CC BY
84
Серiя: Техшчш науки
УДК 669.141.241.4
Макуров С. Л.1,Бондарь В.И.2
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ КИПЯЩЕЙ И ПОЛУСПОКОЙНОЙ СТАЛИ
Выполнен анализ технологических факторов, влияющих на качество слитков кипящей и полуспокойной стали при различных способах разливки. Разработана и внедрена рациональная технология химического закупоривания слитков кипящей стали марки 08 КП, включающая подачу ферротитана под струю разливаемого металла.
Ключевые слова: сталь, слиток, химическое закупоривание, ферротитан, алюминий.
Макуров С.Л., Бондар B.I., Удосконалення технологи виробництва злиттв киплячог та натвспокшноИ стали Виконаний анал1з технолог1чних фактор1в, що впливають на яюсть злитюв киплячог та натвспоктног стал1 при р1зних способах розливання. Розроблена й впроваджена ращональна технолог1я х1м1чного закупо-рювання злитюв киплячог стал1 марки 08КП, що включае подачу феротитану тд струмть металу, що розливаеться.
Ключовi слова: сталь, злиток, х1м1чне закупорювання, феротитан, алюмтт.
Makurov S.L., Bondar V.I. Perfection of the technology of manufacturing ingots of rimmed and semi-killed steel. The analysis of technological factor, influencing the quality of ingots, manufactured of rimmed and semi-killed steel grades for various methods of casting was performed .A rational technology of chemical blocking ingots, made of rimmed steel of 8KP grade was offered and implemented, which include application of ferro-titanium into jets of metal, being cast.
Keywords: steel, ingot, chemical corking, ferrotitanium, aluminum.
Постановка проблемы. Современная тенденция в производстве массовых видов металлопродукции сводится к значительному росту доли листового проката, улучшению его качества и повышению выхода годного.
Существующие в настоящее время технологии производства низкоуглеродистой кипящей и полуспокойной стали не позволяют избежать нежелательных дефектов стального слитка, главными из которых являются плена и расслой. В то же время со стороны потребителей ужесточаются требования к механическим и служебным свойствам листовой продукции, в частности, для автолиста, эмалирования, сложной вытяжки. В связи с этим разработка оптимальных технологических параметров производства качественного стального листа с применением современных методов контроля состояния металла и методов его обработки является весьма актуальной задачей.
Анализ последних исследований и публикаций. Для снижения химической неоднородности и «рослости» слитков кипение расплава в изложнице после ее наполнения прекращают, раскисляя головную часть слитка (химическое закупоривание). Способы организации химического закупоривания, применяемые на разных заводах, достаточно разнообразны [1-4]. Процесс химического закупоривания стали в изложницах в случае ввода раскислителя на зеркало металла изучен достаточно полно. Однако, при сифонной разливке стали с вводом гранулированного алюминия в центровую коренным образом изменяются динамические условия процесса.
Существующая на металлургическом комбинате ОАО «Запорожсталь» технология химического закупоривания слитков кипящей стали алюминиевой дробью через центровую (в том числе для получения так называемой полуспокойной стали с кипящей корочкой) обеспечивает получение слитков с минимальной химической неоднородностью. Однако, при этом способе
1 д-р техн. наук, профессор, Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь
2 канд. техн. наук, доцент, Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки
раскисления невозможно получить все слитки с одинаковой степенью раскисленности металла. Глубина залегания открытых усадочных пороков в слитках, оптимально раскисленных по указанному способу, колеблется в широких пределах и достигает 8,8 %.
При отливке 20-тонных слитков сверху по технологии ОАО ММК «им. Ильича» (сталь 08КП для эмалируемого холоднокатанного листа по ГОСТ 24244-80) химическое закупоривание осуществляется последовательными присадками дробленного 65-68 % -ого ферротитана в количестве 0,40-0,80 кг/т стали, присаживаемого через 1-2 мин после наполнения сталью изложницы и дробленного 65 % - ого ферросилиция, вводимого в количестве 0,3-0,7 кг/т стали после усвоения ферротитана [2].
Последовательный ввод ферротитана, а затем ферросилиция препятствует проникновению кремния в тело слитка и образованию в нем силикатных включений, но приводит к значительному угару титана, взаимодействующего с кислородом воздуха на поверхности расплава, так как плотность используемого ферротитана меньше плотности жидкой стали.
Продуктами окисления титана являются тугоплавкие оксиды, которые конвективными потоками увлекаются в тело слитка, увеличивая степень загрязненности металла неметаллическими включениями.
