CC BY
32
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№16 Харлашин П.С1., Левицкая Т.А2.
2006р.
УДК 669.18.046:621.746.56
ЗАЩИТНАЯ ШЛАКООБРАЗУЮЩАЯ СМЕСЬ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА С ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПЛАВЛЕНИЯ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Разработан новый состав более дешевой и менее токсичной шлакообразующей смеси для непрерывной разливки стали с пониженной температурой плавления, меньшей вязкостью и поверхностным натяжением.
Черная металлургия едва ли не единственная отрасль украинской промышленности, которая обеспечивает экономическую стабильность в стране. По мнению ведущих учёных стабилизация и дальнейшее развитие металлургической отрасли на Украине тесно связаны с непрерывной разливкой стали, и, следовательно, с постоянным совершенствованием её технологии [1]. Непрерывно возрастающая конкуренция на мировом рынке предъявляет всё более жесткие и комплексные требования к качеству сортовой заготовки, которые во многом стараются учесть условия её производства уже на стадии выплавки и разливки стали. Качество конечного продукта во многом зависит от выполнения смесью основных своих функций, к которым относится защита от окисления воздухом, теплоизоляция металла, ассимиляция всплывающих к поверхности неметаллических включений, обеспечение равномерного теплоотвода от слитка к кристаллизатору, а также из-за образования смазывающей прослойки между кристаллизатором и оболочкой слитка, улучшение поверхности непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) [2]. Для получения НЛЗ с минимальным количеством поверхностных дефектов (продольных и поперечных трещин) необходимо обеспечить оптимальные значения вязкости, поверхностного натяжения, температуры начала плавления и кристаллизации шлакообразующей смеси.
Удельные выбросы в атмосферу относятся к важным показателям устойчивого развития металлургической отрасли, т.к. функционирование любого металлургического комбината неизбежно связано со значительным негативным воздействием на окружающую среду. Его можно уменьшить, если использовать менее опасные в экологическом отношении материалы, стремясь при этом к созданию ресурсосберегающих и безотходных технологических структур на базе рециркуляции материальных потоков. К тому же сталеплавильное производство Украины в настоящее время ощущает значительные перебои в поставке сырья. Поэтому разработка новых составов ШОС, путем полной или частичной замены импортных и экологически опасных компонентов на отходы собственного или другого производства, весьма актуальна и относится к приоритетному направлению развития науки и техники "Экологически чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии".
Изучение патентных материалов и литературных источников показало, что на металлургических заводах Украины наиболее широко применяются шлакообразующие смеси, полученные смешением или сплавлением различных шихтовых компонентов (портландцемента, плавикового шпата, нефелинового (или сиенитового) концентрата, силикатной глыбы и др.) с угреродграфитовыми материалами (аморфный углерод, графит, коксик, антрацитовая мелочь и др.) [3-4]. Сиенитовый концентрат является импортным материалом, привозимым из России, что затрудняет его использование на территории Украины и значительно повышает себестоимость металла. Очевидно, что уменьшение содержания этих компонентов, вплоть до полного исключения их из состава смеси, окажет положительное влияние на снижение себестоимости металлопродукции и загрязнения окружающей среды вредными компонентами.
Шлакообразующая смесь №5, применяемая на ОАО "МК "Азовсталь" при непрерывной разливке стали, в соответствии с действующей типовой инструкцией ТИ 232-44-2003 имеет состав: портландцемент марки "400" 31 % мае, сиенитовый (нефелиновый) концентрат 27 % мае, силикатная глыба 12 % мае, плавиковый шпат 20 % мае, скрытокристаллический графит 10 % мае.
