CC BY
56
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999г Вып.№7
УДК 669.189.046:621.746
Ефимов В.А.1
ВТОРИЧНОЕ ОКИСЛЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ
РАЗЛИВКЕ СТАЛИ
Разработана система перелива жидкой стали в промежуточном ковше с фильтрующими перегородками и газовой защитой. Рассмотрен механизм удаления крупных и мелких неметаллических включений в промежуточном ковше с перегородками и подачей аргона в разливочную камеру. Приведены результаты промышленных плавок, подтверждающих эффективность предлагаемой системы очистки стали от неметаллических включений.
Вторичное окисление стали при переливе ее из основного в промежуточный ковш является одним из источников загрязнения металла металлическими включениями. Около 70 % их, обнаруживаемых в готовой заготовке связано при переливе открытой струей с развитием большой поверхности взаимодействия жидкой стали с атмосферой окружающей среды. Увеличение при этом загрязненности стали глиноземом и другими неметаллическими включениями вызывает зарастание разливочных стаканов и нарушает стабильность разливки. Эти явления вызывают повышенный расход огнеупоров, ухудшают качество стали и увеличивают ее себестоимость.
Д.-¡ч решения пробте.^ы снижения содержания включений в стали ФТИМС НАМ Украи-совместно с шюдом чА-австаль!' разражали оптимальную гидродинамическую систему перелива жидки! о м->гал /ере ьергккальпые перегородки с фильтрующими элементами и тоаую >а.дм/у. со'^рас^п к> ниерлшл; ггеадм в промежуточных ковшах емкостью 25-40 гимн.
-1ре,поштркв£с> круаных неметаллических включений фильтрующими
>>:«менгами. а мьлкич. кокор:.!« и иск/г межфаздое торможение больше архимедовой силы газовыми сгруями.
/. Механизм ш'рюнет.'.ч вкипчечшмч при вторичном окислении стали
Источником неметаллических включений при истечении струй из ковша и стаканов является развитие на их поверхности турбулентных завихрений и захват окружающей газовой среды. Интенсивность взаимодействия газов с металлами зависит от диффузионного перемещения газовой фазы в пограничном слое к струе жидкой стали, зарождения и роста твердых и жидких продуктов реакции на ее поверхности. Схема такого процесса представлена на рис. 1а, а схема распределения скоростных нолей в жидкой стали и присоединяемой массы газа на рис. 16. Для взаимодействия с металлом молекулы газа должны быть доставлены к его поверхности из окружающей среды через пограничный слой. Перенос газов в направлении перпендикулярном потоку металла, осуществляется молекулярной и турбулентной диффузией. При этом диффузионный поток обычно описывается уравнением:
Д = Р АС, (1)
где (3 - коэффициент массоотдачи, равный (3 = []]•
6
Дтр - коэффициент турбулентной диффузии газа к металлу; § - толщина пограничного слоя:
1 ФТИМС НАН Украины, д-р техн. наук, проф.
AC - разность концентраций кислорода в пограничном слое.
а
нй к 1 -I н t1 ! <_ <1
I
1 t%Cp !Ы OI ¡1 ( В II
Рис. ] - Абсорбция воздуха струей металла при разливке (а) и распределении скоростей в двухфазной струе (б):
1 разливочный ковш; 2 - пограничный слой; 3 - истекающая струя; 4 - распределение скоростей;
5 - жидкий металл в промежуточном ковше.
Следует отметить, что на значение ДФ большое влияние оказывает развитие на поверхности струи турбулентных завихрений, интенсивно захватывающих кислород и другие газы из окружаюшей атмосферы.
Окисление металлов i i ч it \ г >
рых МОЖНО отнести Х!'МИЧСе М i I 1 I 4 I
ствия с кислородом. I !ри О I Ч. 1 И t ч.
мес?:, также окисляются. i h
став сложных окисло«, кот pi i с ь \ i> ч mi
ми в затвердевшей отливке и. и u \ i i i о« n < в п ic ti'»
стали в кислородсодержащих средах:
Алюминий. При окислении алюминия образуются окислы АЬО.? в а и у модификациях, с железом дают сложный окисел FeA104.
