CC BY
27I. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Химия и технология неорганических веществ
УДК
Stanislav A. Suvorov, Vladimir V. Kozlov, Eugene А. Vikhrov, Nataliia V. Arbuzova
SLAG-FORMING MULTICOMPONENT MIXTURES FOR CONTINUOUS CASTING
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia Joint stock company Borovichi Refractories Plant, Mezhdun-arodnaya 1 borovichi, Novgorid region, Russia e-mail: SPGTI-Suvorov@yandex.ru
Properties of slag-forming mixed materials for CCM are experimentally investigated. A mathematical model of the chemical and material composition and properties of slag-forming materials is developed. Relations between steel grades and properties of slag-forming materials are found. The software for the development of formulations of slag-forming materials and selection of raw materials is suggested. The software ensures the formation of the chemical composition with an error of less than 1%.
Key words: Slag-forming mixed materials for CCM, slag melting temperature range, The crystallization temperature of the slag glass
¡6.76
С.А. Суворов1, В.В. Козлов2 Е.А. Вихров3, Н.В. Арбузова4
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ШЛАКООБРАЗУЮЩИЕ СМЕСИ ДЛЯ
НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия
АО «Боровичский комбинат огнеупоров» Международная ул., 1. г. Боровичи, 174411, Новгородская обл., Россия e-mail: SPGTI-Suvorov@yandex.ru
Экспериментально исследованы физико-химические свойства шлакообразующих смесей (ШОС) для кристаллизаторов МНЛЗ. Разработана модель проектирования химического, вещественного составов и физико-химических свойств шлакообразующих смесей. Установлены требования к физико-химическим свойствам шлакообразующих смесей в зависимости от марочного состава разливаемых сталей. Предложен программный продукт разработки рецептур шлакообразующих смесей для расчета массового соотношения выбора сырьевых компонентов, обеспечивающий заданный химический состав с погрешностью не более 1 %.
Ключевые слова: шлакообразующие смеси, физико-химические свойства, температура начала плавления, температура кристаллизации шлакового расплава и шлакового стекла, основность CaO/SiO2.
DOI: 10.15217^п1998984-9.2016.34.3
В настоящее время практически весь марочный сортамент сталей разливают на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Для достижения высокого качества стального слитка в процессе непрерывной разливки стали в кристаллизаторе обязательно использование шлакообразующих смесей (ШОС), которые выполняют функции:
- уменьшение трения между затвердевающей сталью и кристаллизатором за счет смазки шлаковой пленкой;
- обеспечение равномерности теплопередачи от стали к кристаллизатору; предотвращение взаимодействия расплава стали с атмосферой;
- поглощение неметаллических включений из стали; теплоизоляции мениска стали для предотвращения его затвердевания.
За счет тепла металла на контакте с жидкой сталью образуется расплав ШОС, который распределяется по поверхности заготовки, образуя ванну расплава (рисунок 1).
1 Суворов Станислав Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, e-mail: SPGTI-Suvorov@yandex.ru
Stanislav A. Suvorov, Dr Sci (Eng.), Professor, Department of Chemical Technology of refractory nonmetallic silicate materials
2 Козлов Владимир Вадимович, канд. техн. наук, доцент каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, e-mail: chemic@yandex.ru
Vladimir V. Kozlov, PhD. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemical Technology of refractory nonmetallic silicate materials
3 Вихров Евгений Александрович канд. техн. наук, директор по экономике АО «Боровичский комбинат огнеупоров», e-mail: aobko.ru Eugene A. Vikhrov, PhD. (Eng.), Director for Economics Joint Stock Company «Borovichi Refractories Plant» (BRP)
4 Арбузова Наталия Викторовна , канд. техн. наук, мл.науч. сотрудник, каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, e-mail: arbusowai@mail.ru
Nataliia V. Arbuzova, PhD. (Eng.) junior researcher Department of Chemical Technology of refractory nonmetallic silicate materials Дата поступления - 29 февраля 2016 года
шлаковый гарнисаж
Рисунок 1. Схематическое изображение различных слоев ШОС в кристаллизаторе МНЛЗ
Тонкая пленка расплава ШОС толщиной 0,1 - 0,6 мм перемещается вместе с оболочкой слитка, обеспечивая смазку [1, 2]. Затвердевший слой расплава ШОС, находящийся в стеклообразном и/или кристаллическом состоянии, контролирует теплоотвод от слитка к кристаллизатору [3, 4].
