Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 321

практике установлено, что при использовании золы рисовой ше-

лухи потери тепла в промковше сокращаются в 2-3 раза в сравне-

нии с использованием синтетических шлакообразующих смесей.

Для обеспечения максимального ассимилирующего эффек-

та на ряде металлургических заводов Германии и Японии исполь-

зуется комбинированное защитное покрытие типа «сэндвич». С

этой целью поверхность металла в промковше

сначала покрыва-

ют гранулированным материалом на основе чистого магнезита, а

поверх него насыпают слой обожженной рисовой шелухи, кото-

рая выполняет функцию теплоизоляции. Как показывает практи-

ка, такое защитное покрытие обеспечивает максимальную эффек-

тивность рафинирования стали от неметаллических включений.

Вместе с тем, учитывая высокую стоимость такого комбиниро-

ванного покрытия, его, видимо,

следует рекомендовать при раз-

ливке высококачественных марок стали.

Величина температуры стали в промковше влияет на про-

изводительность МНЛЗ и качество получаемых заготовок. При

малом перегреве возможно «замораживание» и преждевременное

прекращение разливки. При высокой температуре приходится

снижать скорость разливки во избежание прорыва корочки слит-

ка, что приводит к снижению выхода годного металла

. Каждой

марке стали обычно соответствует некоторый оптимальный диа-

пазон температур перегрева над температурой ликвидус, при ко-

торых достигается самая высокая производительность МНЛЗ и

наилучшее качество продукции.

Определение температуры ликвидус обычно осуществля-

ется по эмпирическим формулам в виде полиномных выражений

с использованием данных о химическом составе стали [309-311]:

[

]

{

}

,)(

∑

×+−= iaaTT

плавFel

(4.1)

322 Металлургические мини-заводы

где T

плавFe

- температура плавления чистого железа (в соот-

ветствии с большей частью рекомендаций T

плавFe

=1539 °С); a

–

коэффициент приведения температуры плавления чистого железа

(вводится в случае принятия значения температуры плавления

железа, отличного от приведенного выше); a

- коэффициент зна-

чимости для соответствующего i–того элемента, содержащегося в

стали данной марки; [i] - содержание элемента i в данной марке

стали в процентах.

В качестве основы выражений такого типа принята гипоте-

за о том, что каждый из химических элементов влияет на сниже-

ние температуры ликвидус железа независимо один от

другого.

Поэтому эти выражения различаются только тем, каким образом

аппроксимируется линия ликвидус в бинарной диаграмме

(табл.4.1).

Вместе с тем, расчет температур ликвидус для различных

марок стали невозможно провести с помощью только одной

«универсальной» формулы [308 - 310]. В соответствии с выпол-

ненными статистическими исследованиями, проведенными авто-

рами на основании практических данных, рекомендации по

ис-

пользованию этих зависимостей даны в табл.4.2.

Значительный перепад температуры металла по высоте

сталеразливочного ковша определяет характер изменения темпе-

ратуры металла в промежуточной емкости уже после слива пер-

вых порций металла [312]. Эти первые порции обычно имеют са-

мую низкую температуру, поскольку они наиболее охлаждены у

стенок и днища сталеразливочного ковша

и промежуточной ем-

кости. Обычно через 15 - 25 минут после слива первых порций

температура металла в промежуточной емкости постепенно по-

вышается на 10 - 15 градусов, затем в течение 30 - 40 мин. она ос-

тается практически постоянной и лишь в конце разливки она

опять изменяется в меньшую сторону на 5 - 10 градусов [313,

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 323

314]. Вместе с тем, для больших сталеразливочных ковшей отме-

чается снижение температуры по ходу разливки.