Хром. При окислении хрома образуется окисел Сг>0-< в а и у модификациях, с железом дает окисел FeCrO^
Никель. При содержании никеля до 6 % на окисленность стали почти не влияет. С увеличением содержания свыше 30 % она полностью устраняется.
Молибден, вольфрам. Способствуют уменьшению склонности к окислению.
Ванадий. Способствует окислению стали.
Формирование окислов в стали может происходить в три этапа: адсорбцией кислорода металлом, насыщение жидкого металла кислородом до предела растворимости его в расплаве, а затем уже наступает стадия окисления примесей в нем.
Не останавливаясь на механизме физической и химической абсорбции двух сред, обладающих различной вязкостью и плотностью, который освещен в специальной литературе, обратим внимание на главный параметр вторичного окисления — количество воздуха, захватываемого турбулентной струей при истечении стали из стаканов и операциях при переливе ее из основного ковша в промежуточный, которое происходит из диффузионного слоя толщиной 5 (рис. 1а). По данным Ю. Сцекели [2] это количество зависит от скорости истечения и диаметра струи (Uc, гс), вязкости и плотности газа и жидкой стали (pr,vr,pc), а также высоты распространения струи Н. Им предложена зависимость для определения количества поглощенного газа:
где О, - количество поглощенного газа;
Ос - масса металла в струе, имеющей определенный радиус и высоту истечения; Я - отношение массового поглощения газа к расходу металла в струе; ст - поверхностное натяжение жидкой стали.
Зная расход металла в струе 0С, легко определить массу поглощенного газа. Из этого уравнения следует важный вывод о том, что с увеличением скорости истечения (уменьшением продолжительности контакта ее с газовой средой) и радиуса струи, масса захватываемого газа уменьшается.
Большое распространение для очищения стали от неметаллических включений, образующихся при вторичном окислении, получили методы аргонной защиты металлов в перели-вочных и разливочных стаканах [3,4].
2 Удаление из стали крупных неметаллических включений (с1 >20 мкм).
Наиболее рациональным методом рафинирования стали при непрерывной разливке является применение промежуточных ковшей, в которых металл из приемной камеры передается в боковые разливочные через вертикальные перегородки с рафинирующими элементами [3]. Эти элементы представляют собой огнеупорные стаканы, устанавливаемые горизонтально или под углом к вертикальной оси (рис. 2).
Рис 2 - Схема распределения затопленных струй в промежуточном ковше:
1, 2 - затопленные струи: 3 - вертикальные перегородки с фильтрующими элементами.
Основным средством воздействия на удаление неметаллических включений является выбор рационального распределения затопленных струй и методов управления процессами вихреоб-разования в разливочных камерах промежуточного ковша.
Затопленные струи жидкого металла распространяются в боковых камерах под действием ферростатического давления, создаваемого разницей уровней металла в приемной и разливочной камерах ковша Н. Условия распространения этих струй нечем не отличаются от известных закономерностях, хорошо освещенных в работах Г.Н. Абрамовича, A.C. Гиневского и ряда других исследователей. С точки зрения применения этих закономерностей к процессам рафинирования стали большой интерес представляет рассмотрение турбулентных струй, содержащих мелкодисперсные твердые, жидкие нерастворимые частицы и пузырьки газа. Применение известных методов механики сплошных сред к рассмотрению динамики перемещения монодисперсных частиц и пузырьков газа в неподвижных жидких средах достаточно глубоко освещено в фундаментальной работе Р.И. Нигматулина [5].
Рассмотрим распределение давления и сил, действующих на дисперсную частицу, находящуюся в затопленной струе, направленной под углом к открытой поверхности металла в промежуточном ковше (рис.3).
