CC BY
85
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
USE OF VARIOUS SLAG FORMING MIXTURES IN LONG PRODUCTS CASTER TUNDISHES
Sergey Didovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: mchm@magtu.ru
Aleksander Stolyarov - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: mchm@magtu.ru
Dmitry Yurechko - Ph. D. (Eng.), Leading Specialist DKK "Magnitogorsk Iron & Steel Works".
Abstract. The report shows specifications and description of the equipment of a long products caster, open and closed types of casting, test results regarding slag forming mixtures of various composition used in long products caster tundishes. Likewise, the report shows studies of the influence of mixture composition on their adaptability to use and the presence of non-metallic inclusions in cast product.
Keywords: caster, long products type, tundish, slag forming mixture, composition, application, billet, quality.
УДК 621.746.628.001.57
Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Коротин А.В.
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ И ШЛАКОВ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Аннотация. В работе представлены результаты исследования физико-химических свойств шлака непрерывной разливки и шлакообразующих смесей для кристаллизатора и промежуточного ковша, в частности вязкость и плотность расплавов. Также отображено распределение основных элементов в расплаве, участвующих в формировании шлака. При помощи материального баланса определен примерный состав неметаллических включений.
Ключевые слова: непрерывная разливка стали, шлак, шлакообразующие смеси, промежуточный ковш, кристаллизатор.
Развитие непрерывной разливки стали происходит в направлении постоянного усложнения её технологии. При этом важная роль принадлежит использованию шлакообразующих смесей (ШОС) для защиты поверхности жидкого металла от охлаждения и окисления. Составы ШОС непрерывно совершенствуются с учетом сортамента металла, конструкции МНЛЗ и других факторов. Для получения эффективных составов смесей, прежде всего, необходимо изучение физико-химических свойств ШОС и шлаков, образующихся при их расплавлении.
Исследование проводили на стадии отработки технологии непрерывной разливки низколегированной трубной стали повышенной прочности в ОАО «ММК». Исследовали наиболее значимые в технологическом отношении физико-химические свойства (температуру ликвидуса, вязкость, плотность и поверхностное натяжение) расплавов шлакообразующих смесей и шлаков, формирующихся при их введении в промежуточный ковш (ПК) и кристаллизатор слябо-вой машины непрерывного литья заготовок. Химиче-
© Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Коротин А.В., 2015
ский состав исследованных шлакообразующих смесей и шлаков приведен в таблице.
Химический состав и температура ликвидуса (tu) шлакообразующих смесей и шлаков
Объект Содержание, масс. % U °С
исследования CaO SiO2 AhO3 MgO Na2O F MnO FeO
ШОС для ПК 32,3 33,4 13,5 4,9 3,0 1,0 0 1,2 1185
Шлак из ПК 31,4 23,6 21,9 8,6 0,4 1,3 3,7 0,9 1230
ШОС для кри- 32,2 28,0 6,8 1,2 6,0 5,3 3,9 1,6 985
сталлизатора
Шлак из кри- 40,2 32,7 9,5 1,6 5,9 6,2 3,4 0,76 1150
сталлизатора
По химическому составу шлаки и в промежуточном ковше, и в кристаллизаторе существенно отличаются от исходных шлакообразующих смесей [1]. Отличия вызваны, в основном, поступлением в шлак неметаллических включений из разливаемого металла [2]. Путем составления материального баланса процесса шлакообразования в кристаллизаторе было установлено, что неметаллические включения состоят из оксидов кальция (58,4%), кремния (26,9%) и алю-
миния (14,7%). Поступление в шлаковый расплав тугоплавких неметаллических включений повышает его температуру ликвидуса.
Распределение химических элементов по толщине пробы шлака изучали методом рентгенострук-турного анализа. Для этого от верха пробы по всей толщине шлифа выделили 23 области и сканированием определили средний химический состав по всему полю (дисперсионная среда). Одновременно определили объемную долю включений (дисперсную фазу) в каждой из этих областей. Результаты распределения основных элементов, входящих в дисперсную фазу (Са, 81, А1), и углерода (С) представлены на рис. 1.
