Алексеенко А.А., Байбекова Е.В., Кузнецов С.Н. Влияние некоторых технологических факторов на разливаемость раскисленной алюминием стали на сортовой МНЛЗ
Подождите немного. Документ загружается.
Электрометаллургия. 2007, № 2 1
Влияние некоторых технологических
факторов на разливаемость раскисленной
алюминием стали на сортовой МНЛЗ
А.А. Алексеенко, Е.В. Байбекова, С.Н. Кузнецов, Б.Я. Балдаев,
А.Г. Пономаренко, Д.А. Пономаренко
ООО Ласмет, ОАО Северсталь, ООО ИБМТ
Известно, что для успешной непрерывной разливки стали,
раскисленной алюминием, необходимым условием является низкое
содержание в металле твердых продуктов раскисления или вторичного
окисления, поскольку последние служат источником отложений в каналах
разливочных стаканов. Образование отложений приводит к нарушению
стабильности процесса, и, как следствие, к ухудшению качества заготовок и
снижению выхода годного.
На загрязненность жидкого металла твердыми включениями, как
известно, оказывает влияние множество факторов:
окисленность металла и шлака после выпуска;
режимы внепечной обработки, в т. ч. раскисления и модифицирования;
интенсивность вторичного окисления на всех стадиях обработки и
разливки;
организация потоков металла в промежуточном ковше, тип покровного
шлака;
тип используемых разливочных стаканов и т.д.
Из перечисленных факторов вторичное окисление является одним из
наиболее значимых и, одновременно, наименее контролируемым, поскольку
не подлежит прямому измерению. Интенсивность вторичного окисления на
конкретной плавке можно оценить лишь после ее завершения, по косвенным
признакам, таким как: изменение по ходу обработки и разливки количества
общего кислорода, прирост азота на разливке, присутствие в пробах металла
Электрометаллургия. 2007, № 2 2
оксидных включений, содержащих элементы с относительно невысоким
сродством к кислороду.
Еще один слабо контролируемый фактор – эффективность
модифицирования корундовых включений кальцием при использовании
порошковой проволоки с лигатурой, не содержащей кремний (например,
FeCa). Вместе с тем использование бескремниевой лигатуры – единственно
возможный вариант при выплавке низкокремнистой стали.
В совокупности повышенное вторичное окисление и пониженное
усвоение кальция могут оказывать крайне негативное влияние на
разливаемость стали на сортовой МНЛЗ, даже при соблюдении всех
формальных параметров технологии внепечной обработки и разливки.
Цель настоящей работы состояла в исследовании изменения
загрязненности металла неметаллическими включениями, вторичного
окисления при внепечной обработке и разливке на сортовой МНЛЗ ЭСПЦ
ОАО Северсталь, а также влияния различных вариантов технологии на
эффективность модифицирования включений кальцием и разливаемость
стали типа 10КБ и 20Г2Р.
Провели четыре опытных плавки стали 10КБ и 20Г2Р, на которых из
стальковша и промежуточного ковша отбирали по ходу обработки и
разливки дополнительные пробы металла для анализа содержащихся в нем
неметаллических включений.
После выпуска из шахтной дуговой сталеплавильной печи металл
обрабатывался на вакууматоре камерного типа, затем на установке ковш-
печь. Отличие обработки стали 10КБ и 20Г2Р состояло в раскислении и
легировании (табл. 1).
Для отбора проб на неметаллические включения использовали
стандартные пробоотборники (типа «таблетка» или «чупа-чупс»). С целью
фиксирования включений в том состоянии, в котором они находились в
жидком металле, пробы закаливали в воде.
Электрометаллургия. 2007, № 2 3
На оптическом микроскопе «Neophot-32» подсчитывали количество
включений разных типов при увеличении 250 на площади шлифа не менее
1см
2
. Количественный состав неметаллических включений определяли с
помощью электронно-зондового микроанализатора «MS-46» фирмы
«КАМЕКА»*.
На опытных плавках обеих марок количество включений размером
более 4 мкм на единицу поверхности микрошлифа было примерно
одинаковым и небольшим – от 4 до 15 ед./см
2
(рис. 1, 2). Чистота металла
объясняется его предварительным вакуум-углеродным раскислением. Однако
по составу включения в пробах 10КБ и 20Г2Р значительно отличались.