Таблица 4.1. Коэффициенты а

и а

, характеризующие

степень влияния содержащихся в стали химических

элементов на снижение температуры ликвидус

Коэффициент а

Вариан

аппрок-

сима-

ции

Коэф-

фици-

ент

,°С

C Si Mn S P Cr Ni Al Mo V

1 3 7 7,6 4,9 38 34 1,3 3,1 3,6 — —

2 3 78 7,6 4,9 30 34 1,3 3,1 3,6 2,0 2,0

3 0 67 7,8 5,0 25 30 1,5 4,0 — 2,0 2,0

4 5 80 14,0 4,0 35 35 35 1,4 2,6 3,4 1,2

5 1 55/80 13,0 4,8 30 30 1,5 4,3 — — —

6 0 65 8,0 5,0 25 30 1,5 — 2,0

(

С<1,0

)

70 8,0 5,0 25 30 1,5 4,0 — 2,0 2,0

(

С>1,0

)

7 5 64 14,3 4,8 37 32 1,0 4,7 — 2,6 —

* Прочерк – нет данных о коэффициенте значимости конкретного элемента

приведенном литературном источнике. В скобках указано содержание (%

)

данного химического элемента в стали, при котором рекомендуется использо

вать приведенное значение коэффициента значимости.

Недостаточно нагретый металл является причиной появле-

ния на зеркале металла в кристаллизаторе плавающей корки,

приводящей к образованию на поверхности заготовки заворотов,

плен, поясов, местных скоплений шлаковых включений из-за

ухудшения условий их всплывания, приводит к прихватыванию

стопора к седлу стакана в промковше, образованию настылей в

канале стакана-дозатора и т.

п. Из-за прожигания кислородом ка-

нала стакана-дозатора резко ухудшается организация струи, об-

рызгиваются металлом стенки кристаллизатора, загрязняется

324 Металлургические мини-заводы

сталь из-за попадания продуктов окисления в металл. Перегретый

же металл является одной из основных причин развития дефектов

усадочного характера и повышенной эрозии огнеупоров.

Таблица 4.2. Рекомендуемые формулы для расчета темпе-

ратуры ликвидус в зависимости от химического со-

става стали

Группа сталей в соответствии с хими-

ческим составом

Вариант аппрок-

симации (табл. 3.1)

Стали с ультранизким содержанием уг-

лерода (техническое железо)

Низкоуглеродистые стали 4, 7

Среднеуглеродистые стали 5, 7

Высокоуглеродистые стали 1, 2, 7

Низко- и среднеуглеродистые низколе-

гированные стали

5, 7

Среднелегированные стали 7

Низкоуглеродистые высоколегирован-

ные стали с повышенным содержанием:

марганца 1, 2, 4

никеля 6

хрома 3, 4, 6, 7

хрома и марганца 1, 2, 6

хрома и никеля 3, 5, 6, 7

хрома, никеля и марганца 3, 5, 6

Специальные хромоникелевые сплавы 1, 2, 3, 5

Таким образом, правильно выбранный стабильный темпе-

ратурный режим является одним из основных параметров про-

цесса непрерывной разливки стали. Принято считать, что опти-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 325

мальная температура металла в промковше должна превышать

температуру ликвидус на 25-30 °С. Для этого в процессе разливки

поддерживают температуру металла в промковше на заданном

уровне.

Наряду с различными вариантами снижения потерь тепла

металла, находящегося в промковше, известны способы их ком-

пенсации. Наиболее часто для подогрева металла в промковше

используют плазменный факел [315, 316]. В

результате такого

подогрева достигается усреднение и стабилизация температуры в

течение всей разливки, что улучшает качество металла и увели-

чивает выход годного.

Так, компанией «Nucor Steel» проведена модернизация

промковша, одним из элементов которой стало изучение и орга-

низация регулирования перегрева стали при непрерывной раз-

ливке. Показано, что колебания температуры в промковше можно

несколько уменьшить за счет тщательного подбора огнеупоров, а

также строгого соблюдения режимов технологических операций

(при подогреве сталеразливочного и промежуточного ковшей,

обработке в агрегате «ковш–печь», соблюдении скорости разлив-

ки, уровня стали в промковше, условий смены сталеразливочных

ковшей). Однако полностью исключить колебания температуры

практически невозможно.

В 1992 г. на заводе «Nucor Steel» в

Норфолке была смонти-

рована система плазменного подогрева стали в промковше. С ус-

тановкой плазменной горелки повышена точность регулирования

температуры (отклонение от заданной температуры уменьшено с

10 °С до 5 °С). Более узкий допуск на температуру способствовал

улучшению показателей процесса разливки и повышению каче-

ства литой заготовки. Снижение температуры перегрева позволи-

326 Металлургические мини-заводы

ло повысить на 10 – 15 % среднюю скорость разливки и снизить

тем самым длительность разливки в среднем на 4 минуты.

