкции
Сведения об авторах
МНЛЗ и ее технологических узлов, температурных и скоростных режимов разливки.
Список литературы
1. А.В.Куклев, А.В.Лейтес. Практика непрерывной разливки. М.: Металлургиздат, 2011. 432 с.
2. R.Carli, A.Del Moro, C.Righi. Properts and control of fluxes for ingot casting and continuous casting // La Metallurgia Italiana, May 2008, рр. 13-18.
3. Ввод в эксплуатацию новой слябовой МНЛЗ №5 с вертикальным участком в
электросталеплавильном цехе ОАО «ММК» / В.Ф. Дьяченко, Д.В. Юречко, А.Б. Великий, Ю.М. Желнин, А.Г. Алексеев, А.С. Казаков. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. №2. С.32-34.
4. К.Н. Вдовин, В.В. Точилкин, И.М. Ячиков Непрерывная разливка стали. Гидромеханика машин непрерывного литья заготовок: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова, 2014. 348 с.
5. А.В.Лейтес Защита стали в процессе непрерывной разливки стали. М.: Металлургия, 1984. 200 с.
6. Г.И.Айтель. Разработка и производство гранулированного разливочного порошка путем сушки распылением // Черные металлы. 1996. № 6. С. 13-19.
7. Choice of Binder and Optimization of Slag-Forming Mixture Granulation Technology to Improve Granule Strength / A.A. Ryakhov, A.V. Kuklev, K.N. Anisi-mov, A.M. Toptygin, I.V. Lebedev. // Metallurgist [Springer]. January 2017. Volume 60. Issue 9 - 10. rp. 1054-1061.
8. K.Mills. How Mold Fluxes Work // Treatise on Process Metallurgy. 2013. Volume 3. Рр. 435-475.
9. Вдовин К.Н., Повитухин С.А. Расчет толщины шлакового гарнисажа // Теория и технология металлургического производства. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2005. С. 29 - 32.
Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой технологии металлургии и литейных процессов, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected].
Ряхов Алексей Анатольевич - ведущий инженер технологической группы ООО «Шлаксервис», Магнитогорск, Россия. Email: [email protected].
Великий Андрей Борисович - директор ООО «Шлаксервис», Магнитогорск, Россия, E-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE MOLD FLUXES FOR CONTINUOUS CASTING OF STEEL
Vdovin Konstantin Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Head of the department of Materials Science and foundry, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Ryakhov Alexey Anatolievich - Lead engineer of the technological group of LLC "Shlakservis", Magnitogorsk, Russia.
Velikiy Andrey Borisovich - Director of LLC "Shlakservis", Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Abstract. The analysis of the use of mold fluxes in the continuous casting of steel is provided in this paper. The history of the invention of mold fluxes for the continuous casting of steel is considered. It is shown that continuous casting is not possible without using the mold flux. At the heart of most of the mold flux is a three-component system of CaO-SiO2-AkO3. The main properties of modern mold fluxes and the traditional scheme of their operation in the mold of Continuous casting machine are presented. It is indicated that during continuous casting on the meniscus of steel in the mold, the mold flux forms a three-phase structure: a powder layer, a sintered layer and a layer of liquid slag. The thickness of the liquid slag should be at least 10 mm. Recommended list of scientific methods for studying the properties of the mold fluxes. The choice of the mold fluxes depends on the brand of the cast steel, the technology of its smelting and finishing, the type of design of the continuous casting machine and its technological units, the temperature and speed regimes of casting. Technological differences between granular mold fluxes and powder are shown.
Keywords: The mold flux, steel protection methods, continuous casting of steel, the mold, slag melt.
Ссылка на статью:
Шлакообразующие смеси для непрерывной разливки стали / Вдовин К.Н., Ряхов А.А., Великий А.Б. // Теория и технология металлургического производства. 2017. №4(23). С. 9-13.
VdovinK.N., Ryakhov A.A., VelikiyA.B. The mold fluxes for continuous casting of steel. Teoria i tecnología metallurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 23, no. 4, pp. 9-13.
