Улучшение качества и разливаемости металла путем совершенствования технологии его раскисления при внепечной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Металлург № 10 2003 С. 45…47. УДК 621.746.5

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА И РАЗЛИВАЕМОСТИ МЕТАЛЛА ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО РАСКИСЛЕНИЯ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ

С.В. Виноградов, А.А. Фетисов, докт. техн. наук В.И. Жучков ОАО "НТМК", ИМЕТУрОРАН

Как известно, свойства металлопроката зависят от химического состава, количества, величины, характера распределения и морфологии неметаллических включений. В настоящее время большинство сталей раскисляют алюминием, который не только технологичен как раскислитель, но и является действенным модификатором, обеспечивающим получение более плотной структуры с заданным мелким зерном и хорошие показатели пластичности и вязкости. Однако продукт раскисления - глинозем, даже при общей относительно высокой чистоте стали, резко ухудшает ее жидкотекучесть, приводит к затягиванию каналов разливочных стаканов. Кристаллические остроугольные включения как концентраторы напряжений и очаги разрушения металла снижают пластичность и прочность стали и особенно опасны в условиях ее охрупчивания при низких температурах и больших мгновенных нагрузках.

Рис. 1 - Диаграмма фазового состояния системы СаО Al2O3·SiO2 [2]: 1, 4 -- недеформируемые включения повышенной вязкости; 2 - жидкие недеформируемые включения; 3, 5 -- деформируемые включения; 6, 7 -- твердые недеформируемые включения

Отрицательное влияние включений глинозема на свойства металла является причиной введения запрета на применение алюминия для раскисления сталей ответственного назначения, например, железнодорожного сортамента, что создает проблемы обеспечения качества металлопродукции. В последние годы убедительно доказано, что обработка кальцием стали, раскисленной алюминием, позволяет устранить эти нежелательные эффекты [1].

Основной задачей обработки кальцием жидкой стали, раскисленной алюминием, является модифицирование твердых включений глинозема в жидкие комплексные типа 12СаО-7Аl2О3, которые могут частично удаляться в шлак при внепечной обработке стали аргоном в сталеразливочном ковше. При этом растворенный кальций, соединяясь с включениями глинозема, образует алюминаты кальция различного состава, количество которых растет пропорционально количеству растворенного кальция.

В бинарной фазовой системе CaO·Al2O3 могут быть сформированы следующие фазы: Al2O3, СаО·6Аl2О3, CaO·2Al2O3, CaO·Al2O3, 12CaO·7Al2O3, 3CaO·Al2O3,·СаО.

При 1600 °С, когда содержание СаО в алюминатах достигает 40 %, они переходят из твердого состояния в жидкое. С повышением содержания СаО до 60 % фазовое состояние алюминатов вновь меняется, и при 60 % СаО жидкими остаются лишь модифицированные включения, по составу близкие к 12СаО·7Аl2О3. В трехкомпонентной фазовой системе CaO·Al2O3·SiO2 каждая зона определяет различные свойства включений -- жидкие или твердые, и характеристики их деформируемости -- пластичные или непластичные (рис. 1) [2].

Знание величины соотношения между содержанием кальция и алюминия в стали (по результатам химического анализа готового металла) важно для управления процесса модифицирования включений глинозема. Он протекает успешно при отношении Са/Аl>0,14 [2]. Для того, чтобы получить желаемое отношение Са/Al, необходимо знать степень усвоения кальция металлом в технологическом процессе. Установлено, что она составляет не менее 15…25 % при обработке порошковой SiCa-проволокой и обычно менее 15 % при инжекции порошка кальция в металл. Кроме того, при обработке проволокой усвоение кальция более стабильно.

Необходимое для модифицирования количество кальция следует определять в зависимости от количества включений глинозема, оставшихся в жидкой стали, с тем чтобы они могли быть переведены в жидкие алюминаты кальция (12СаО·7Аl2О3).

Составы включений в жидкой стали модифицируются кальцием в такой последовательности: Аl2О3 > СаО·6Аl2О3 > СаО·2Аl2О3 > СаО·Аl2О3 > 12СаО·7Al2O3. Таким образом, модификация включений из СаО·6Аl2О3 в CaO·2Al2O3 невозможна до полной модификации глинозема в СаО·6Аl2О3.