Одним из основных положительных результатов внедрения

подогрева стали в промковше стала успешная разливка холодных

плавок. В течение первого года эксплуатации системы плазмен-

ного подогрева с ее помощью удалось разлить 20 холодных пла-

вок.

В 1994 г. общие

затраты на эксплуатацию и обслуживание

системы составили 1326215 $ США. При этом масса стали, раз-

литой с применением плазменного подогрева, составила 372576

т. Следовательно, суммарные удельные затраты на систему на-

грева составили 0,365 $ США. Коэффициент использования

плазменной системы за 1994 г. превысил 92 % и непрерывно по-

вышался при снижении температуры перегрева.

Согласно общим оценкам, достигнутое снижение

темпера-

туры перегрева в среднем на 10°С дало компании «Nucor Steel» в

1994 г. экономию 1889415 $ США (за счет снижения затрат на

электроэнергию, огнеупоры и графитовые электроды для агрегата

ковш - печь).

Компания «Nippon Steel» разработала и успешно внедрила

у себя плазменную горячеэлектродную горелку одинарного типа

«NS-Plasma I» [316]. Для МНЛЗ с производительностью менее 3 т

жидкой

стали в минуту достаточный нагрев может быть получен

за счет установки одной горелки. Прирост температуры жидкой

стали при использвовании горелок этого типа составляет 10 °С.

«Nippon Steel» оптимизировала количество и положение погру-

жаемых в промковш анодов, а также управление магнитным по-

лем, стабилизировав тем самым систему и устранив изгиб дуги.

Температура огнеупоров

в камере нагрева повышается за счет

радиационного нагрева от плазменной дуги. Для того чтобы ог-

неупоры не разрушались, компания выполнила температурное

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 327

рования движения конвективных

потоков.

моделирование и нашла оптимальное расстояние между ними и

дугой.

Основные показатели системы плазменного подогрева сле-

дующие:

- максимальный электрический ток 7000 А;

- напряжение 100-120 В;

- расход плазменного газа 8-20 нм

/ч;

- расход уплотнительного газа 50 нм

/ч;

- длина плазменной дуги 400 мм.

Таким образом, на основании приведенных данных можно

предположить, что подогрев стали в промковше является

высокоэффективной технологической операцией, которая

способствует стабилизации работы МНЛЗ в целом и сокращению

текущих расходов. Вместе с тем нельзя не отметить, что

использование дополнительного подогрева должно быть

совмещено с мероприятиями по усовершенствованию

конструкции промковша в части усреднения металла по

температуре и регламенти

В последние 10-15 лет полностью оформилась тенденция

обработки стали в промковше порошковыми проволоками [315].

Обычно, таким образом, в сталь вводят алюминий, титан, каль-

ций и пр. С точки зрения эффективности воздействия на металл

такая обработка представляется достаточно перспективным тех-

нологическим приемом, поскольку воздействие на металл оказы-

вается непосредственно перед его попаданием в кристаллизатор

Технология обработки стали порошковой проволокой в промежу-

точном ковше имеет определенные отличия от аналогичного ва-

рианта технологии для сталеразливочного ковша. Это, в первую

328 Металлургические мини-заводы

очередь, следует отнести к специфике разливки металла на

МНЛЗ:

• небольшая глубина металла в промковше в сравнении со

сталеразливочным ковшом;

• ограниченное время пребывания стали в промковше, что

лимитирует условия обработки и степень усвоения вводи-

мого материала;

• проточный характер движения стали в промковше с явно

выраженными зонами конвективных течений и

застойными

зонами;

• непрерывность процесса нахождения металла в промковше

в течение 10-15 часов и более.

В соответствии с вышеизложенным, для реализации техно-

логии введения проволоки в промковш необходимо иметь реко-

мендации по оптимальному диаметру проволоки, толщине сталь-

ной оболочки и скорости ее ввода в металл.

