50 лет МНЛЗ

Отработка технологии обработки низкокремнистых марок стали кальцийсодержащей проволокой с учетом улучшения технологических параметров разливки стали на МНЛЗ на ОАО «АМК»

Пащенко А.В., Горяинова Т.В., Акулов В.В., ОАО «Алчевский металлургический комбинат»

В современной металлургии большинство сталей раскисляют алюминием. Обычно его подачу рассчитывают так, чтобы в жидкой стали присутствовало остаточное его количество. Алюминий не только удобен (технологичен) но и служит действительным модификатором структуры, обеспечивающим получение более плотной стали с заданным мелким зерном и хорошими показателями пластичности и вязкости. Вместе с этим глинозем при общей относительно высокой чистоте стали вызывает резкое ухудшение жидкотекучести, затягивания каналов разливочных стаканов. Кристаллические остроугольные включения, как концентраторы напряжений и очаги разрушения металла, особенно опасны в условиях охрупчивания стали при низких температурах и больших мгновенных нагрузках. Глинозем отрицательно сказывается на свойствах жидкого металла и из-за этого был введен запрет на применение алюминия для раскисления сталей ответственного назначения, например железнодорожного сортамента, что в свою очередь, создает проблемы обеспечения качества металлопродукции.

Одним из важных технологических приемов разработанных в последние годы в черной металлургии, является внедрение способа обработки стали порошковыми проволоки с высокореактивными реагентами, вводимыми в ковш при помощи специальных механизмов с регулируемой скоростью ввода.

Причиной разработки и внедрение этого метода послужила проблема «зарастания» дозировочных устройств промковшей при разливке сталей, раскисленных только алюминием.

Одним из способов улучшения проводимости металлопроводки во время разливки на МНЛЗ является модифицирование формы глиноземных включений в стали. Это достигается путем фиксированного ввода в сталь кальция во время внепечной обработки металла.

Введение в сталь, раскисленную алюминием, кальция и его окисление в СаО приводит к появлению алюминатов кальция, чаще всего в глобулярном виде. Алюминаты кальция имеют температуру плавления порядка 1400° и находятся в жидком состоянии во время разливки стали. На этом эффекте основана возможность улучшения разливаемости стали[1].

С вводом на ОАО «АМК» двухпозиционной установки ковш-печь и одной двухручьевой слябовой МНЛЗ производительностью 2,5 т/год началось освоение сортамента сталей принципиально отличающихся от ранее производимым на Алчевском металлургическом комбинате, в частности, с содержанием кремния менее 0,1% типа 1006-1020 (Si 0.03%). Данные марки стали 1006-1008 являются не только низкокремнистыми, но и низкоуглеродистыми - раскисленные только алюминием, при малом количестве марганца: [С] = 0,02-0,08%, [Мn] = 0,25-0,45 %, [ AL] = 0,030 – 0,060 %, [ Si] = 0,03 % предназначенные для производства холоднокатаных рулонов.

При разливке на МНЛЗ стали 1006-1008 имеют достаточно высокую скорость разливки до 1,9 м/мин, при этом массовая скорость металла составляет в среднем 6 т/мин, что должно обеспечиваться хорошим состоянием металлопроводки, которая характеризуется количеством алюминатов, осевших в процессе разливки в канале стакана дозатора промежуточного ковша и каналах погружных стаканов (рис. 1 – а, -б).

Отработанные стаканы с различной степенью отложения алюминатов

Рис. 1. Отработанные стаканы с различной степенью отложения алюминатов: а - стакан с минимальным количеством алюминатов, б- «заросший» алюминатами канал погружного стакана

На ОАО АМК используется защита аргоном системы коллектор – защитная труба и стакан–дозатор - погружной стакан. И тем не менее «зарастание» стакана- дозатора и погруженного стакана стало проблемой номер один при разливке низкокремнистых марок стали.

Промывание кислородом канала стакана дозатора, замена погружного стакана после двух, трех плавок влекло за собой увеличение расхода огнеупоров, аварийную потерю ручья после промывки кислородом из-за некрытия стопора промковша, или из-за повреждения плит стакана-дозатора и как следствие увеличение технологической обрези.

Проблему представляло собой так же и «ненаполнение промковша» по причине «зарастания» ковшевого стакана сталеразливочного ковша из-за чего четверть плавки (последние 75-90т) приходилось разливать без защитной трубы с промывкой коллектора шиберного затвора, что отрицательно сказывалось на качестве непрерывнолитого сляба (рис. 1). На рис. 2 а представлены неметаллические включения в металле, отобранном непосредственно при «ненаполнении» промковша. На рис. 2 б, в представлены количественные составляющие включений, кислород и алюминий.