ша
Как все струи, распространяющиеся в однородной среде, струя жидкого металла, выходящая из фильтрующего элемента перегородки, имеет начальный и основной участки движения. Протяженность начального участка обычно равна Ь(,=7е1о. а скорость по оси круглого сечения на этом участке равна начальной скорости струи на выходе из стакана П=\/0. Скорость по оси основного участка ной же струи зависит от растворения рассматриваемо! о участка от ?ы>одного сечения X и газна:
: До \ ,, -- ОК. ' ?. с"; ч;-, Ъ),> - / ' И : <,;>,.ра•;.■:» \
Значение приведенных параметров д ^ оеесм^^-етри^ных ст;! мепяются в зависимоем 01 формы поперечного стакана фильтрующего элемента и распределения скоростей в нем. Максимальное значение скорости но мере расширения границ затопленных струй за счет присоединения масс постепенно уменьшается. Исходя из законов гидродинамики известно , что изменение скорости по сечению струи вызывает и изменение массовых сил, действующих на все ее элементы. При этом всегда сумма статического Рст и динамического Рдин давлений величина постоянная:
Р = Рст. + Рдин. = Рст +^|- = СОП81. (4)
Поэтому если осевая скорость в начальном и осевом участках струи больше, чем окружающей его среды, то по оси струи создаются области пониженного давления (разрежение), в которые и затягиваются неметаллические включения. Этим и объясняется рафинирующая роль турбулентных затопленных струй в боковых камерах промежуточных ковшей. Чем больше диаметр стаканов в перегородке и выходная скорость струй из них, тем рафинирующий эффект их больше. Важным вопросом при организации рационального расположения стаканов в вертикальной перегородке ковша является определение количества жидкого метала, захватываемого затопленной струей с окружающей жидкости. Оно зависит от вихревой вязкости среды и равно для осесимметричной струи:
р=8леЬ, (5)
где е - вихревая вязкость среды, равная 8=0,013 У0ё0;
Ь - протяженность струи в разливочной камере.
Зная объем металла в этой камере и объем присоединенной массы затопленной струи, можно определить оптимальное количество рафинирующих элементов в перегородке и рацио-
нальное их размещение.
Обычно их размещают в 2-3 ряда по высоте перегородки, при этом нижние стаканы должны обязательно располагаться под углом в направлении к открытой поверхности металла в ковше.
Распределение сил, действующих на моночастицу в наклонной струе представлено на рис.3. В процессе истечения затопленной струи на нее действует гидродинамическая сила скоростного напора Рдин , направленная под углом, и вертикальная архимедова сила всплывания Рарх неметаллического включения. Равнодействующая этих сил всегда направлена к открытой поверхности металла в ковше, неметаллические включения адсорбируютя покровным шлаком.
Как показала практика, для обеспечения существующих скоростей вытяжки заготовок на МНЛЗ (2,2-2,8 т/мин), суммарная площадь сечения всех переточных каналов не должна быть менее 300 см2. Существенное уменьшение суммарной площади их сечений приводит к снижению обрабатываемых объемов металла. Это приводит к развитию температурных напряжений и разрушению футеровки. С другой стороны, значительное увеличение суммарной площади сечения переточных каналов также нежелательно, так как в этом случае значительно снижается скорость затопленных струй. Руководствуясь этими данными и, учитывая необходимость достаточных скоростей затопленных струй, следует иметь большое количество каналов, равномерно расположенных в области перегородки. Исходя из технологических и гидродонамиче-ских соображений, первый ряд нижних каналов должен быть расположен как можно ближе к днищу ковша и создавать наклонные потоки, направленные вверх к открытой поверхности.
Проведенные разливки промышленных сталей марок 09Г2ФБ, 13Г1СУ, 88-400, А8ТМА-36 показало, что устройство вертикальных перегородок на вызывает осложнений при массовом производстве, они обладают высокой стойкостью и надежностью. Разливка сталей марок А8ТМА-36, 17ПСУ, 09-10Г2ФБ, 8144-2 по новой технологии обеспечивает снижение содержания всех типов (сульфиды, оксиды, ш-приды) в 1,8-2,2 раза (в основном включения 20 мкм и более).
По результатам внедрения технологии инфицирования стали установлено:
!. Разливка трубных сталей марок 09 10Г2ФБ позволяет стабилизировать меха-
нические свойства, в частности относительное удлинение. Количество партии металла с 6<?1 % снижается по сравнению с обычной разливкой в 2-3 раза;
2. Повышаются пластические свойства стали 13ПСУ и снижается отсортировка металла по пределу текучести по первичным испытаниям в 2 раза;
3. Снижается количество листов, отсортированных по дефектам, выявленных в УЗ К. так и количество металла, удаленного в обрезь по этой причине, более чем в три раза.
3. Удаление из стали неметаллических включений размером 20 мкм и менее
Удаление неметаллических включений из стали менее 20 мкм достигалось за счет создания за вертикальной перегородкой промежуточного ковша газовой завесы (рис.4).