Для исключения прорывов корки слитка в кристаллизаторе, рекомендуется применение ШОС с температурой плавления близкой к 1100 °С и вязкости расплава при 1300 °С близкой к 0,1 Па-с [5, 6]. Одним из важнейших факторов, определяющих состояние шлакового гарнисажа, является кристаллизационная способность ШОС [7]. Некоторые результаты определения кристаллизации расплава коммерческих ШОС приведены в [8, 9].
Применяемые в настоящее время ШОС условно можно разделить на три группы составов на базе систем SiO2-Al2Oз, СаО-МдО^Ю2, СаО^Ю2-А^О3. Составы с основностью в пределах от 0,5 до 2,5 получили наибольшее распространение [10-13].
Шлакообразующая смесь любого заданного химического состава представляет собой дискретную систему, состоящую из 4-10 ингредиентов, разделенных развитой поверхностью. В качестве ингредиентов, формирующих шлакообразующую смесь, могут применяться природные минералы или искусственные технические продукты [14-15].
Разработка составов и характеристик свойств ШОС - сложная многофакторная задача и к настоящему времени остается обоснованной не в полной мере. Поэтому составы ШОС в основном разрабатывают эмпирическим методом подстройки для литья заготовок определенного марочного состава применительно к конкретным параметрам процесса и оборудования [10, 11, 16].
В связи с этим актуальными представляются исследования, направленные на оптимизацию физико-химических свойств и совершенствование шлако-образующих смесей.
При разработке состава шлаковой смеси, прежде всего, требуется установить оптимальное соотношение СаО^Ю2, исходное содержание А^Оз, а также состав и количество флюсующих компонентов (оксида бора, щелочных металлов, фтористого кальция и др.). В таблице 1 обобщено влияние химического состава на свойства ШОС.
Таблица 1 Влияние химического состава на свойства ШОС [12]
Изменение химического состава ШОС Показатели ШОС
Вязкость Температура кристаллизации Температура плавления
Увеличение содержания
СаО 1
БЮа г
А12О3 г
ЫааО 1
К2О 1
ЫаО 1
МдО 1
МпО 1
Р 1 Г/1
РеаО3 1 1
ТЮ2 то то то
С то то то
основности 1 Г Г
Примечание: ™ -нет эффекта, I - уменьшение, г - повышение, \/1- в зависимости от содержания
Накопленный опыт [3, 4, 8, 10, 12, 13, 16-18] показывает, для достижения высокого качества непрерывно литых заготовок слябового сечения для кристаллизатора предпочтительно использовать смеси основностью 0,8 - 1,2, содержащие 2-7 мас. % А12О3, 1-3 мас. % Ре2О3, до 8 мас. % МдО, 4-15 мас. % ^а2О+К2О), 4-10 мас. % Р, 1-10 мас. % углерода.
Исходные материалы и методы исследований
В работе использовали промышленные сырьевые материалы: портландцемент по ГОСТ 10178-85, сиенитовый концентрат по ТУ 5726-047-00203938-97, стеклобой по ГОСТ Р 2233-2004, сода кальцинированная техническая по ГОСТ 5100-85, плавиковый шпат по ГОСТ 29220-91, графит скрытокристаллический по ГОСТ Р 52729-2007, кварцевый песок по ГОСТ 2138-91, пери-клаз спеченный, волластонитовый концентрат, электрокорунд по ОСТ 2МТ-71-1-82, диоксид циркония, кальций фтористый по ТУ 6-09-5335-88.