Рис. 2. а - неметаллические включения на шлифе х100, б- кислород в составе включения, в- алюминий в составе включения.

Решение вышеперечисленных проблем было найдено, путем подбора варианта обработки низкокремнистых марок стали кальцийсодержащими проволоками.

Для достижения оптимальных и стабильных результатов обработки расплава порошковыми проволоками с различными наполнителями должны выдерживаться определенные условия ввода ее в расплав с учетом конкретной ситуации. Порошковая проволока вводится при внепечной обработке металла на установках печь-ковш, агрегатах доводки стали в промежуточные ковши при разливке на МНЛЗ или непосредственно в ковш при выпуске металла из печи (в основном в старых мартеновских цехах). Во всех случаях ввода необходимо уменьшить расстояние между концом направляющей и расплавом в ковш, которое должно быть не более 300-4000 мм, обеспечив максимально вертикальное вхождение проволоки[1].

При обработке порошковой в сталеразливочном ковше уровень усвоения кальция также зависит от последующей продувки (перемешивания металла), времени выдержки перед разливкой, от продолжительности самой разливки.

С учетом вышеуказанного были определены и отработанны следующие параметры обработки стали кальцием:

  • выбор типа кальцийсодержащей проволоки;
  • порядок ввода проволоки в ковш:
  • раскисление шлака в стальковше на УКП;
  • режим продувки инертным газом на УКП.

Говоря о необходимости обработки стали кальцийсодержащими проволоками необходимо упомянуть о раскислении стали алюминием.

Использование порошковой проволоки позволяет точно определять количество остаточного кальция, исходя из задач технологии. Условия разливаемости будут обеспечиваются при содержании кальция в промковше на уровне 0,0015 – 0,0025%.

Недостаточное количество кальция приведет к неполной трансформации глиноземистых включений. Его избыточное содержание ведет к выделению сульфата кальция, который ведет к затягиванию сталеразливочных стаканов и отрицательным факторам указанным выше. Снижение содержания серы расширяет область положительного влияния кальция на состояние расплава. Повышенное содержание остаточного алюминия в стали затормаживает реакции трансформации алюминатных включений, увеличивает концентрацию алюминия в алюминатах кальция, создает предпосылки для усиления процессов повторного окисления а процессе разливки, а как же для образования глинозема при охлаждении и затвердевании стали, что в сумме ведет к дополнительному загрязнению стали оксидами. После раскисления алюминием, обработка плавки кальцием увеличивает концентрацию общего алюминия, создает предпосылки для выделения сульфидов кальция CaS, которые обладая высокой температурой плавления, ухудшают жидкотекучесть и не в меньшей степени, чем глинозем, закупоривают сталеразливочные стаканы.

При увеличенном расходе алюминия оксидные включения превращаются в Al2O3 с образованием СаО. По мере снижения содержания алюминия увеличвается количество СаО и исчезает СаS. Следовательно, содержание алюминия в стали целесообразно ограничить нижним пределом требований. Для получения жидких алюминатов кальция должны выполняться следующие соотношения:

Нижний предел содержания кальция в расплаве , %

[Са] > 0,0016 + 0,01 [Al] (1)

Верхний предел содержания кальция при [S] > 0,014%

[Са] < 0,0026 + 0,0036 [Al] (2)

Содержание кальция при [S] > 0,014%

[Са] < 0,0037 – 0,042 [S] (3)

Исходя, из вышеперечисленного и отработки практически технологических параметров обработки стали кальцием было определено следующее:

  1. Выбран тип проволоки FeCa, с содержанием 40% кальция металлического. Использование SiCa проволоки было исключено исходя из необходимости получения остаточного кремния до 0,03%. Возможность применения AlCa проволоки исключалось по причине вноса избыточного алюминия в конце обработки, т.к. по ходу обработки плавки для хорошей десульфурации (в конце обработки содержание серы менее 0,010%) сталь должна быть раскислена алюминием не менее чем на его нижний предел.
  2. Ввод кальциевой проволоки примерно за пять минут до окончания обработки.
  3. Температура стали во время ввода проволоки 1595 - 1560°С , скорость ввода проволоки 250 м/мин( 4,2 м/сек).
  4. Продувка аргоном плавки через пористые пробки во время ввода кальция составляет от 100 до 250 л/мин и поддерживается такой расход до окончания ввода кальция.
  5. Достаточное раскисление шлака плавки на УКП ( FeO + Mn <= 1,0%, наличие основного покровного шлака в промковше, защита от вторичного окисления аргоном, соединенный коллектор – защитная труба и стакан- дозатор - погруженный стакан.

Исходя из технической и экономической целесообразности обработку кальциевой проволокой ввели на 3-й и 6-й плавках в серии «промывая», тем самым заросшие алюминатами стакан – дозатор и погруженные стаканы.