жуточном ковше: 1 - продувочная фурма; 2 - фильтрационная перегородка
Она создается путем вертикальной подачи газа через пористый блок, преграждающий движение металла через все поперечное сечение ковша.
Переменное распределение кинетической энергии между жидким металлом и газовой фазой приводит к тому, что вертикальная двухфазная струя в процессе истечения разбивается на две зоны [3]. Нижняя часть, в которой скорость подачи газа имеет максимальное значение, состоит с очень большого количества мельчайших газовых пузырьков, всплывающих сплошным потоком в виде газожидкостной эмульсии (рис.5.а).
а 5
Рис.5 - Схема газовой струи в ковше по Туркцогану (а): 1 - зона формирования газометалличесхоП шмиаи >< на ьрл ччь ги!"\ г и * - каьапьяый огне\порный блок. Распределение сим при
> ( 1 и ¡11 I I ' ( л. !1 ¡!»газо* «См
Количество 'л-ндкого ароинкающсго ь поток <г ¡рисоединекндй •.. к ся о
сги) (определяется величиной иазосл-егЬ-*. озд.^нзеусто ск-.-оостиым ¡клоком п.зоьои ируи.
Верхняя пжа в ко юрой гс.^дствие раапиосимя »атопленпой диухфалиой струи, присоединенная масса жидкого металла увеличивается, скорость потока уменьшается. При этом в первой зоне мельчайшие пузырьки газа перемещаются вертикально вверх с небольшой скоростью. так как малый диаметр не способствует их быстрому вегыыванию, а кинетическая энергия их расходуется на адсорбцию мелких неметаллических включений. Во второй зоне, наоборот, вследствие небольшого ферростатического давления металла, создаются условия для развития крупных газовых пузырей, обладающих большими архимедовыми силами. Неметаллические включения, приносимые мелкими пузырями с нижних горизонтов струи, превращаются в мощный поток их к открытой поверхности металла в промежуточном ковше.
Если учесть, что давление в пузырьке равно Р = ——, а давление, создаваемое внешней
г
средой, равно сумме атмосферного давления Рат и давления слоя металла, находящегося над этим пузырьком Р = уН, то условие неустойчивости газожидкосного пузырька в струе может быть записано в виде следующей зависимости:
— = Рэт+ун, (б)
г
а величина радиуса равновесного пузырька на любом горизонте составит
г = (7)
Рат+УН
В этих зависимостях: с - поверхностное натяжение; у - удельный вес жидкой стали, Н - высота столба металла над пузырьком.
По данным С.С. Кутеталадзе интенсивное перемещение пузырьков в верхней зоне наступает после достижения критического радиуса пузырька [6]. Это явление связано с возникнове-
нием силы трения между всплывающим пузырьком и жидкой средой. Интенсивное перемещение жидкой фазы начинается после достижения пузырьками критического радиуса и критической скорости всплывания. Значение такой критической скорости зависит от разности плотностей жидкой и газовой фаз, а также величины межфазного натяжения [6]. Значение такой скорости всплывания может быть определено по следующей зависимости:
fí 4ёа(рж -рг)
ЧРж
где рж, рг - плотность жидкого металла и газовой фазы: Cf- коэффициент сопротивления движения пузырька.
Общая скорость подачи двухфазной среды к открытой поверхности металла в промежуточном ковше равна:
U = Ucip.+UKp,, (9)
где истр - скорость вынужденного движения двухфазной среды, создаваемого кинетической энергией струей в верхней зоне.
Господствующую роль в процессе удаления мелких неметаллических включений из стали играют процессы, происходящие в нижней зоне двухфазной струи. Это объясняется тем, что при истечении газовой струи в жидкую сталь образуется газожидкостная эмульсия с большим количеством газовых пузырей и происходит слипание их с дисперсными частицами, имеющимися в стали. Прочность прилипания неметаллического включения (подложки) к газовому пузырьку зависит от разности давления газа внутри пузырька Р и давления на него, создаваемого внешними силами (рис. 56). Разница этих противоположно действующих сил составляет [7J:
' 7ГХ"
;де -и н\ >,ырька:
\ -н Í \
i , t и«!, , •'»висимости следует, что с уменьшением радиуса неметаллического вклк. ...л.....-....... :> шос<ь прилипания увеличивается. Этим и объясняется причина более эффективного очищения стали oí мелких включений газовыми пузырями, имеющих малый радиус.