Проведенные многочисленные исследования позволили

установить, что

существует оптимальный интервал скорости вво-

да порошковых проволок в зону стопора промковша (0,3–0,8 м/с).

При скорости ввода порошковой проволоки, лежащей в указан-

ном интервале, не наблюдается пироэффекта и газо- пылевыде-

лений, а также не снижается качество поверхности непрерывно-

литой заготовки [316, 318-319].

Дальнейшее повышение чистоты непосредственно в про-

цессе непрерывной разливки, видимо, может

быть достигнуто

при применении методов вакуумной обработки стали в промков-

ше. В этом случае достигается уменьшение скорости зарастания

погружных стаканов оксидами, а необходимость рафинирующей

продувки стали аргоном через стопор-моноблок или шиберный

затвор отпадает. Концептуально метод порционного вакуумиро-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 329

вания стали в промковше, разработанный фирмой «British Steel»,

позволяет в определенной степени обеспечивать рафинирование

металла, а также регулировать расход вытекающей стали путем

изменения ее уровня в специальной камере промковша, перекры-

ваемой стопором-моноблоком.

Одним из крайне важных элементов, обеспечивающих эф-

фективное функционирование промковша, является футеровка

его стен и днища. При эксплуатации футеровки

промковша про-

исходит ее длительный контакт с металлом в течение всей раз-

ливки. В настоящее время эта длительность может составить 17 -

18 часов и более при разливке стали длинными сериями.

Характерной особенностью работы промковша является

удаление слоя футеровки, контактирующего с металлом, вместе с

остатком металла и настылей после завершения каждой разливки.

Соответственно

, для подготовки промковша к эксплуатации вся-

кий раз требуется изготовление нового слоя футеровки, контак-

тирующего с металлом. Современный способ подготовки пром-

ковшей к эксплуатации предполагает нанесение специального

торкрет–покрытия на рабочий слой футеровки [318, 320, 321].

Обычно в качестве торкрет-массы используется смесь на основе

магнезита (MgO ≈ 88%; SiO

: < 5,0%; Fe

: < 1,5%; Al

: <

1,50%), в которой также имеются специальные добавки, обеспе-

чивающие повышенные механические и теплоизоляционные

свойства. Гранулометрический состав такой смеси колеблется в

пределах 0,1-1,0 мм.

Торкрет-покрытие промежуточных ковшей обеспечивает

следующие эффекты:

• защиту от износа рабочего слоя футеровки и ее многократ-

ное использование, что сокращает расход огнеупоров;

330 Металлургические мини-заводы

• обеспечение заданной чистоты стали по неметаллическим

включениям за счет исключения контакта стали с огнеупо-

рами, содержащими оксиды алюминия и кремния;

• уменьшение потерь тепла металлом в промковше в силу

специфики структуры торкрет-материала (при прогреве

промковша нанесенный слой приобретает пористую струк-

туру, за счет выгорания некоторых составляющих);

• беспрепятственное удаление

остатков защитного покрытия

после окончания разливки и охлаждения промковша и,

следовательно, возможность быстрого оборота промков-

шей.

Требуемая эксплуатационная стойкость покрытия проме-

жуточного ковша при разливке длинными сериями достигается

посредством выбора соответствующей толщины покрытия и оп-

ределенной технологии его подготовки к работе.

Торкрет-массы для промковшей по своим свойствам долж-

ны

удовлетворять специфическим требованиям, определяемым

условиями нанесения и эксплуатации покрытия: обеспечивать от-

сутствие сползания при нанесении покрытия нужной толщины;

обеспечивать достаточную прочность, чтобы покрытие не осыпа-

лось при транспортировке ковша и разогреве до 1100 °С при под-

готовке к разливке. Для облегчения очистки промковша после

разливки материалы покрытий должны предотвращать проник-

новение стали

в огнеупорный слой, образовывая лишь тонкий

слой из окалины, а также они не должны полностью спекаться и

прилипать к рабочей многоразовой футеровке.

Нанесение покрытия обычно осуществляют с помощью

специальной торкрет-машины, принцип действия которой пред-

полагает перемешивание сухой массы с водой в специальном

бункере и подачу подготовленной массы в торкрет-

форсунку.