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, аспирант
Эта смесь образует на зеркале металла в кристаллизаторе слой достаточно жидкоподвижного шлака (вязкость при 1500 иС 0,2 ±0,02 Пас), равномерного по толщине и не образующего грубых "шнуров" у стенок кристаллизатора. Имея температуру конца плавления (растекания) на уровне 1180 ±15 °С, сохраняя текучесть до 1160 ±15 °С, шлак хорошо заполняет зазор между стенкой кристаллизатора и оболочкой затвердевающей заготовки, обеспечивая смазочный эффект на протяжении большей части высоты оболочки в кристаллизаторе и высокую плотность теплового потока в направлении его стенок. Однако при разливке низкоуглеродистых сталей с повышенным содержанием алюминия и среднеуглеродистых сталей с пониженной температурой начала кристаллизации, нередко обнаруживается недостаточность защитных и смазывающих свойств этой смеси. Это приводит к дефектам поверхности сляба и как следствие к ухудшению качества непрерывнолитых заготовок. Дефекты на поверхности сляба возникают в результате зависания корочки сляба в кристаллизаторе, а причиной зависания является затвердевание ШОС и не выполнение ею одной из основных функций - смазывания стенок кристаллизатора. Также недостатками этой смеси являются присутствие в её составе большого количества дорогостоящих импортных материалов (сиенитового концентрата и плавикового шпата), повышенное содержание в ней А120з (8-10 %). Известно, что с увеличением содержания глинозема в смеси сверх 4 % температура её плавления возрастает и одновременно повышается вязкость образующегося шлака (особенно быстро при температурах 1200 °С и ниже), а также ухудшается его адсорбирующая способность по отношению к глинозёмистым включениям, всплывающим в жидкой стали к поверхности раздела "металл-шлак" в кристаллизаторе. По мнению многих исследователей, вязкие шлаки приводят к ухудшению смазки кристаллизатора и появлению грубых продольных трещин [5].
Целью этой работы является разработка состава защитной смеси с более низкой температурой плавления, вязкостью и поверхностным натяжением, без сиенитового концентрата и с меньшим содержанием плавикового шпата, которая может быть использована вместо ШОС-5. Всё это позволит уменьшить себестоимость металла, усилия вытягивания из кристаллизатора непрерывнолитой заготовки и вредные выбросы в атмосферу.
Исследование поверхностных и вязкостно-плавкостных свойств шлака, образующегося из защитной порошкообразной смеси №5 показало, что её состав является оптимальным среди всех возможных комбинаций, которые можно получить путём изменения соотношения массовых долей входящих в эти смеси компонентов. В связи с этим получить новый состав ШОС с пониженной температурой плавления путём простой корректировки не возможно.
В работе [6], на основе результатов проведенных исследований поверхностных и вязкостно-плавкостных свойств защитных смесей на основе цемента и анализа литературных данных разработан базовый состав без сиенитового концентрата с пониженной температурой плавления и уменьшенным содержанием плавикового шпата. Он состоит из 55 % цемента марки "400", 29 % силикатной глыбы и 16 % плавикового шпата, предложены новые смеси с более дешевыми добавками, чем сиенитовый концентрат. Несмотря на благоприятные результаты проведенных экспериментов со смесями, содержащими в небольших количествах борный ангидрид и кальцинированную соду, отсутствие на ОАО "МК "Азовсталь" этих материалов и договоров на их поставку, вероятнее всего, не позволит в ближайшее время использовать их в промышленных масштабах. Очевидно, что более перспективной добавкой должен быть дешевый материал, желательно являющийся отходом производства и имеющийся в достаточном количестве на комбинате. Ферросплавные шлаки регулярно поставляются на комбинат из Запорожья и Никополя. Основной шлак содержит 16-20 % МпО, а кислый -25-28 % МпО. Эти шлаки и были выбраны в качестве флюсующих добавок к защитным смесям на цементной основе. Для получения ШОС с пониженной температурой плавления из их состава был исключен сиенитовый концентрат.
Поверхностные и вязкостно-плавкостные свойства шлаков, образующихся из опытных ШОС, изучали аналогично тому, как это было сделано в работах [6-7].