Определение химического состава шлакообразу-ющих смесей и сырьевых материалов осуществляли по стандартам на определение химического состава огнеупорных материалов. Рентгенофазовый анализ выполнен на рентгеновском дифрактометре ДРОН-6 при следующих условиях: трубка рентгеновская 2,5 БСВ 27 - Си - излучение Си К2, длина волны = 1,54051(Апд). Условия съемки: напряжение - 40 кВ, ток - 70 мА. Дифрактограммы проб получены с использованием программы сбора данных для дифрактометров, версия 1.0, 2001 г., разработанной НПП «Буревестник», г. Санкт-Петербург. Качественный фазовый состав проб получен на основании данных банка Картотеки интернациональных стандартов JCPDS.
Термогравиметрический и дифференциальный термический анализ проводили на дериватогра-фе Q-1500D фирмы МОМ, позволяющим синхронизировать запись кривых DTA, DTG, TG в рабочем интервале температур 20-1300 °С, а также дериватографе TGA/ SDTA 851°/_Р/1600 с рабочим интервалом температур 20 - 1600 °С.
Определение температуры начала плавления и температуры полного расплавления проводили методом фиксации скачкообразного изменения электрического сопротивления материала образца способом и на уста-
новке, разработанной на кафедре химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов СПбГТИ(ТУ) [19].
Рентгенофлюоресцентные определения химического состава шлакообразующих смесей проводили при помощи рентгеноспектрометра СРМ-25.
Проектирование вещественного и химических составов шлакообразующих смесей
В технологии шлакообразующих смесей для обеспечения необходимых показателей свойств требуется получать композиции с заданным химическим составом путем смешения n компонентов. При большом значении n, сложном химическом составе компонентов и получаемой композиции задача подбора эмпирическим методом перебора многокомпонентных вариантов становится весьма трудоемкой.
В общем случае для расчета массовых долей n компонентов в составе композиций необходимо решить систему линейных уравнений [20]. Для расчета рецептур многокомпонентных материалов разработан оригинальный программный продукт, позволяющий рассчитать массовые соотношения выбранных сырьевых компонентов, необходимые для получения ШОС заданного химического состава. Погрешность расчета рецептур задана с учетом того, чтобы отклонения заданного химического состава от фактического составляло не более 1 %. Составление рецептуры для производства ШОС состоит в выборе сырьевых компонентов (и расчете их требуемого соотношения), на основе которых возможно осуществить получение химического состава соответствующего заданному ШОС [14].
Блок-схема алгоритма, используемого в программном решении расчета рецептур многокомпонентных материалов, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Блок-схема алгоритма, применяемого при реализации программного решения расчета рецептур многокомпонентных материалов
Использование программного продукта для расчета рецептур позволяет получать смеси заданного состава с суженными допусками по отклонению химического состава ШОС при различных вариантах выбора сырьевых компонентов из разработанной базы данных промышленных источников сырья для шлакообразую-щих смесей. Это обеспечивает стабильность химического состава и связанных с ним физико-химических свойств ШОС.
Механическая гомогенизация многокомпонентных порошков является чрезвычайно трудным процессом, продолжительность которого резко возрастает, а эффективность понижается с увеличением числа компонентов [21]: для двух компонентов относительная продолжительность гомогенизации и критерий однородности составляет 1; для четырех компонентов относительная продолжительность гомогенизации составляет 12, критерий однородности - 0,177, для шести компонентов относительная продолжительность гомогенизации составляет - 360, критерий однородности - 0,016; для девяти компонентов относительная продолжительность гомогенизации - 1,8-105, критерий однородности - 2,2-10~4. Таким образом, при числе компонентов n > 6 задача гомогенизации расплава ШОС решается за счет термодиффузионных и конвективных потоков в жидком состоянии. В работе показано, что этому способствует использование в качестве ингредиентов эвтектических составов из компонентов (подготовленных тонким помолом) в соотношениях, обеспечивающих проектируемый химический состав ШОС.
В таблице 2 приведены составы базовых эвтек-тик, на основе которых возможно формирование шлакообразующих смесей.