На рисунке 3 показана зависимость положения стопора промковша от содержания кальция в металле. В стали необработанной кальцием, положение стопора колеблется от 80 -110 мм (полностью открыт при разливке затягивает погружной стакан).

В металле обработанным кальцием, положение стопора находится в пределах от 40 до 85мм, что говорит о закрытом стопоре, не происходит затягивание погруженного стакана.

Практическим путем установили необходимое количество кальциевой проволоки от 50 до 100кг кальция, чтобы содержание кальция в металле было на уровне 0,0020 – 0,0030%, исходя, что усвоение кальция в металле от 10 до 15%. Суммарное снижение затрат при обработке стали кальцием составило 2 гривны на 1 тонну.

Зависимость положения стопора промковша от содержания Са в металле

Рис. 3. Зависимость положения стопора промковша от содержания Са в металле

На сегодняшний день чистота стали не определяется количеством в ней серы, фосфора, водорода. Неметаллические включения, понятие чистоты - является относительным и определяется применением стали. Сталь рассматривается, как композиционный материал, состоящий из стальной матрицы и неметаллических включений и чаще всего важнее размер, состав, форма, распределение включений, чем их количество. В сталях обрабатываемых кальцийсодержащими материалами, образуется алюминаты кальция, которые имеют глобулярную форму и легко коагулируют, что способствует возрастанию скорости их всплывания. В процессе продувки и перемешивания их можно полностью удалить из расплава. Кальций является наиболее химически активным элементом по отношению к Fe в сравнении с Ti, Mn, Si, S, P, обогащение которым границ зерна вызывает межкристаллитное охрупчивание и определяет качество металла.

Кальций, адсорбируясь по границам зерен, предотвращает и нейтрализует действие вышеуказанных элементов, модифицируя форму соединений этих включений, значительно повышает чистоту стали по неметаллическим включениям, снижая зональную ликвацию.

На рисунке 4 представлено глобулярное неметаллическое включение. На темплете, отобранном от необработанной кальцием стали, кристаллизационные зоны имеют четко выраженный характер. На темплетах, отобранных от плавок обработанных кальцием, кристаллизационные зоны имеют слабо выраженный характер при явной тенденции к уменьшению их ширины, на фотографиях (рис. 5) микроструктуры при увеличении x50 видна глобулярная форма ветвей.

Неметаллическое включение

Рис. 4. Неметаллическое включение Х10000

вытянутые короткоосные дендриты, глобулярные короткоосные дендриты

Рис. 5. а – вытянутые короткоосные дендриты, б- глобулярные короткоосные дендриты.

Для количественной оценки уровня отдельных характеристик проведена серия механических испытаний на образцах, отобранных в различных точках по сечению темплета от слябов с применением Са и без.

Показатели испытаний образцов без обработки Са позволяют говорить о снижении прочностных свойств от поверхности к центру. Так же наблюдается неравномерность распределения пластических свойств. В зонах, примыкающих к поверхности, пластичность выше чем в середине образца.

Пластические и прочностные свойства образцов от слябов с обработкой Са, благодаря однородности макроструктуры практически полностью выровнялись по всему периметру темплета.

Выводы

Использование кальцийсодержащей проволоки при обработке низкокремнистых марок стали позволила решить следующие технологические вопросы:

  1. Определены основные параметры обработки стали FeCa проволокой, время и скорость ввода, количество проволоки, оптимальная температура металла, режим продувки инертным газом.
  2. Определена зависимость положительного влияния на разливаемость стали, стойкость погружного стакана возросла с 3-х до 7-ми плавок (при разливке 7-9 на один промковш -2 погруженных стакана вместо 6).
  3. Определено оптимальное содержание кальция в стали (0,0015- 0,0025%) при котором стопор промковша находится в почти закрытом состоянии, что также позволяет уменьшить количество нестабильных и аварийных ситуаций (прокачка стопора, промывка стакана-дозатора, замена наружного стакана). Это приводит к повышению выхода годного, уменьшению технологической обрези и, как следствие снижению затрат на 2 грн/т стали.
  4. Повышаются качественные показатели стали – снижение неметаллических включений, сегрегации, улучшает пластические свойства стали.
  5. Обработка стали кальцием является необходимой технологической операцией обработки стали для проведения политики в области качества при производстве низкокремнистых марок стали.

Библиографический список

1. Внепечная обработка расплава порошковыми проволоками, Д.А.Дюдкин, С.Ю.Бать, С.Е.Гринберг, В.В.Кисленко, В.П.Онищук – донецк Юго-восток, 2002, 12с., 18с.., 138с.

© Пащенко А.В., Горяинова Т.В., Акулов В.В., 2010



СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