Многокомпонентность основного и кислого шлака производства марганцевых сплавов с разнородным влиянием их составляющих на вязкостно-плавкостные свойства оксидных расплавов осложнило задачу выбора оптимального компонентного состава искомой смеси. Для решения этой задачи с проведением минимального числа экспериментов применили метод последовательного симплекс-планирования, в котором за параметр оптимизации приняли температуру начала течения шлака при охлаждении расплава со скоростью 10 °С/мин [8-9]. При этом для сокращения вариантности исследуемых смесей без графита, в каждой из них сохраняли неизменным ( 20 % мае.), количество плавикового шпата. При таком содержании плавикового шпата исследовали порошковые смеси, в состав которых включали или только основной шлак ферромарганцевого производства, или только кислый шлак силико-марганца. Варьируемыми факторами избрали массовые доли цемента и силикатной
глыбы, что позволило провести симплекс планирование с применением двухмерного симплекса в виде правильного треугольника. Матрица исходного симплекса для двух переменных приведена в табл.1.
Таблица 1 - Матрица исходного двухмерного симплекса с кодовыми значениями варьируемых факторов
№ опыта Вершины симплекса Управляемые факторы Параметр оптими-
X] Х2 зации
1 Ъ! -1 -1 У!
2 Ъ2 +1 -1 у2
3 Ьз 0 +1 Уз
Переход от кодовых значений факторов к натуральным осуществляли по формуле:
Х1Н=Х1С+ А Х;'Х; (1)
где Х1Н, X - соответственно натуральные и кодовые значения факторов;
Х1С, А X, - значения факторов на основном уровне и интервал варьирования в натуральном выражении.
В качестве исходной выбрали смесь с содержанием цемента марки "400" 37 % и силикатной глыбы 13 %, которые достаточно близки к содержаниям этих компонентов в ШОС-5. Интервал варьирования для этих компонентов - 3 %. По формуле (1) нашли натуральные значения факторов, которые представлены в табл.2.
Таблица 2 - Исходный симплекс с натуральными значениями факторов в задаче определения оптимального состава ШОС на цементной основе без сиенитового концентрата при постоянном содержании плавикового шпата с включением основного шлака производства Бе-Мп
N° опыта Натуральные значения управляемых факторов Содержание основного шлака производства А
хь % Х2, % Х3, %
1 34,0 10,0 36,0
2 40,0 10,0 30,0
3 37,0 16,0 27,0
После проведения трёх опытов исходного симплекса осуществили перемещение исходного симплекса в факторном пространстве, применяя для каждого симплекса правило зеркального отображения его наихудшей точки, т.е. той вершины симплекса, которая отвечала наиболее высокому значению параметра оптимизации. Правило зеркального отображения заключается в том, что результаты трёх первых опытов сравнивали между собой и выбирали опыт (одну из вершин исходного симплекса), давший худший результат. Эту вершину заменяли новой, представляющей собой "зеркальное отображение" наихудшей вершины исходного симплекса относительно центра противоположной грани. Новая вершина вместе с оставшимися, кроме худшей, образует новый симплекс, центр тяжести которого в среднем смещается по сравнению с исходным в направлении градиента. В новой вершине снова проводили опыт, затем сопоставляли результаты экспериментов во всех вершинах нового симплекса, выявляли наихудшую точку, которую вновь заменяли зеркальным отражением относительно центра противоположной грани и т.д. Процесс отбрасывания наихудших вершин и построения новых симплексов повторялся, в результате чего образовалась цепочка симплексов, перемещающихся к экстремуму. Достигнув экстремальной точки или области вблизи нее, симплексы начинают вращаться вокруг точки экстремума, что указывает на окончание процедуры оптимизации. И в случае, когда в состав включали основной шлак ферромарганцевого производства или кислый шлак силико-марганца для достижения минимального значения температуры начала течения потребова-
лось провести еще 6 опытов и два контрольных эксперимента. Фракционный состав всех компонентов порошковых смесей отвечал требованиям ТИ 232-44-2003, применяемой на комбинате.
При указанных выше условиях минимальную температуру начала течения по результатам виб-ротермографирования показали шлаки из смесей, компонентные составы которых приведены в табл.3, а химические составы в табл.4. Химический состав каждой шлаковой смеси рассчитывали, пользуясь результатами химанализа компонентов применяемых ШОС, выполненного центральной химической лабораторией ОАО "МК "Азовсталь". Основность смесей вычисляли по методике работы [6].