Таблица 2. Составы базовых эвтектик для формирования ШОС
№
Содержание оксидов, мас. %
CaO
37,0
54,5
23,3
38,0
47,2
48,2
SiO,
63,0
45,5
62,0
42,0
41,0
39,2
АШ3
14,7
20,0
11,8
11,9
CaO/SiO2
0,59
1,20
0,38
0,90
1,15
1,23
Температура плавления, °С
1436
1460
1170
1265
1310
1315
В таблице 3 приведен расчетный химический состав разработанных базовых шлакообразующих смесей ШОС-0,85 и ШОС-1,5 основностью 0,85 и 1,05 соответственно, сформированных из смесей совместного помола (ССП) эвтектического состава.
Таблица 3. Рассчетный химический состав базовых ШОС, мас.%
Шифр
ШОС-0,85
ШОС 1,05
CaO
28,0
31,1
SiO2
32,9
29,5
AI2O3
4,38
6,27
Fe2O3
1,13
1,47
MgO
3,01
2,53
Na2O+ K2O
10,2
7,53
6,42
Ссвоб
3,92
6,87
ППП
9,93
6,79
CaO/ SiO2
0,85
1,05
Приготовление ССП осуществляли путем совместного помола сырьевых компонентов в виде эвтектических композиций в лабораторной вибромельнице в течение 3 ч. Соотношение материал : мелющие тела -1 : 8. Мелющие тела - твердосплавные шары. Остаток молотых ССП на сите № 0063 составил 0,4-0,8 %.
Приготовление порошкообразных шлакующих смесей осуществляли смешение ССП и графита в лабораторной вибромельнице в течение 60 мин в задаваемых соотношениях, соотношение материал : мелющие
1
2
F
тела - 1 : 8. Мелющие тела - твердосплавные шары. Остаток молотых ШОС на сите № 0063 составил 0,4-1,0 %. Физико-химические свойства базовых ШОС представлены в таблице 4.
Таблица 4. Результаты экспериментального определения физико-хими-ческих свойств базовых ШОС, сформированных из ССП
Свойства ШОС-0,85 ШОС -1,05
Массовая доля на сухое вещество, %
СаО 27,50 30,7
БЮа 32,40 29,2
А12О3 4,12 5,93
Ре2О3 1,25 1,41
МдО 3,15 2,50
Ыа2О+ К2О 10,8 8,90
Р 7,62 6,48
Ссвоб. 3,90 6,90
СаО/БЮ2 0,85 1,05
Температура начала плавления, ±10 °С 1026 1121
Температура полного расплавления, ±10 °С 1026 1121
Температурный интервал плавления, °С < 20 < 20
Температура кристаллизации шлакового расплава, °С 1030 1110
Температура кристаллизации шлакового стекла, °С 715 665
Вязкость при 1300 °С, Па-с (расчет) 0,136 0,150
Приготовление базовых ШОС традиционным способом - совместным помолом сырьевых компонентов (портландцемент, концентрат полевого шпата, кварцевый песок, периклаз, сиенитовый концентрат, стеклобой, сода кальцинированная, карбонат кальция, графит) идентичного состава (таблица 3) осуществляли в лабораторной вибромельнице в течение 4 ч. Соотношение материал : мелющие тела - 1 : 8. Мелющие тела -твердосплавные шары. Остаток молотых ШОС на сите № 0063 составил 0,3-0,9 %.
На рисунках 3 и 4 приведены зависимости десятичного логарифма электрического сопротивления от температуры базовых шлакообразующих смесей, подготовленных из ССП и совместного помола сырьевых компонентов.
