Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Эффективные технические решения в современных технологиях рафинирования стали от неметаллических включений в промковшах МНЛЗ

Найдек В.Л., Ноговицин А.В., Диюк Е.Ф., Гончар Б.С., ФТИМС НАН Украины
Исаев О.Б., Кислица В.В. ММК «Азовсталь»

Одной из важных задач в области непрерывной разливки стали является разработка и внедрение новых технологий, обеспечивающих радикальное снижение загрязненности металла неметаллическими включениями (НВ) в листовом прокате, получаемом из непрерывнолитых слябов. Это позволяет улучшить комплекс пластических свойств проката, в первую очередь при отрицательных температурах, снизить отсортировку проката высококачественных марок стали по внутренним дефектам, определяемым по жестким стандартам УЗК. В начальный период распространения способа непрерывной разливки стали промежуточный ковш (ПК) играл роль распределительного устройства, обеспечивающего определенный запас и постоянство напора металла, поступающего в кристаллизаторы МНЛЗ.

В конструкции и функциональных возможностях основного технологического оборудования МНЛЗ, начиная с ПК, за последние годы произошли существенные изменения. Он все больше превращается в металлургический агрегат проточного типа для проведения различных технологических операций в том числе непрерывного рафинирования стали от НВ и повышения ее качества. Современные, увеличенной емкости и высоты секционированные на приемную и разливочную камеры ПК характеризуются наличием всевозможных конструкций порогов, фильтрационных перегородок с переточными каналами различной направленности, турбостопов, ограничивающих как турбулизацию потоков, вызванных падением струи из стальковша, так и элементов, блокирующих развитие эффекта воронкообразования при критических уровнях металла, в сочетании с устройствами для продувки жидкой стали аргоном [1-3]. В результате изменяется как скорость, так и направление движения потоков жидкой стали и, таким образом, гидродинамическая структура их в ПК в целом: создаются вынужденные затопленные струи металла в направлении, совпадающим с направлением всплывания частиц, обеспечивается и увеличение длительности пребывания стали, что в значительной мере влияет на условия удаления НВ в широком размерном диапазоне (5 мкм и более).

Представительные исследования по рафинированию стали при ее разливке в ПК МНЛЗ, включая опытно-промышленные испытания, проведены за последние годы на МК «Азовсталь». Опыт показал, что перенос технических решений по насыщению внутренней конструкции указанными выше элементами на ПК другой геометрии без изучения гидродинамических процессов, часто приводит к отрицательным результатам. Поэтому, внедрению нижеприведенных технических решений предшествовал комплекс работ по физическому и математическому моделированию условий рафинирования жидкой стали в ПК МНЛЗ, результаты которых позволили выбрать рациональную конструкцию фильтрационных перегородок, продувочных фурм, устройств, подавляющих развитие замкнутой циркуляции в районе выпускного стаканчика. По мере ужесточения требований к качеству непрерывнолитой заготовки для листового проката, усовершенствовалась и комплектация внутренней конструкции ПК:

1. Изучена эффективность семейства фильтрационных перегородок различных конструкций, отличающихся как технологией их производства и устройства в ПК (из отдельных фильтрационных элементов или монолитная),так и широким диапазоном изменения основных их параметров (форма, площадь живого сечения, количество, углы наклона каналов, уровневая топография их размещения и др.). разработана технология их производства с огнеупорных материалов на основе MgO, обеспечивающая их стойкость в течение 12-15 горячих часов.

2. Исследованы и предложены эффективные конструкции канальных продувочных фурм с точки зрения формирования газожидкостных течений при донной продувке в ПК, гидродинамические характеристики которых обеспечивают течение инертного газа в жидкости в пузырьковом режиме (диаметр одиночного канала продувочного устройства, размещение их вдоль контактной поверхности с металлом и углы наклона газоподводящих каналов к вертикали и прочее). Разработана технология их производства их огнеупорных материалов на основе Al2O3, обеспечивающая стойкость в течение кампании ПК.

3. Прошли опытно-промышленные испытания устройства по максимальному ослаблению циркуляционной зоны захвата в районе стакан-дозатора ПК при переходных режимах разливки (пуск МНЛЗ, замена стальковша).

Однако, практическая целесообразность использования указанных элементов по усовершенствованию внутренней конструкции ПК отдельно или в комплексе, диктуется с одной стороны выполнением жестких требований стандартов на данный вид металлопродукции, а с другой – экономической целесообразностью (стабильностью уровня эффективности технологии при оправданных значениях отсортировки). Проведенный объем работ позволил разработать комплексную технологию рафинирования стали в ПК слябовой МНЛЗ, основанной на оптимальной схеме компоновки его внутренней конструкции рис. 1. Она состоит из фильтрационной перегородки марки ПП-90-5 (пат. Украины 43121), устанавливаемой от торцевой стенки ПК на расстоянии 20-30 диаметров или высоты единичного перепускного канала, что обеспечивает стабилизацию поступающих в раздаточную камеру ПК рассредоточенных в плоскости перегородки трехрядной системы свободных затопленных струй металла в их осредненных во времени границах и скоростных характеристиках. Углы наклона двух нижних рядов каналов, соответственно 23 и 35о и толщина перегородки qпер./dкан.=2,5-3,0 выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальные из возможных значения коэффициента расхода и пропускной способности для ПК емкостью 43 т.

Схема промежуточного ковша усовершенствованной конструкции

Рис. 1. Схема промежуточного ковша усовершенствованной конструкции.