Таблица 3 - Компонентный состав опытных смесей (% мае)
Шлаковая смесь Цемент марки "400" Основной шлак производства Fe-Мп Плавиковый шпат Силикатная глыба Кислый шлак производства Si-Mn
S-1 40 - 20 15,5 24,5
S-2 33,5 24,5 20 22,0 -
Таблица 4 - Расчетный химический состав опытных смесей
Шлаковая смесь Содержание в смеси, % мае
СаО Si02 А120з MgO К20+ Na20 CaF2 МпО Основность, Ca0/Si02
S-1 28,3 34,1 3,5 1,8 5,3 14,0 6,8 1,12
S-2 30,6 34,2 2,9 1,4 6,3 14,0 4,5 1,19
Как видно из табл.4, по химическому составу оптимальные смеси относительно мало отличаются одна от другой, тем не менее, небольшие различия в содержаниях СаО, МпО и оксидов щелочных металлов адекватно отразилось на значениях вязкости и форме термограмм для шлаков из этих смесей. Об этом достаточно наглядно свидетельствуют результаты их вибротермографирования, приведенные на рис. 1.
Из полученных экспериментальных данных следует, что смесь 8-2, содержащая основной шлак производства Бе-Мп, является более легкоплавкой и образует менее вязкий шлак, чем смесь 8-1 с более низкой основностью и содержащая кислый шлак силико-марганцевого производства.
Таблица 5 - Вязкостно-плавкостные характеристики, поверхностное натяжение исследуемых смесей и ПДК
Шлаковая смесь Температура начала Вязкость шлака,Па-с при температурах,°С Температура шлака, при которой вязкость Поверхностное натяжение шлака при температуре
1500 1400 1300 1200
S-1 течения 1139 0,17 0,26 0,50 1,28 равна 211а-с F 1176 Ь00°С, мНУм 245
S-2 1113 0,12 0,21 0,41 0,95 1154 236
ШОС-5 1157 0,12 0,21 0,49 1,96 1195 278
............л.....т,'
3,30
«-^'2.85 4
-80 }--
Тсмпсратура.С
■ 5
('Ло
о
4-0.95
915 ?87 1060 1132 1204 1276 1348 1421 145Э
Рис. 1- Термограммы и политермы вязкости шлака смеси 8-1 (1) и 8-2 (2) при охлаждении
Сопоставление основных вязкостно-плавкостных характеристик и поверхностного натяжения шлаков из смесей 8-1 и 8-2 , приведенных в табл.5, рассмотренными вместе с соответствующими данными для шлака известного состава ШОС-5, позволяет сделать заключение, что смесь 8-2 по всем показаниям превосходит смесь 8-1 и удовлетворяет условиям поставленной задачи. Температура её плавления и начала течения на 40-45 "С ниже, чем у шлака из ШОС-5, а вязкость при температурах жидкой стали у них одинаковая, однако ниже 1300 "С шлак из опытной смеси оказывается менее вязким, что повышает эффективность его "смазывающего" действия в нижней части кристаллизатора и снижает усилие вытягивания непрерывнолитой заготовки. Одновременно с этим опытная смесь благодаря замене сиенитового концентрата, импортируемого из России, основным шлаком производства Бе-Мп отечественного производства оказывается несколько дешевле ШОС-5, а благодаря несколько меньшему содержанию плавикового шпата при одинаковой концентрации графита - более безопасной в санитарно-экологическом отношении.
Результаты лабораторных исследований поверхностных и вязкостно-плавкостных свойств шлаков из опытной смеси 8-2 служат основанием для проведения производственных испытаний этой смеси, как более легкоплавкой, чем применяемая ШОС-5. Так как и компонентный и химический составы определялся при отсутствии в них графита, то для предварительного испытания необходимо было откорректировать состав в промышленном варианте введением 10 % (по массе) аморфного графита, т.е. столько, сколько его содержится в смеси ШОС-5. Пробные испытания позволят уточнить содержание графита и затем откорректировать состав смеси. Компонентный состав опытной смеси с графитом для проведения её предварительных испытаний в условиях производства представлен в табл.6.