Рисунок 3. Зависимости десятичного логарифма электрического сопротивления от температуры (а) и дифференциальные кривые (б) базовой шлакообразующей смеси ШОС-0,85, подготовленной из ССП (1) и Совместным помолом сырьевых компонентов (2)
Рисунок 4. Зависимости десятичного логарифма электрического сопротивления от температуры (а) и дифференциальные кривые (б) базовой шлакообразующей смеси ШОС-1,5, подготовленной из ССП (1) и Совместным помолом сырьевых компонентов (2)
Температура начала плавления базовых шлаковых смесей не зависит от способа приготовления и составила 1025 °С для ШОС-0,85 и 1121 °С для ШОС - 1,05. Температура полного расплавления имеет более высокое значение для смесей, подготовленных совместным помолом сырьевых компонентов, и составила 1126 °С для ШОС-0,85 и 1249 °С для ШОС - 1,05. Базовые ШОС, подготовленные из ССП, обладают температурами полного расплавления, совпадающими с температурами начала плавления в пределах погрешности определения. Температура кристаллизации шлакового расплава 1030 °С (ШОС-0,85) и 1080 °С (ШОС-1,05). Температура кристаллизации шлакового стекла 715 °С и 665 °С соответственно. Вязкость шлакового расплава при 1300 °С - 0,136 Пас (ШОС-0,85) и 0,150 Пас (ШОС-1,05).
Влияние химического состава на свойства шлакообразующих смесей
В качестве исходных компонентов для приготовления образцов ШОС использованы промышленные материалы (портландцемент, концентрат полевого шпата, кварцевый песок, периклаз, сиенитовый концентрат, оксид железа, сода кальцинированная, карбонат кальция). Компонентный и химический состав ШОС рассчитывали с использованием разработанного программного продукта.
Приготовление образцов ШОС осуществляли совместным помолом компонентов в лабораторной вибромельнице в течение 4 ч. Соотношение материал : мелющие тела - 1 : 8. Мелющие тела - твердосплавные шары. Остаток молотых ШОС на сите № 0063 составил 0,2-0,8 %.
Исследовано влияние химического состава на температуру начала плавления ШОС, температуру кристаллизации шлакового расплава и шлакового стекла (рисунок 5).
Рисунок 5. Температура начала плавления образцов ШОС в зависимости от основности CaO/SiO2 (а) и содержания Al2Oз (б), Fe2Oз (в), MgO (г), Na2O+K2O (д), F (е)
На рисунке 5а приведена зависимость температуры начала плавления от основности ШОС. Основности ШОС-0,65 соответствует минимальное значение температуры начала плавления (1052 °С), а основности 1,43 максимальное значение (1193 °С). Экстремум минимума установленной температурной зависимости соответствует основности 1,24 (1149 °С), экстремум максимума - основности 1,05 (1171 °С). В интервалах 0,66-1,05 и 1,23-1,43 происходит увеличение температуры начала плавления на 119 °С и 44 °С. Экспериментальные данные хорошо согласуются с данными диаграмм состояния СаО^Ю2 [21].
В диапазоне 6,8-10,0 мас. % АЬ03 (рисунок 5б), происходит снижение температуры начала плавления с 1120 °С до 1078 °С. Увеличение содержания Fe20з в интервале 2,3-5,8 мас. % приводит к существенному уменьшению температуры начала плавления с 1162 °С до 1052 °С. При изменении содержания МдО с 3,8 мас. % до 6,8 мас. % происходит заметное снижение температуры начала плавления с 1102 °С до 1052 °С. Увеличение содержания флюсующих компонентов ШОС в виде ^а20+К20) и F способствует уменьшению температуры начала плавления, при этом повышение содержания фтора приводит к большему снижению. В интервале содержания ^20+^0) 4,3-14,7 мас. % температура начала плавления уменьшается с 1171 °С до 1102 °С, при повышении содержания F в интервале 0-10,6 мас. % температура начала плавления снижается с 1193 °С до 1102 °С.
Методом множественной корреляции установлено уравнение зависимости температуры начала плавления от химического состава ШОС (1), позволяющее расчетным методом оценить температуру начала плавления шлакообразующей смеси с погрешностью не превышающей 30 °С:
Тнач пл = 1185 °С +147ИСа0)Л^Ю2) - 8,1^03) -14^^03) - 12,1м(Мд0) - 6^№20+ВД - (1)
где w(i) - содержание компонента, мас. %.
Индекс множественной корреляции полученного уравнения R = 0,95.
Анализ значений коэффициентов уравнения свидетельствует, что наиболее значительное влияние на температуру начала плавления оказывает основность ШОС (увеличивает), Fe20з (снижает) и МдО (снижает). В меньшей степени снижению начала плавления способствует увеличение АШ3, ^20+^0).