20
15
<5 10
* 5 -О 5
0 1 2 3 4 5 6 7 Расстояние от верха пробы, мм
35 30 25 20
I 15
ф
?? 10 о
5
0
0,35 0,30
л
О
0,25 £ >2
0,20 х
о
СР
ф
0,15 5
0,10 к
с
о
0,05 4 0,00
0 1 2 3 4 5 6 7 Расстояние от верха пробы, мм
Рис. 1. Распределение элементов и дисперсной фазы (ДФ) по толщине пробы шлака
Как видно из данных рис. 1, содержание элементов в средней части пробы практически не меняется. Однако вверху и на нижнем участке пробы эти изменения существенны. При этом в слое толщиной около 1 мм в верхней и нижней частях пробы значительно понижается содержание основных структурообразующих элементов шлака - кальция, кремния и алюминия, но сильно возрастает содержание углерода. Видно, что характер изменения содержания элементов и изменение доли дисперсной фазы совпадают по внешнему виду.
Из 23 областей шлифа, по которым проводилось сканирование, 8 областей вообще не содержали дис-
персную фазу. Это позволило нам путем усреднения результатов анализа по этим областям определить химический состав дисперсионной среды, который в пересчете на оксиды приведен в таблице. По химическому составу дисперсионная среда была идентифицирована как мелилит [3].
Химический состав дисперсной фазы оценили только качественно, так как её частицы оказались слишком малы для сканирования. Установлено, что дисперсная фаза состоит из оксидов, карбидов и фторидов кальция, алюминия, магния, хрома. Следовательно, дисперсная фаза - это не ассимилированные шлаком неметаллические включения, а фаза, вновь образовавшаяся при охлаждении расплава [4].
Процесс образования двухфазной структуры жидкого шлака можно представить следующим образом. При охлаждении расплава происходит докри-сталлизационное структурообразование, при котором возникают анионные микрокомплексы, состоящие из связанных между собой кремнийкислородных тетраэдров. Вид связи тетраэдров в анионном комплексе определяется соотношением между количеством атомов кремния и кислорода в расплаве. Эти комплексы соединяются друг с другом катионами кальция и других элементов, имеющих размерное соответствие с катионом кальция. Так формируется дисперсионная среда расплава.
Атомы, не вошедшие в состав дисперсионной среды, образуют дисперсную фазу. Её химический состав может существенно меняться в зависимости от содержания в исходном расплаве элементов, не являющихся базовыми для дисперсионной среды.
Вязкость расплавов определяли вибрационным методом, а плотность и поверхностное натяжение -методом неподвижной капли [5]. Полученные температурные зависимости этих свойств расплавов приведены на рис. 2 и 3.
Как видно из рис. 1, качественно зависимость вязкости всех четырех расплавов от температуры одинакова. Все эти расплавы относятся к так называемым «коротким» шлакам, вязкость которых мало меняется при охлаждении в высокотемпературной области, но быстро возрастает после охлаждения до определенной температуры. Сравнение с данными таблицы показывает, что быстрое возрастание вязкости (участки кривых, близкие к вертикали) начинается при охлаждении расплавов ниже температуры ликвидуса, т.е. связано с началом их затвердевания.
Вязкость шлаков как промежуточного ковша, так и кристаллизатора больше вязкости шлакообразую-щих смесей, использованных для их наведения. Следовательно, поступление в расплав ШОС неметаллических включений из разливаемого металла повышает не только температуру ликвидус расплава, но и его вязкость.
0
12
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
900
1000
1100
1300
1400
1500
Близость свойств расплавов шлака кристаллизатора и исходной шлакообра-зующей смеси и заметное различие их для промежуточного ковша просматривается и в результатах исследования плотности и поверхностного натяжения (см.рис.2). Можно считать, что шлак из кристаллизатора «наследует» свойства шлакообразующей смеси, а шлак из промежуточного ковша такое «наследование» теряет.
Причина этого явления,
1200 Температура, °С
Рис. 2. Температурные зависимости вязкости шлаков и шлакообразующих смесей
несомненно, состоит в поступлении разного количества неметаллических включений в расплавы шлако-образующих смесей. В кристаллизаторе шлак постоянно обновляется вследствие его расхода на смазку поверхности отливаемого слитка и периодического введения новых порций ШОС. За время кратковременного пребывания шлака в кристаллизаторе в него успевает поступить относительно небольшое количество неметаллических включений, что не оказывает существенного влияния на свойства расплава.
В промежуточном ковше шлак находится в течение нескольких часов. За это время он успевает ассимилировать значительное количество неметаллических включений, всплывших из разливаемой стали, и растворить в себе часть огнеупорной футеровки. В результате химический состав шлака изменяется настолько, что существенно меняется его структура и, как следствие, его физико-химические свойства.