Так до ввода алюминиевой катанки в стали 10КБ присутствовали
включения близкие по составу к шлаку и с повышенным содержанием
марганца (рис. 3, табл. 2). В стали 20Г2Р в этот период преобладали
алюминаты кальция (рис. 4, табл. 2).
Основным фактором, обусловившим эти отличия, послужил разный
уровень окисленности металла и содержания в нем алюминия (табл. 3).
Особого внимания заслуживает факт присутствия жидких алюминатов
кальция в пробах стали 20Г2Р, отобранных до модифицирования кальцием,
(рис. 5, табл. 2).
Этот феномен можно объяснить совокупностью факторов,
действовавших при раскислении стали 20Г2Р в вакууматоре:
1) низкая окисленность металла и шлака;
2) высокое содержание в шлаке CaO (55 – 57 %);
3) интенсивное перемешивание шлака с металлом.
Термодинамические расчеты показали, что в этих условиях, при
достаточно глубоком раскислении шлака [состав, % (масс.): 57 CaO, 25 SiO
2
,
6 Al
2
O
3
, 8 MgO, н. б. 0,2 FeO] равновесная со шлаком концентрация кальция
в металле могла превышать 0,0012 % (рис. 6).
__________________________________________________________________
* - Исследования проводил В. Д. Поволоцкий, ОАО НИИМ
Электрометаллургия. 2007, № 2 4
Для расчетов использовали собственную программу «Шлак – металл».
Модель, заложенная в основу программы, определяет активности
компонентов в шлаке по теории коллективизированных электронов
А.Г. Пономаренко, в металле – по Вагнеру.
Далее, также расчетным путем, проследили за трансформацией
эмульгированных (в ходе активного перемешивания в вакууматоре)
шлаковых капель. Для этого использовали программу «Неметаллические
включения» [2]. В основе программы лежит модель перераспределения
элементов между металлом и неметаллическими фазами разных типов в
направлении движения от исходного состояния (в рассматриваемом случае –
попадания в объем металла капель шлака) к равновесному.
Пример термодинамического моделирования трансформации частиц
шлака, эмульгированных в сталь 20Г2Р (состав, % :0,2 С; 0,2 Si; 0,9 Mn; 0,015
Al, 0,002 Ca; Т = 1600
о
С) показан на рис. 7.
Составы неметаллических включений, полученные моделированием
их трансформации при обработке в вакууматоре плавок III и IV, хорошо
согласуется с фактическими (табл. 4), что подтверждает достоверность и не
случайный характер экспериментальных результатов.
Достаточно высокое содержание кальция в алюминатах,
образовавшихся после вакуумирования стали 20Г2Р, оказалось решающим
фактором, повлиявшим на итоговый состав и, соответственно, агрегатное
состояние алюминатов перед отправкой металла на разливку. Ввод FeCa
проволоки послужил лишь дополнительной «подпиткой» кальцием:
содержание CaO в алюминатах увеличилось с 30-50 до 40-60 %, т.е.
увеличение составило всего около 10 % абсолютных (табл. 2, рис. 4).
В стали 10КБ, в отличие от 20Г2Р, перед модифицированием
присутствовали твердые алюминаты кальция (% CaO = 15-20). Ввод FeCa
проволоки (в таком же количестве – 0,2 кг кальция на 1 т) на одной из плавок
оказался не достаточным для увеличения содержания CaO в алюминатах до
требуемого уровня. По-видимому, именно это обстоятельство повлияло
Электрометаллургия. 2007, № 2 5
решающим образом на исход разливки. Одна плавка 10КБ разлилась
полностью, вторая – нет (% CaO после модифицирования: 40-50 и 10-20,
соответственно).
Как уже было отмечено ранее, помимо оксидных включений основного
типа: алюминатов кальция и включений, близких по составу к шлаку (до
раскисления алюминием в ст. 10КБ), в пробах всех плавок присутствовали
неметаллические включения с повышенным содержанием марганца (табл. 2,
рис. 3, 4).