Как известно, кальций относится к активным десульфураторам. В связи с этим необходима тщательная корректировка добавок кальция в жидкую сталь для обеспечения, в частности, желаемой модификации первичных включений глинозема и избежания выделения CaS.

При вводе кальция в количестве меньшем оптимального происходит неполная модификация включений глинозема в алюминаты кальция с высокой температурой плавления, с другой стороны, при добавке Са в количестве большем оптимального образуются сульфиды кальция, что также вызывает затягивание сталеразливочного стакана промковша МНЛЗ.

Экспериментально было определено, что для предотвращения зарастания сульфидами кальция разливочного стакана промковша МНЛЗ при разливке специальных сталей целесообразно вводить кальций с таким расчетом, чтобы отношение Са/Аl > 0,05 [3]. Последующий анализ сортовых профилей показал, что в плавках, удовлетворяющих соотношению Са/Аl > 0,085, при ультразвуковом контроле очень редко обнаруживаются включения. Была определена зависимость между содержаниями кальция и алюминия и качеством металла по результатам ультразвуковой дефектоскопии металлопродукции (рис. 2). Установлено, что для стали, содержащей менее 0,30 % С, приемлемый диапазон отношения Са/Al шире и распространяется до более низких величин. Однако при этом в алюминате кальция обнаруживается большое количество выделенной фазы CaS, что приводит к зарастанию каналов разливочных стаканов сульфидами кальция.

Основными условиями для обеспечения наиболее полной модификации твердых включений глинозема в стали, обработанной кальцием и раскисленной алюминием, являются:

перемешивание металла аргоном до и после обработки кальцием, при этом очень важным является интенсивность и продолжительность продувки;

добавка кальция строго в соответствии с содержанием активного кислорода и серы в стали и состава наведенного ковшового шлака;

устранение возможности вторичного окисления при разливке металла на МНЛЗ (использование защитных трубок между стальковшом и промковшом, между промковшом и кристаллизатором, вдувание в них аргона и др.) [2]. металлопрокат сталь химический глинозем

С учетом изложенного на НТМК проведена работа с целью изучения влияния предварительного раскисления алюминием на качество и разливаемость трубного металла. Были исследованы 100 плавок стали 10ТР и 20ТР с раскислением металла в ковше-печи предварительно алюминиевой проволокой с расходом 0,20 кг/т и окончательно-алюминиевой и порошковой силикокальциевой проволоками с расходом 0,40 и 1,7 кг/т соответственно.

Рис. 2 - Зависимость между содержаниями кальция и алюминия и качеством сортового проката: 1, 2 -- удовлетворительные и неудовлетворительные результаты УЗК соответственно

Установлено, что на опытных плавках содержание алюминия в сталеразливочном ковше после предварительного раскисления на установке ковш-печь возрастает с 0,004 до 0,008 % соответственно.

Содержание алюминия в промковше МНЛЗ после окончательного раскисления в конце обработки металла на установке ковш-печь равным количеством алюминиевой проволоки на опытных и сравнительных плавках находится на одном уровне - 0,018 и 0,019 % соответственно. Механические свойства трубной непрерывнолитой заготовки на опытных и сравнительных плавках были одинаковы. Характеристики опытного (А) и сравнительного (Б) металла приведена ниже:

Оценка качества макроструктуры по ГОСТ 10243-75 показала, что газовый пузырь отсутствовал на всех пробах металла опытных плавок, на сравнительных -- только при содержании алюминия в металле не менее 0,015 %.

На плавках, обработанных по обычной технологии, имели место случаи зарастания глиноземом стакана-дозатора промковша МНЛЗ, а промывка стакана кислородом приводила к некрытию стопора. Количество таких случаев на сравнительных плавках достигало 20 %. При разливке на МНЛЗ опытного металла таких случаев не было. Улучшение разливаемости опытного металла объясняется меньшим содержанием в нем твердых частиц глинозема благодаря переводу их в шлак в результате более длительной продувки металла аргоном и получению более благоприятного для разливаемости стали соотношения содержания кальция и алюминия. При этом серийность разливки металла на МНЛЗ возросла с 11,6 до 19,3 плавок. Число плавок, разлитых в один промковш, увеличилось с 4,5 до 6.