Влияние химического состава на кристаллизационную способность шлакообразующих смесей
В работе проведено определение влияния расчетных параметров (основности Са0^Ю2, NB0/T, содержание купсидина), которые могут быть рассчитаны из химического состава шлакообразующей смеси, на кристаллизационную способность ШОС. Расчет компонентного и химического составов осуществляли с использованием разработанного программного продукта. При охлаждении расплавов образцов ШОС основностью 0,70-1,15 на дифференциальных термических кривых отмечается один экзотермический эффект, соответствующий кристаллизации купсидина (3Ca0•2Si02•CaF2). Для образца ШОС с основностью 1,15 и содержанием F 8,3 мас. % отмечаются два экзотермических эффекта с температурой экстремума 1080 °С, соответствующего кристаллизации купсидина и с температурой экстремума 896 °С, соответствующего кристаллизации нефелина ^аА^Ю4). С увеличением основности Са0^Ю2 ШОС при неизменном содержании остальных компонентов происходит увеличение температуры кристаллизации шлакового распла-
ва от 980 °С до 1080 °С (рисунок 6). При повышении расчетного содержания купсидина в шлакообразующих смесях от 36,0 до 61,0 мас. % происходит увеличение температуры кристаллизации шлакового расплава от 965 °С до 1110 °С (рисунок 6).
| 1100-№
| 1080-и
|°га1060-к гз
I | 1040-| £
| о 1020Л Й = ё £ | 1000-
II 980-
с
I 9600,6 0.7 0,8 0,9 1,0 1,1 СаО/ЭЮг
Рисунок 6. Зависимость температуры кристаллизации шлакового расплава от основности СаЮ/БЮ2
Значение температуры кристаллизации шлакового расплава коррелируется с расчетным содержанием купсидина с величиной достоверности аппроксимации R2 = 0,80 (рисунок 7).
1140
£ 960 - *
г
£ 940 -I-т-т-Т-,-Т-Т-,
30 35 40 45 50 55 60 65
Расчетное содержание куспидина, мас. %
Рисунок 7. Изменение температуры кристаллизации шлакового расплава от расчетного содержания купсидина
Уравнение зависимости температуры кристаллизации расплава:
Ткрист. распл.= 775 °С +5,65•w(3Ca0•2Si02•CaF2), (2)
где w(3Ca0•2Si02•CaF2) - расчетное содержание купсидина в шлакообразующей смеси, мас. %
Увеличение температуры кристаллизации расплавов ШОС с увеличением основности и расчетного содержания купсидина связано с приближением к полю первичной кристаллизации купсидина в системе СаО-2Si02-CaF2 [22].
При основности Са0^Ю2 0,70 охлажденный расплав ШОС представляет собой преимущественно аморфную фазу. При увеличении основности от 0,85 до 1,15 происходит увеличение размера кристаллов купсидина от 0,4-0,5 мкм до 4-7 мкм. При основности 1,15 происходит кристаллизация нефелина.
На рисунке 8 приведены примеры DTA-кривых нагревания шлакового стекла лабораторных и коммерческих ШОС.
Для всех образцов шлакового стекла на дифференциальных термических кривых имеется экзотермический эффект, соответствующий кристаллизации
купсидина. С увеличением основности при неизменном содержании остальных компонентов происходит уменьшение температуры кристаллизации шлакового стекла от 750 °С до 616 °С.
Рисунок 8. ДТА-кривые нагревания образцов шлакового стекла шлакообразующих смесей а - лабораторная смесь СаО^Ю2 = 0,7; б - лабораторная смесь СаО^Ю2 = 1,15; в - коммерческая смесь СаО^Ю2 = 1,08; г - коммерческая смесь СаЮ^Ю2 = 1,15
При увеличении значения критерия NBO/T, характеризующего степень деполимеризации шлакового расплава, т.е. уменьшение содержания полимерных анионных объединений, от 1,81 до 2,82 происходит снижение температуры кристаллизации шлакового стекла (рисунок 9).