Цель статьи - Совершенствование технологии химического закупоривания слитков кипящей и полуспокойной стали, разливаемых сифонным способом и сверху.
Изложение основного материала. В ОАО «Запорожсталь» применяется технология химического закупоривания слитков кипящей стали алюминиевой дробью через центровую (для получения так называемой полуспокойной стали с кипящей корочкой). Технология выплавки металла для производства полуспокойной стали с кипящей корочкой не отличается от техноло-гиии выплавки обычной кипящей стали. Высокое качество слитка полуспокойной стали достигается только в том случае, если металл хорошо кипит в процессе наполнения изложниц.
Поскольку содержание кислорода в стали изменяется в процессе выпуска и транспортировки металла к разливочной площадке, для введения оптимального количества раскислителя в изложницы необходимо знать содержание (активность) кислорода в разливаемой стали. В последние годы достигнут значительный прогресс в контроле активности растворённого в стали кислорода электрохимическим методом. Использование электрохимических датчиков с твёрдым электролитом позволяет быстро определить активность кислорода в стали в различные технологические периоды при производстве стали в печах, при выпуске, во время ковшового рафинирования и при разливке.
В настоящее время на металлургических заводах контроль окисленности стали производят устройствами «Се1ох» («Электронайт», Бельгия) и УКОС- Т4 («Эмитрон», Россия). Однако, рабочие блоки указанных устройств, защищенные картонной трубкой со стальным колпачком и вводимые в металл на штанге, являются дорогостоящими, т.к. содержат термопару ПР 30/6. Кроме того погружение указанных блоков в металл вызывает сильное искрение стали в изложнице, что приводит к налипанию оксидов на внутреннюю поверхность изложницы и как результат - дефектам слитков. Защита картонной трубки кольцами из шамота утяжеляет сменный блок и создает неудобства при выполнении измерений. Кроме того, массивный сменный блок охлаждает металл в точке замера, что вызывает погрешность в показаниях активометра. При погружении такого блока в металл на его поверхность намораживается стальная корка, дополнительно увеличивающая его массу. В последнем случае возможен отрыв блока от штанги и попадание его в слиток, что заведомо приведет к браку металла при прокатке. В связи с изложенным нами было использовано устройство для измерения окисленности стали, предложенное в работе [5], которое позволяет производить измерения непосредственно в изложницах в процессе разливки.
Одновременно с измерением окисленности измеряли температуру стали по методике [6]. Для измерения температуры использовали термопары ВР20/5, рабочий спай которых защищали тонкостенным кварцевым колпачком. Время измерения составляло 15-20 с. Погрешность измерений оценивали ± 5 оС. Температура стали в изложницах в процессе разливки по данным измерений на опытных плавках находилась в пределах 1520-1560 оС. Для большинства плавок различия в температуре разливаемой стали не превышали 15 оС. Это позволило не вводить температурную поправку к показаниям активометра. Время прохождения ковша от начала выпуска до начала разливки на опытных плавках изменялось в пределах 17-27 мин, а температура
Серiя: Технiчнi науки
стали на выпуске составляла 1623-1635 оС. На рис. 1 приведена зависимость количества алюминия необходимого для получения первого балла раскисленности слитков в зависимости от показаний кислородных датчиков. Существенные различия данных Э.Д.С. для плавок двух серий связаны с тем, что использовались кислородные датчики разных партий.
В целом проявляется закономерность снижения окисленности при увеличении Э.Д.С. Таким образом, представляется возможным определять необходимое количество алюминиевой дроби по показаниям активометра без расчета истинной активности кислорода. Для этого необходимо использовать кислородные датчики высокого качества с достаточной термостойкостью, позовляющей погружать их непосредственно в жидкую сталь.
При измерении активометрами в ряде случаев наблюдались значительные колебания Э.Д.С., что может быть связано с нарушением ионной проводимости твердого электролита или появлением в нем микротрещин. Поэтому для промышленного внедрения предлагаемой методики необходимо иметь кислородные датчики с высокой воспроизводимостью результатов.
Важной задачей является корректировка расхода алюминиевой дроби по ходу разливки. С этой целью провели «посифонные» измерения активности кислорода на опытных плавках. Показателем окисленности стали считали величину обратной Э.Д.С.(1/Е).