По результатам промышленного опробования метода предварительного раскисления трубного металла, обрабатываемого на установке ковш-печь и разливаемого на МНЛЗ, уточнили оптимальное значение отношения Ca/Al (0,10-0,18) и сократили расход силикокальциевой проволоки с 1,7 до 1,5 кг/т, окупив дополнительные затраты на алюминий для предварительного раскисления металла.

Анализируя случаи некрытия стопоров промковша МНЛЗ, выяснили, что они происходили в основном при содержании в металле более 0,0030 % Са. Это объясняется реакциями, характер которых зависит от материала огнеупора, и отношения общего содержания кальция к содержанию оксида алюминия огнеупора. Известно, что обработка расплавов кальцием влияет на продолжительность эксплуатации огнеупоров, особенно контактирующих с большой массой перемещающейся жидкой стали (например стопор-моноблок, стакан-дозатор, погружной стакан МНЛЗ). Введенный в металл кальций, с одной стороны, восстанавливает огнеупорный материал, с другой, реагирует с ним с образованием различных продуктов реакции, например, алюминатов и алюмосиликатов кальция, усиливая износ огнеупоров [4]. Для глиноземистых огнеупоров на муллитной или углеродной связке содержание кальция в металле ограничивают 0,003 %. В этом случае износ стопоров-моноблоков, стаканов-дозаторов и погружных стаканов МНЛЗ незначителен или умеренный. В то же время содержание алюминия во многих сталях трубного сортамента регламентировано (не менее 0,02 %). В этом случае содержание в металле менее 0,002 % Са нарушает оптимальное для высокой разливаемости отношение Са/Al (менее 0,10), вызывая зарастание разливочных стаканов частицами глинозема.

По результатам проведенной работы для производства высококачественной трубной непрерывнолитой заготовки на комбинате рекомендовано:

при обработке трубного металла на установке ковш-печь проводить обязательное предварительное раскисление металла алюминиевой проволокой с расходом 0,2 кг/т;

окончательное раскисление трубного металла проводить в конце обработки на установке ковш-печь алюминиевой проволокой с расходом 0,4 кг/т и порошковой силикокальциевой проволокой с расходом 1,5 кг/т;

для наиболее полного удаления комплексных соединений глинозема в шлак при окончательном раскислении необходимо проводить продувку металла аргоном не менее 3 мин как после ввода алюминия, так и после ввода кальция;

для обеспечения разливаемости металла и минимального износа металлопровода промежуточного ковша МНЛЗ содержание кальция в металле должно быть в пределах 0,002-0,003 %;.

для предотвращения образования сульфидов кальция и их отложения на стенках каналов разливочных стаканов кальций для окончательного раскисления необходимо вводить при содержании в металле не более 0,018 % S;

для исключения вторичного окисления кальция в металле при разливке на МНЛЗ необходимо вдувать аргон в защитную трубу между сталеразливочным и промежуточным ковшами, а также в стопор-моноблок.

В результате усовершенствования технологии раскисления трубной стали производительность всех МНЛЗ комбината доведена до проектной и превысила ее, серийность разливки ограничена не качеством металла, а техническим состоянием МНЛЗ.

Библиографический список

1. Дюдкин Д.А., Харахулах B.C. О перспективах повышения качества металла в Украине // Металлы и литье Украины. 1999. № 13…14. С. 5…7.

2. Presern V., Kmetik D., Volny O. Einschlusse in Kalziumbehandelten Aluminiumberuhigten Stahlen // Radex-Rundschau. Heft Ѕ -- 1991. S. 433...443.

3. Каваути Ю., Кадзусима М. и др. Технология обработки специальных сталей кальцием // Новости черной металлургии за рубежом. 1996. № 1. С. 64…66.

4. Кярья Я., Невала X., Хинцен У., Визель М. Характеристика износа огнеупоров при разливке сталей, раскисленных кальцием // МРТ. 1999. С. 24…28.

Размещено на Allbest.ru