Подобные включения, содержащие элементы с пониженным сродством
к кислороду, как известно, могут встречаться в раскисленной алюминием
стали [3]. Во-первых, их образование возможно при вводе соответствующих
ферросплавов в еще нераскисленный металл (при дальнейшей обработке эти
первичные включения удаляются). Во-вторых, такие включения могут
образовываться в ходе вторичного окисления металла по ходу обработки и
разливки [3].
Можно видеть, что количество неметаллических включений с
повышенным содержанием марганца, так же как и «шлаковых» включений,
наиболее велико в пробах, отобранных на установке ковш-печь (рис. 3, 4),
особенно в начальный период – в течение интенсивного перемешивания
металла (сопутствующего нагреву и вводу шлакообразующих и
ферросплавов). Марганецсодержащие включения, как было отмечено выше,
могли образоваться при вводе ферро- и силикомарганца, а также в результате
окисления открытого зеркала металла.
Соотношение между количеством марганецсодержащих и «шлаковых»
включений в пробах ст. 10КБ, отобранных на разных плавках, заметно
отличалось. Можно видеть (рис. 3), что на плавке I преобладали «шлаковые»
включения, а на плавке II – включения с повышенным содержанием
марганца.
Это отличие можно объяснить двумя причинами: разной
окисленностью металла перед вводом марганецсодержащих ферросплавов
Электрометаллургия. 2007, № 2 6
(табл. 3), а также разной исходной жидкоподвижностью шлака на этих
плавках.
Плавку I подали с вакууматора на ковш-печь без задержки, с
жидкоподвижным шлаком, частички которого в результате интенсивного
перемешивания аргоном эмульгировались в металл и фиксировались в
отобранных пробах.
В отличие от этого, плавка II поступила спустя 1 час после обработки
на вакууматоре. За это время шлак загустел и покрылся коркой. При
перемешивании металла аргоном шлак эмульгировался в меньшей степени,
чем на плавке I, но, в результате прорыва корки шлака металл интенсивнее
окислялся атмосферой.
Наименьшее количество включений от вторичного окисления
зафиксировано в пробах плавки IV (ст. 20Г2Р): 2 ед./см
2
(включения с
повышенным марганцем) в пробе перед вводом Al катанки и 1 ед./см
2
(включение с повышенным титаном) в пробе из промежуточного ковша (рис.
4).
Таким образом, в результате проведенного исследования было
установлено следующее:
- Количество неметаллических включений в течение внепечной
обработки и непрерывной разливки стали типа 10КБ и 20Г2Р на
сортовой МНЛЗ ЭСПЦ ОАО Северсталь мало. Чистота металла
обеспечивается предварительным вакуум-углеродным раскислением и
достаточно надежной защитой от вторичного окисления.
- Сочетание высокой основности шлака, раскисления металла и шлака
алюминием, а также активного перемешивания при вакуумировании
позволяет обеспечить благоприятный тип включений – жидкие
алюминаты кальция, что способствует обеспечению
удовлетворительной разливаемости металла.
- Неметаллические включения от вторичного окисления, также как и
«шлаковые» включения, встречаются преимущественно в пробах,
Электрометаллургия. 2007, № 2 7
отобранных в начальный период обработки на установке ковш-печь.
При соблюдении требований технологии, касающихся ограничения
вторичного окисления после ввода алюминиевой катанки и, в
особенности, в ходе разливки, включения этого типа встречаются
единично.
Полученные результаты учтены при разработке технологии
производства стали марки 20Г2Р, позволяющей разливать в серию до 8
плавок с макроструктурой, отвечающей требованиям нормативной
документации.
Исследовательские работы по дальнейшему освоению технологии
внепечной обработки и непрерывной разливки на сортовой МНЛЗ ОАО
Северсталь низкокремнистой стали с регламентированным содержанием
алюминия продолжаются.
Список использованных источников
1. Линденберг Х.-У.,Форверк Х. Влияние атмосферного окисления на
чистоту стали. В кн. Чистая сталь. Сб. научн. тр. Пер. с англ. под ред.
А.Г. Шалимова. М.: Металлургия. 1987. с. 176-188.