На рис. 2 приведена зависимость изменения окисленности стали по порядку разливки поддонов, из которой следует, что окисленность стали в процессе разливки возрастает (особенно на первых трех поддонах). Это требует дополнительной корректировки расхода алюминия в процессе разливки. Технология выплавки металла для производства полуспокойной стали с кипящей корочкой не отличается от технологиии выплавки обычной кипящей стали. Высокое качество слитка полуспокойной стали достигается только в том случае, если металл хорошо кипит в процессе наполнения изложниц.
34 32
Ь 30
,я и
ни
ла
д
о
хс а
Рч 1в 14
Рис. 1 - Зависимость расхода алюминиевой дроби на поддон с изложницами под слитки 17 т от показаний активометра
Рис. 2 - Зависимость окисленности стали в изложнице от номера поддона по порядку разливки
Эффективным средством регулирования толщины безпузыристой корки слитка полуспокойной стали является установление оптимального времени ввода раскислителя в изложницу. Согласно технологической инструкции по достижении металлом заданного уровня изложницы струя прерывается на 30-40 с (для завершения формирования здоровой корки) после чего из бункера подают в центровую необходимое количество алюминиевой дроби и заканчивают разливку. Крайние слитки раскисляют дополнительно. По данным работы [4] толщина беспузыристой корки в головной части слитка превышает 12 мм. Толщина корочки у этих слитков на нижних горизонтах такая же, как в слитках кипящей стали, но зона сотовых пузырей в 5 - 10 раз короче. Вторичные пузыри в таких слитках не образуются. Регулирование интенсивности кипения металла в изложнице производится путем подвешивания на стенках изложниц алюминиевых прутков из расчета расхода алюминия 20-80 г/т. Известно, что увеличение интенсивно-
Серiя: Технiчнi науки
Н1 = Н0-тф , (1)
Т0
сти и продолжительности кипения металла позволяет увеличить толщину корковой зоны слитка. В связи с последними соображениями нами было предложено перед вводом алюминиевой дроби увеличить время прерывания струи до 40-60 с.
Следует отметить, что около 22 % слитков отливают сверху, что ведет к ухудшению качества поверхности этих слитков по сравнению с отлитыми сифонным способом. Для предотвращения пленообразования на данных слитках рекомендуется устанавливать на поддон амортизирующие вставки.
В условиях ММК ОАО «им. Ильича», где все слитки отливают сверху, главной задачей являлся выбор момента ввода под струю ферротитана для его полного усвоения перед присадкой в изложницу ферросилиция [7]. Для решения этой задачи исследовали закономерности усвоения ферротитана расплавом.
Как известно, усвоение ферросплавов жидким металлом состоит из двух элементарных стадий: теплового и диффузионного периодов, а также, при наличии в расплаве кислорода -адсорбционно-кинетического звена. Его развитие приводит к образованию продуктов раскисления, их укрупнению и отделению от расплава [8].
Тепловой период включает в себя время намораживания стали на частицы вводимого ферросплава, прогрева частицы с намороженной оболочкой и последующего плавления оболочки или плавления ферросплава в зависимости от соотношения температур плавления стали и ферросплава. Расчетом выполненным авторами работы [7] установлено, что время, необходимое для расплавления молотого 65-68 %-ого ферротитана, имеющего температуру плавления 1250°С и средний размер частиц 10 мм, при температуре жидкой стали в изложнице 1550°С, составляет 7 ± 3 с, а 30 %-ого ферротитана с температурой плавления 1450°С - 10 ± 3 с.
Уровень расплава в изложнице связан со временем усвоения ферротитана соотношением:
Н
где Н1 - уровень расплава в изложнице в момент ввода ферротитана, м; Н0= 2,4 м - уровень налива расплава в изложнице, соответствующий заданной массе слитка, м; т0 = 50-120 с. - время наполнения расплавом изложницы до уровня Н0, с; Тф - время усвоения титаносодержащего материала, с.
Из выражения (1) следует:
АН = ^ т, (2)
Т0
где АН - величина недолива металла до уровня Н0, при котором осуществляется ввод ферротитана, м.
Результаты расчетов по уравнению (2) дают значения АН = 0,26.. .0,48 м, что хорошо согласуется с данными опытных плавок.
Опыты, проведенные на отдельных слитках с отклонением момента ввода ферротитана от оптимального, привели к следующим результатам: при более раннем вводе ферротитана увеличивалась рослость слитка, для остановки которой требовалось увеличивать расход ферросилиция, а в ряде случаев - заливать поднимающееся зеркало металла водой. При поздней присадке ферротитана поверхность слитка оказывалась ровной, а в некоторых случаях - вогнутой.