В закаленном материале сохраняется структура расплава. При нагревании закаленного расплава наиболее низкой температурой кристаллизации обладают те материалы, для которых необходима минимальная энергия разрыва связей для перехода из исходного в кристаллическое состояние. Более высокой энергией связи обладают материалы с высокой степенью полимеризации структуры, а, следовательно, и более высокой температурой кристаллизации, и наоборот.
С увеличением NBO/T происходит возрастание степени деполимеризации расплава, т.е. уменьшение содержания полимерных оксидных объединений. Поэтому для шлакообразующих смесей с большим соотношением NBO/T характерна более низкая температура кристаллизации закаленного расплава.
Для приближенной оценки температуры кристаллизации шлакового стекла можно пользоваться уравнением (3):
Тк
991°С-127,5 - NBO/T,
(3)
Прогнозирование физико-химических свойств ШОС
Экспериментально полученные закономерности позволили создать расчетную модель оценки прогнозирования ключевых физико-химических свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали в заготовках.
Разработанный программный продукт позволяет установить применимость шлакообразующей смеси для разливки марочного сортамента сталей в соответствии с выработанными требованиями (таблица 5).
Таблица 5. Требования к шлакообразующим смесям для кристаллизаторов слябовых МНЛЗ
Группа марки стали
Показатели Ультранизко-углеродистая типа 1К Низко углеродистая сталь Перитекти-ческая Высоко углеродистая
Содержание углерода в стали, % <0,005 <0,08 0,08-0,19 >0,19
Температура начала плавления шлака, °С 950-1120 860-1100 1100-1190 980-1180
Вязкость шлака при 1300 °С, Па-с 0,08-0,30 0,08-0,20 0,1-0,40 0,08-0,30
Температура кристаллизации шлакового расплава, °С 950-1080 960-1120 1070-1200 980-1160
Основность, СаО^Юа 0,7-1,00 0,7-1,00 0,90-0,12 0,7-1,00
Содержание свободного углерода, % не более 2,3 3,0-7,0 6,0-10,0 6,0-12,0
На рисунке 10 приведена блок-схема алгоритма используемого в программном решении прогнозирования физико-химических свойств шлакообразующих смесей.
Рисунок 9. Изменение температуры кристаллизации шлакового стекла от NBO/T
Рисунок 10. Обобщенная схема алгоритма, применяемого при реализации программного решения для прогнозирования физико-химических свойств шлакообразующих смесей
На рисунке 11 приведен внешний вид диалогового окна программы и пример расчета.
Рисунок 11. Внешний вид диалогового окна программы прогнозирования физико-химических свойств ШОС
В левой области диалогового окна программы расположена таблица для ввода исходных данных: химического состава ШОС и температуры испытания. Химический состав ограничен компонентами СаО, SiO2 АЬ0з, Fe20з, МдО, Na2O+K2O, F, С и потери при прокаливании (ппп).
В правой части диалогового окна программы расположены результаты расчета: основность СаО/ SiO2, NBO/T, содержание купсидина, температура начала плавления, температура кристаллизации шлако-
вого расплава, температура кристаллизации шлакового стекла, вязкость расплава. Сопоставлением расчетных данных программа определяет марочный сортамент сталей, для которого выполняются требования к свойствам шлакообразующих смесей.
Если химический состав материала неизвестен, а физические свойства и содержание углерода экспериментально определены, с помощью кнопки «Марочный сортамент сталей» программа может обработать экспериментально полученные свойства, введенные в диалоговое окно, и определить соответствующий шла-кообразующейся смеси марочный сортамент сталей.
Выводы
Разработана модель проектирования химического состава и физико-химических свойств шлакообразующих смесей для кристаллизаторов МНЛЗ. Выработаны научно обоснованные требования к шла-кообразующим смесям для кристаллизаторов МНЛЗ. Разработан программный продукт прогнозирования физико-химических свойств, расчетных параметров шлакообразующих смесей (температура начала плавления, температура кристаллизации шлакового расплава и шлакового стекла, вязкости расплава, основности, NBO/T, содержания купсидина) и соответствия шлако-образующих смесей марочному сортаменту на основе данных химического состава.