2. Алексеенко А.А., Довгонюк С.В., Алексеенко Д.А. Пакет прикладных
программ для расчета образования неметаллических включений в
жидком металле при его раскислении, охлаждении и кристаллизации//
Современные проблемы электрометаллургии стали: Материалы XII
Международной конференции. – Челябинск. Изд-во ЮУрГУ. 2004 г.
206 с.
3. Михайлов Г.Г., Поволоцкий Д.Я. Термодинамика раскисления стали. –
М.: Металлургия, 1993. – 144 с.
Электрометаллургия. 2007, № 2 8
Таблица 1.
Варианты раскисления и легирования на опытных плавках
Марка
На выпуске
На шлак
В вакууматоре
На установке
ковш-печь
10КБ
-
-
-
- CaO, CaF
2
, SiC;
- доводка по хим.
составу;
- Al катанка;
- FeCa проволока
20Г2Р
FeMn, FeSi, SiC
CaO, CaF
2
Al в слитках
- SiC;
- доводка по хим.
составу;
- Al катанка;
- FeTi;
- FeCa проволока
Электрометаллургия. 2007, № 2 9
Таблица 2.
Состав включений в пробах стали 10КБ и 20Г2Р, масс. % *
Марка
Момент отбора пробы
После
вакууматора
На установке ковш-печь
Из
промковша
От НЛЗ
До ввода Al
катанки
После ввода Al
катанки
(и FeTi)
После ввода
FeCa
проволоки
10КБ
1) 30-55 SiO
2
35-55 CaO
5-10 MgO
0- 6 Al
2
O
3
1) 40-60 SiO
2
40-60 CaO
1 – 2 MgO
1 – 2 Al
2
O
3
1) 70-80 Al
2
O
3
15-20 CaO
1 – 2 MgO
1) 45-90 Al
2
O
3
10-50 CaO
1– 2 MgO
1) 80-90 Al
2
O
3
10-20 CaO
1)50 -
70Al
2
O
3
30 - 50 CaO
2) 30-40 MnO
20-30 SiO
2
25-35 Al
2
O
3
2) 15-20 MnO
40-30 SiO
2
40-50 Al
2
O
3
2) 10-15 MnO
35-40 SiO
2
40-45 Al
2
O
3
2) 100
Al
2
O
3
1) 20-30 MnO
20-40 SiO
2
20-30 CaO
3 – 5 Al
2
O
3
3) 50-65 CaO
20-30 Al
2
O
3
10-20 SiO
2
1 – 2 MgO
3) 60-65 CaO
8 -10 Al
2
O
3
25-30 SiO
2
1 – 2 MgO
20Г2Р
1)30-60Al
2
O
3
40-60 CaO
2- 5 MgO
1) 40-60
Al
2
O
3
30-50 CaO
1– 5 MgO
1) 40-70 Al
2
O
3
30-50 CaO
1– 5 MgO
1) 35-45 Al
2
O
3
40-60 CaO
5 – 10 MgO
1) 40-60 Al
2
O
3
40-60 CaO
2 – 4 MgO
1) 40-50
Al
2
O
3
50-60 CaO
1 – 3 MgO
2)30-40 MnO
30-40 SiO
2
5-10 CaO
15-20 Al
2
O
3
2) 30-50 MnO
30-40 SiO
2
3 - 7 CaO
15-20
Al
2
O
3
2) 40-50 MnO
20-30 SiO
2
5 - 10 CaO
5 - 10 Al
2
O
3
2) 40-50
Ti
2
O
3
30-40 SiO
2
3 – 5 CaO
15-20 Al
2
O
3
* 1 – состав включений основного типа; 2, 3 – состав включений, встречающихся
реже и единично.
Электрометаллургия. 2007, № 2 10
Таблица 3.
Активность кислорода (замер) и содержание алюминия в пробах, отобранных
на установке ковш-печь, перед вводом алюминиевой катанки
Марка
№ плавки
a
[O],
ppm
Al
общ
, %
10КБ
I
14
0,002
II
49
-
20Г2Р
III
4,5
0,010
0,007
IV
5,8
0,019
0,017