о с с
3,0
2,8
2,6
2,4
1000
1100 1200 Температура,
1300 °С
1400
о с
400
350
300
250
1000 1100 1200 1300 1400 Температура, °С
Рис. 3. Температурные зависимости плотности и поверхностного натяжения шлаков и шлакообразующих смесей (обозначения, как на рис. 1)
В высокотемпературной области (1200°С и более) вязкость расплавов обеих шлакообразующих смесей и шлака из кристаллизатора различаются мало, несмотря на существенные различия в их химическом составе. Вязкость же шлака из промежуточного ковша в 2-3 раза больше вязкости расплава исходной смеси при той же температуре.
Список литературы
1. Дюльдина Э.В., Коротин А.В., Рыбалко О.Ф. Изучение структуры затвердевших шлаков при непрерывной разливке стали // Литейные процессы: межрегион. сб. научн. трудов / под ред. В.М.Колокольцева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова, 2011. Вып.10. С.90-95.
2. Коротин А.В., Дюльдина Э.В. Влияние футеровки промежуточного ковша МНЛЗ на шлакообразование // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 14-й Всерос. на-уч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. С.165-168.
3. Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Рыбалко О.Ф. Структура затвердевших шлаков промежуточного ковша при непрерывной разливке стали // Труды XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 13-16 сентября 2011 г. Екатеринбург: ИМЕТ УрО РАН, 2011. Т.4. С.119-122.
4. Дюльдина Э.В., Селиванов В.Н., Лозовский Е.П. Формирование шлака в промежуточном ковше МНЛЗ // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. №4(28). С.26-29.
0
5. Физико-химические свойства расплавов шлакообразующих сме- на Э.В., Селиванов В.Н., Истомин С.А. и др. // Расплавы. 2009. сей, используемых при непрерывной разливке стали / Дюльди- №6. С. 3-10.
Сведения об авторах
Дюльдина Эльвира Владимировна - канд. техн. наук, доц., проф. каф. ХТиФХ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519)298514. E-mail: dev@magtu.ru
Селиванов Валентин Николаевич - канд. техн. наук, доц., проф. кафедры МЧМ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519)298449. E-mail: mcm@magtu.ru
Коротин Андрей Викторович - аспирант кафедры ХТиФХ, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519)298514. E-mail: saturn2112 @yandex. ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
STUDY OF PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF MOLTEN SLAG MIXTURES AND SLAGS THE CONTINUOUS CASTING OF STEEL
Dyuldina Elvira Vladimirovna - Ph. D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519)298514. E-mail: dev@magtu.ru
Selivanov Valentin Nikolaevich - Ph. D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519)298449. E-mail: mcm@magtu.ru
Korotin Andrey Viktorovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: (3519)298514. E-mail: saturn2112@yandex.ru
Abstract. The paper presents the results of the study physico-chemical properties of slag for continuous casting and slag-forming mixtures in the mold and the tundish, in particular the viscosity and density of melts. Also mapped the distribution of the major elements in the melt involved in the formation of slag. Using a material balance determined approximate composition of non-metallic inclusions.
Keywords: continuous casting steel, slag, slag-forming mixture, tundish, crystallizer.
УДК 621.746.5.047 Коротин А.В., Дюльдина Э.В.
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ШЛАКАХ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ ПРИ ИХ ЗАТВЕРДЕВАНИИ
Аннотация. Представлены результаты исследования структуры и физико-химических свойств шлаков из промежуточного ковша и кристаллизатора МНЛЗ и шлакообразующих смесей, использованных для их наведения. Установлено, что шлаковые расплавы имеют двухфазную структуру типа эмульсии. Дисперсионная среда эмульсии - это алюмосиликаты кальция и магния, близкие по составу к природному минералу мелилиту, а дисперсная фаза состоит из оксидов и карбидов разных металлов. Так как доля дисперсной фазы невелика (около 4%), то свойства шлакового расплава определяются свойствами дисперсионной среды. Двухфазная структура жидкого шлака является результатом докристаллизационного структурообразования при охлаждении жидкого шлака.
Ключевые слова: сталь, непрерывная разливка, промежуточный ковш, кристаллизатор, шлакообразующие смеси, шлак, микроструктура.
В промежуточный ковш и кристаллизатор машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) вводят шлакообразующие смеси (ШОС), при расплавлении которых образуется шлак, выполняющий важные технологические функции. В процессе непрерывной разливки стали состав шлака изменяется, что приводит к
© Коротин А.В., Дюльдина Э.В., 2015
повышению температуры его плавления, переходу в гетерогенное состояние и значительному ухудшению технологических свойств. Поэтому исследование структуры и физико-химических свойств как расплавов ШОС, так и образующихся шлаков является актуальной задачей, решение которой дает возможность оптимизировать состав шлакообразующих смесей и повысить эффективность их применения.