Таблица 6 - Компонентный состав опытной смеси с графитом (% мае)
Шлаковая смесь Цемент марки "400 Основной шлак производства Бе-Мп Плавиковый шпат Силикатная глыба Аморфный графит
8-1 30 22 18 20 10
Качество приготовленной смеси оценивается прежде всего по химическому составу, в котором содержание основных компонентов, серы и влаги не должно выходить за пределы, указанные в табл. 5 и обусловленные главным образом непостоянством состава исходных материалов.
Таблица 5 - Химический состав опытной ШОС
Массовая доля в смеси, % мае Основность, Ca0/Si02
Si02 СаО А120з не более МпО К20+ Na20 F С S Н20
Не более
30-35 32-38 4 4-8 4-7 5-8 7-10 1 0,5 0,9-1,3
Шлакообразующая смесь S-2 защищена авторским свидетельством [10].
Выводы
На основе результатов проведенных исследований поверхностных и вязкостно-плавкостных свойств защитных смесей на основе цемента и анализа литературных данных разработан состав ШОС без сиенитового концентрата с пониженной температурой плавления. Предложенная смесь с добавлением основного шлака производства Fe-Mn, которая показала наилучшие результаты по температуре плавления, вязкости и поверхностному натяжению более экономична, поскольку позволяет отказаться от импортируемого из России сиенитового концентрата, а благодаря несколько меньшему содержанию плавикового шпата более безопасной в санитарно-экологическом отношении. Данную смесь предлагается использовать при разливке малоуглеродистых и низколегированных марок стали вместо применяемой на ОАО "МК"Азовсталь" ШОС-5.
Перечень ссылок
1. Коновалов Ю.В. Пути стабилизации и дальнейшего развития чёрной металлургии Украины / Ю. В. Коновалов,, A.A. Минаев //Металл и литьё Украины. - 1997. - №10. - С. 16 - 17.
2. Евтеева В.Ф. Применение порошкообразных шлакообразующих смесей при разливке стали на МНЛЗ/ В.Ф. ЕвтееваМ.: Информсталь/ин-т. "Черметинформация", 1984,- 22 с.
3. Дмитриев A.M. Исследование кинетики плавления в кристаллизаторе МНЛЗ шлакообразующих смесей с различными углеродсодержащими материалами / A.M. Дмитриев, H.H. Фентисов, O.A. Белякова //Металл и литьё Украины. - 2001. - №1-2. - С.17 - 20.
4. Лейтес A.B. Защита стали в процессе непрерывной разливки/ЛЯ Лейтес,- М.: Металлургия, 1984,- 199 с.
5. Систематизация критериев комплексной оценки качества непрерывнолитой сортовой заготовки/ А.Н.Смирнов,В.В. Несвет,А.Я. Глазков, И.П. Коваленко,В.В. Зуб // Металл и литьё Украины. -2001,- №7-9.-С.32-36.
6. Харлашин П. С. Исследование поверхностных и вязкостно-плавкостных свойств шлакообразующих смесей на основе цемента, используемых при непрерывной разливке стали/ П. С. Харлашин, Т.А Левицкая //Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36.наук, пр.- Mapiyno.ib - Вип. №15,- 2005,-С. 56-58.
7. Харлашин П. С. Применение численных методов для расчёта на ЭВМ плотности и поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов при высоких температурах / П. С. Харлашин, Т.А Левицкая// Известия вузов. Черная металлургия. - 2006. - №2. - С.З - 6.
8. Харлашин П. С. Определение оптимального состава шлакообразующей смеси с использованием метода последоватьельного симплекс-планирования II П. С. Харлашин, Левицкая Т.А.// Сб. трудов межд. научно-практической конференции «Развитие научных достижений '2005». - Полтава: 2005,- Т.8 - С. 88-89
9. Новик Ф.С. Планирование эксперимента на симплексе при изучении металлических систем/ С. Ф. Новик,- М.: Металлургия, 1985,- 255 с.
10. U 200509151 Украша, МПК B22D 11/00, С21С 5/54 Низькоплавка шлакоутворююча сум im для безупинного розливання сталг
Статья поступила 20.02.2006