Для создания потока мелких газовых пузырей на дно поперечного сечения ковша устанавливался канальный блок с диаметром выходных пор 1-2 мм. При расширении двухфазной струи в затопленном пространстве, создаваемый этим блоком, образовывалась газожидкостная эмульсия, поглощающая дисперсные частицы, перенося их вертикально вверх. Блок имел размеры 70 х 80 х 850 мм и устанавливался за вертикальной перегородкой с фильтрующими элементами (см. рис. 4). Давление газа, подаваемого в блок, колебалось в пределах 0,1 - 0,2 МПа, при расходе 20-30 м-/час. Работа газовой завесы, создаваемой фурмой, показало, что ее действие наиболее эффективно проявляется после снижения кинетической энергии турбулентных струй.
Проведение промышленных серий плавок показало, что предлагаемая универсальная система очистки стали от неметаллических включений удовлетворяет производственным условиям и обеспечивает простоту регулирования процесса продувки при стабильном режиме разливки плавок. Изменение режимов продувки на отдельных плавках показало, что вариация параметров (давление, расход) в указанных выше пределах не приводит ни к бурлению, ни к оголению зеркала металла в зоне продувки, поскольку подача аргона производится не локально, а рассредоточено, через многоканальную керамическую фурму. Измерением температуры установлено, что предлагаемое техническое решение не приводит к снижению температуры стали, поскольку расход аргона незначителен.
По результатам изучения качества металла установлено: !. Предложенная схема разливки позволяет снизить общий индекс загрязненности стали неметаллическими включениями размером 10-20 мкм в 2,2 - 2,5 раза;
2. Относительное удлинение на стали марки ASTM А-36 и ударная вязкость на стали «А» повышается на 10-15 %;
3. Отсортировка листов по УЗК на опытном металле составила 0,5 %, против 1.5 % у сравнительного.
Выводы
1.Технология рафинирования стали в промковше за счет установки специальных перегородок обеспечивает снижение общего содержания неметаллических включений в 1,8 - 2,2 раза.
2.Внедрение указанной технологии на МК «Азовсталь» обеспечило значительное повышение пластических свойств листов из низколегированных марок стали и снижения количества листов, отсортированных по дефектам, выявленных УЗК.
3.Дополнительная продувка металла аргоном в разливочной камере промковша обеспечивает эффективное удаление неметаллических включений размером 20 мкм и менее.
Перечень ссылок
1 .Окисление и обезу глероживание стали / Ващето А.И., 'htm,конский А Г., Лифшии А.Е. и др. М.: Металлургия. 1972,- 17 с.
2.Szekely. Rate phenomena in Process Metallurgy. New. York - I nndon-Sydney-'foronio, !97i.- p.6.3. j-Ftpmiov H.A. 'i-mkipxotffHi А С. Современные техьоло; ни жш^ки и кристаллизации сплавов. М.: Машиностроение, i 998. • С. ? 39-34 I
4 Совершенствование чащи i ы стали от вторично!л окислекн* мри рдзлизче на ММЛЗ / 1'ыщтт А.Н. Фоменко А П л >рл:>в И.А. и др. '' Стзль.~Хе ! i.- - С 5 9-:\'<
у.Нигмату.чин Р. И Методы механики сплошной среды для описания многофазных смесей 7 Прикл. математика и механика,-! 970,Т?4.- № 6,- С. 1097-1! 12.
6.К)-пштелаОзе С.С. Стыркович М.А. Гидродинамическая устойчивость жидкостных систем !! Избр. тр., Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1989,- С. 129-133.
1 .Ефимов В.А., Элъдарханов A.C. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов,- М.: Металлургия, 1995.- С. 184.
Ефимов Виктор Алексеевич. Академик HAH Украины, д-р техн. наук, проф. Советник директора ФТИМС HAH Украины. Выпускник Днепропетровского металлургического института 1947 года. Основные направления научных исследований — теория и практика разливки стали, физико-химические и теплофизические процессы кристаллизации стали.