Литература
1. Каваками К., Ямата М., Ушида Ш. Металлургические разработки, направленные на обеспечение возможности прокатки одного нагрева непрерывного литья слябов // Черные металлы. 1988. № 23. С. 3-7.
2. Задермен Ю., Шреда Г. Влияние сталеразли-вочной смеси на трещинообразование при непрерывной разливке на слябы // Черные металлы. 1991. № 12. С. 58-65.
3. Mills K.C., Fox A.B. The role of mould fluxes in continuous casting -so simple jet so complex // ISIJ International. 2003. Vol. 43. № 10. P. 1479-1486.
4. Meng Y., Thomas B.G. Simulation of microstructure and behavior of interfacial mold slag layers in continuous casting of steel // ISIJ International. 2006. Vol. 46. № 5. P. 660-669.
5. Branion R.V. Mold fluxes for continuous casting // Ironmaking and steel-making. 1986. Vol. 13. № 9. P. 41-50.
6. Смирнов Л.А., Смирнов А.А., Старцев В.А. [и др.]. Разработка составов силикатных шлаковых расплавов для непрерывной разливки стали. Екатеринбург: УрРАН, 2007. 121 с.
7. Li Z., Thackray R., Mills K.C. Atest to determine crystallinity of mould fluxes // VII International conf. on Molten Slag, Fluxes and Salts. Johannesburg: The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004. P. 813820.
8. Carly R., Righi C. Mould flux cristallisation: A kinetic study // VII International conf. on Molten Slag, Fluxes and Salts. Johannesburg: The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004. P.821-826.
9. Hanao M., Kawamoto M., Watanabe T. Influence of Na2O on phase relation between mold flux composition and cuspidine // ISIJ International. 2004. Vol. 44, № 5. P. 827-835.
10. Фойгт Д.Б., Галиуллин Т.Р., Соколов В.В. [и др.]. Разработка и внедрение шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2007. № 4. С. 31-33.
11. Людковский В.М., Буряковский Г.А., Малышев И.П. [и др.]. Освоение производства шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали в ОАО «Запорожогнеупор» // Новые огнеупоры. 2007. №12. С. 66-68.
12. Хаазе Р. Шлакообразующие смеси для непрерывной разливки стали // Новые огнеупоры. 2004. №3. С. 20-22.
13. Mills K.C., Fox A.B., Li Z. Функциональные особенности и свойства шлакообразующих смесей для кристаллизаторов УНРС // Новости черной металлургии за рубежом. № 6. С. 34-37.
14. Суворов С.А., Козлов В.В., Вихров Е.А. Проектирование минерального и химического составов многокомпонентных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 6. С. 3-5.
15. Лейтес А.В. Защита стали в процессе непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1984. 288 с.
16. Бодяев Ю.А., Сарычев А.Ф., Ногтев В.П. [и др.]. О производстве и качестве гранулированных шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали // Бюллетень «Черная металлургия». 2002. № 6. С. 9-11.
17. Hanao M., Kawamoto M. Influence of mold flux
basicity of the surface quality of ultralow carbon steels // Tetsu-to-Hagane. 2007. V. 93. № 5. P. 362-366.
18. Суворов С.А., Вихров Е.А. Совершенствование шлакообразующих смесей для кристаллизаторов МНЛЗ // Сталь. 2010. № 4. С. 38-42.
19. Суворов С.А., Козлов В.В. Способ определения температуры плавления и/или размягчения твердых материалов и устройство для его осуществления: пат. № 2343463 Рос. Федерация. № 2007120554/28; за-явл. 29.05.2007; опубл. 10.01.2009.
20. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копчено-ва Н.П. Вычислительный метод для инженеров. М.: Мир, 1994. 544 с.
21. Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. Киев: Наукова думка, 1970. 544 с.
22. Суворов С.А., Вихров Е.А. Кристаллизация шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали // Огнеупоры и техническая керамика. 2010. № 3. С. 3-9.