Макроструктурный анализ опытного металла показал, что предлагаемый вариант химического закупоривания позволяет получить корковую зону слитка не тоньше 8-10 мм. Сотовые пузыри на поверхность слитков не выходят.
Освоение опытной технологии раскисления позволило оценить величину расходного коэффициента на этапе передела слиток-сляб и величину отбраковки по результатам испытаний на вытяжку (по Эриксену) холоднокатаных листов, изготовленных из металла, разлитого по базовой и опытной технологии.
Значения расходных коэффициентов и долей брака холоднокатаного листа, изготовленного из металла, разлитого с использованием базовой и опытной технологий химического закупоривания, оказались близкими. При этом было достигнуто снижение расхода ферротитана на 0,1 кг/т стали.
Следует отметить, что качество слитков кипящей и полуспокойной стали при соблюдении технологии разливки в значительной мере зависит от качества разливаемой стали.
Серiя: Технiчнi науки
Одним из важнейших условий получения качественных слитков кипящей и полуспокойной стали является обеспечение стабильности окисленности металла от плавки к плавке. В наибольшей мере это относится к низкоуглеродистой стали, степень окисленности которой вследствие особенностей технологии выплавки стали в мартеновских печах изменяется в широких пределах.
Условия выплавки стали в мартеновских печах осложняют возможность получения качественной стали, в частности достижения высокой степени десульфурации. Применение высокоосновного шлака и завалки с высоким содержанием марганца позволяет снизить содержание серы, но лучшим способом предотвращения дефектов металла является обеспечение как можно более низкого содержания серы в завалке.
Чрезмерное переокисление стали приводит при формировании слитка кипящей и полуспокойной стали к образованию газовых пузырей непосредственно у поверхности слитка [9]. Вместо прочного поверхностного слоя получается пористая корковая зона. Этот дефект не обнаруживается при осмотре слитка перед загрузкой его в нагревательный колодец, но напряжения, возникающие в этом непрочном поверхностном слое, в процессе прокатки вызывают вскрытие пузырей (раковин) и их окисление. Возможно также прогорание поверхности слитка и вскрытие пузырей на стадии нагрева в колодце. Прокатка таких слитков вытягивает дефекты вдоль заготовки и на поверхности готового металла видны продольные риски. Аналогичный вид имеют дефекты, связанные с деформацией неметаллических включений на поверхности проката.
При заметных колебаниях окисленности металла от плавки к плавке на зарубежных заводах для расчета расхода раскислителей применяют приборы экспрессного определения кислорода, температуры и химического состава металла и шлака, в то время как на большинстве заводов Украины из-за отсутствия подобного оборудования практикуются косвенные методы определения расхода раскислителей, основанные на учете отдельных технологических параметров плавки к моменту выпуска.
Стабильное содержание кислорода в малоуглеродистой стали (наряду с низким содержанием серы) является особо важным для получения оптимально раскисленных слитков с наименьшими поверхностными и внутренними дефектами.
Содержание кремния в малоуглеродистых кипящих и полуспокойных сталях ограничивается 0,01% [1]. В данном случае кремний является элементом повышающим активность серы в расплаве. Допустимое содержание серы в ковшовой пробе не должно превышать 0,035%. Кроме серы аналогичное вредное влияние оказывают такие металлы, как медь и олово (вызывают дафекты «красноломкости»). Источником перечисленных вредных примесей является металлический лом, содержание которого в шихте следует по возможности ограничивать (рекомендуется до 40%).
Положительная роль марганца для снижения вредного влияния серы связана с образованием тугоплавкого сульфида марганца (температура плавления 1610 оС). В результате при температуре прокатки не происходит ухудшения механических свойств стали. При концентрациях Мп равных 0,25 и 1 % отношение MnS/FeS в сульфидной фазе при 1200 оС составляет соответственно 3,63 и 14,5, т.е. содержание MnS является преобладающим. Таким образом, рекомендуемое отношение Мп^ должно находиться в пределах 12-14. Дальнейшее его увеличение ухудшает условия разливки стали.
Наиболее общим дефектом слитка (и наиболее трудноустраняемым) является образование плены. Для того, чтобы свести к минимуму образование плены применяют следующие мероприятия:
-покрытие внутренней поверхности изложниц смазкой, которая препятствует прилипанию брызг металла;
-применение улавливателя заплесков или «гасителей струи»;
-использование сифонной разливки.
Ни один из этих методов нельзя считать вполне удовлетворительным, что определяет задачи дальнейших исследований.
Качество поверхности слитков существенно зависит от подготовки изложниц к разливке. В настоящее время для смазки изложниц вместо каменноугольного лака, который вызывал недопустимое загрязнение атмосферы, применяют водный раствор лигносульфонатов, являю-
Серiя: TexHÏ4HÏ науки
щихся побочным продуктом переработки древесины. Однако, применение такой смазки вызывает неравномерное покрытие горячих изложниц, что приводит к появлению местных скоплений силикатов на внутренней поверхности изложницы и, как результат, - неметаллических включений на поверхности слитка.
Перспективным является применение в качестве смазки суспензий содержащих углерод-содержащие материалы. В качестве углеродсодержащего материала можно использовать отходы из пылеулавливателя миксерного отделения или порошок графита. Исследования в этом направлении необходимо продолжить.
Выводы
1. Дефекты, возникающие при разливке и затвердеваниии стали вызываются процессами подготовки и наполнения изложниц сталью, химическим закупориванием, стрипперованием слитков. Поэтому обеспечение стабильного содержания кислорода в малоуглеродистой стали (наряду с низким содержанием серы) является особо важным для получения оптимально раскисленных слитков с наименьшими поверхностными и внутренними дефектами.
2. Предложена методика определения расхода алюминиевой дроби при закупоривании слитков стали 08 КП и 08 ПС по результатам измерений кислородными датчиками-активометрами с твердым электролитом, которая позволила в случае оптимального соотношения Mn/S снизить число поверхностных дефектов при одновременном увеличении выхода годного.
3. Усовершенствована технология химического закупоривания слитков кипящей стали марки 08КП для эмалируемого холодного проката, включающая ввод ферротитана «под струю» в момент достижения расплавом расчетного уровня налива. Холоднокатаный лист, произведенный из металла, разлитого с применением опытной технологии химического закупоривания удовлетворяет требованиям ГОСТ 24244-80, группы ВГ, первой категории качества. При этом расход ферротитана снизился на 0,1 кг/т стали.
Список использованных источников:
1. Выбор вариантов химического закупоривания слитков кипящей стали / И.К. Ибраев, В.В.Горбунов, А.А.Ким и др.// Сталь. - 2000. - №6. - С.33-34.
2. Технология производства стали 08КП для эмалируемого холоднокатаного листа / А.М. Овсянников, Б.В. Евтушенко, А.И. Волков и др. // Черная металлургия. Бюллетень НТИ. - 1990.
- Вып. 4. - С. 50-51.
3. О влиянии вида раскислителя и способа разливки на величину головной обрези при закупоривании слитков стали марки 08 КП / Я.А. Шнееров, В.Ф. Поляков, С.Ф. Карп и др. // Разливка стали и качество слитка: Сб. науч. тр. / ИПЛ АН УССР. - К., 1971. - С. 105-109.
4. Разработка способа двухступенчатого раскисления алюминием слитков полуспокойной стали с кипящей корочкой / П.М. Щастный, В.Г. Додока, В.И. Баптизманский и др. // там же. - С. 97-102.
5. Применение высокотемпературных кислородных датчиков для определения оптимального количества алюминия при закупоривании слитков кипящей стали / А.Н. Смирнов, Е.Н. Лебедев, Д.П. Кукуй и др. // Науковi пращ ДонНТУ.Металурпя.- Вип. 102.- Донецьк, 2005.- С.23-31.
6. Макуров С.Л. Измерения температуры в незатвердевшем ядре стальных слитков, отливаемых сифонным способом / С.Л. Макуров, Е.А. Казачков // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1978.
- №11. - С. 39-41.
7. Бондарь В.И. Совершенствование технологии химического закупоривания слитков кипящей стали / В.И. Бондарь, А.В. Остроушко, Е.А.Чичкарев // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. - Вип. 14. - Марiуполь, 2004 . - С. 94-97.
8. Раскисление и легирование стали экзотермическими ферросплавами / Е.И. Исаев, В.И. Баптизманский, В.И. Жигулин и др. - К.: Техника, 1970. - 180с.
9. Laver P.J. Quality control of primary steel prodacts / P.J. Laver, N. Irvin // Journal of Australian Inst., of Metals. - 1964, v.9.-№2.-P.98-101.
Рецензент: Л.Ю. Назюта
д - р. техн. наук., проф., ПГТУ Статья поступила 20.04.2010