При этом обеспечивается минимальный перепад уровней (не более 0,01-0,02 м) металла в приемной и раздаточной камерах ПК, что особенно важно при перековшовке. В донной части раздаточной камеры ПК устанавливаются фурмы специальной конструкции с двухрядными пространственно ориентированными газовыми каналами, выходящими на контактную поверхность с жидкой сталью (пат. Украины 43122). Она обеспечивает подачу аргона в металл под углом 45о к ее вертикальной оси через отверстия диаметром 1,5 мм. В этом случае соблюдаются условия гарантированного выхода пузырей в зону раздела «металл-шлак». Расстояние между отверстиями каждого ряда составляет 40 диаметров, а сдвиг между отверстиями 20 диаметров каналов. При подаче газа под углом обеспечивается снижение скольжения газовой струи относительно жидкого металла, что имеет место в случае ввода газа вертикальной струей, образование газовых пузырей начинается сразу же в месте ввода газа, создаются более благоприятные условия передачи динамического импульса и распада газовой фазы на отдельные пузырьки.

Эффективность разработанной схемы по усовершенствованию внутренней конструкции ПК на процесс непрерывного рафинирования металла оценивалась по величине коэффициента кратности обмена фаз на границе «металл-шлак». Она равна отношению транзитного расхода металла, проходящего через вертикальное поперечное сечение, проведенное через центр циркуляционной зоны. Для таких условий имеет место то обстоятельство, что в раздаточной камере ПК часть жидкой фазы вовлекается в зону обратной циркуляции, а в месте ввода струи газа ее расход увеличивается на величину присоединенной массы. При продувке вертикальной струей газа коэффициент обмена фаз составляет 3-4, при продувке же жидкой стали по предложенной схеме, когда фурма устанавливается на оптимальном расстоянии от фильтрационной перегородки равном 0,3-0,4 м, обеспечивающим течение с одной циркуляционной зоной, коэффициент обмена составляет 13-15. Это в значительной степени увеличивает объем металла, транспортируемого в зону контакта «металл-шлак» и, таким образом, существенно повышает эффективность удаления НВ из жидкой стали, особенно в донной части ПК.

Промышленные испытания, с целью изучения влияния особенностей предлагаемой новой технологии рафинирования стали от НВ, проводили при разливке микролегированных ниобийсодержащих трубных сталей на криволинейных двухручьевых МНЛЗ конвертерного цеха ОАО МК «Азовсталь». Разливку металла из промежуточного трехсекционного ковша емкостью 43 т в радиальный кристаллизатор осуществляли струей затопленной ниже мениска металла в кристаллизаторе через погружаемый глуходонный стакан с двумя боковыми выходными отверстиями. Массовая скорость разливки составляла 37,8-48,6 кг стали/с. Использование разделительной перегородки усовершенствованной конструкции, имеющей отношение толщины перегородки к диаметру канала в пределах 2,14–3,60 и с углами наклона двух нижних каналов 23о и 35о соответственно, позволило существенно сократить загрязненность литого и катаного металла неметаллическими включениями и обеспечить 100%-ный выход годного листового проката по содержанию неметаллических включений для труб проекта «Восточная Сибирь – Тихий океан». Результаты оценки загрязненности опытного и сравнительного металла по пробам, отобранным из кристаллизатора МНЛЗ, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные результаты оценки загрязненности жидкого металла

Сравнительные результаты оценки загрязненности жидкого металла

Усредненные сравнительные результаты уровня загрязненности и отсортировки листового проката трубных сталей по дефектам, связанным с наличием неметаллических включений, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты оценки загрязненности неметаллическими включениями и отсортировка листового проката из трубных сталей

Результаты оценки загрязненности неметаллическими включениями и отсортировка листового проката из трубных сталей

В результате применения разработанной технологии непрерывной разливки стали через промежуточные ковши, оборудованные огнеупорными рассекателями, установленными в раздаточных секциях, отмечено снижение в 1,3–1,5 раза отсортировки по дефектам, выявляемым ультразвуковым контролем листов, прокатанных из слябов, отлитых на переходных режимах разливки. Данные по снижению отсортировки приведены на рис. 2.

Индексы отсортировки листов из трубных сталей по дефектам УЗК

Рис. 2. Индексы отсортировки листов из трубных сталей по дефектам УЗК.

Кроме того, данная технология позволяет сократить на 15–20% хвостовую обрезь слябов при выводе МНЛЗ «на концы».

При промышленном опробовании комплексной технологии рафинирования металла в промежуточном ковше, включающей в себя применение разделительной перегородки оптимизированной конструкции, донных многоканальных фурм с пространственно ориентированными каналами для продувки металла аргоном (Патент Украины 26193, опубликован 10.09.2007) получены следующие результаты оценки загрязненности жидкого металла, отобранного из кристаллизаторов опытного и сравнительного ручьев МНЛЗ (табл. 3):

Таблица 3. Результаты оценки загрязненности жидкого металла по типам включений

Результаты оценки загрязненности жидкого металла по типам включений

Результаты оценки загрязненности литого металла по типам включений на пробах, отобранных от слябов, приведены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты оценки загрязненности литого металла по типам включений

Результаты оценки загрязненности литого металла по типам включений

Достигнуто значительное (практически в два раза) снижение суммарного индекса загрязненности литого металла, отлитого по разработанной технологии. Результаты оценки загрязненности литого металла по размерным группам на пробах, отобранных от слябов, приведены в табл. 5.

Таблица 5. Результаты оценки загрязненности литого металла по размерным группам

Результаты оценки загрязненности литого металла по размерным группам

Экономический эффект от внедрения разработанной технологии получен за счет освоения производства высокорентабельного толстолистового проката трубных сталей с повышенными требованиями по содержанию неметаллических включений, а также обусловлен уменьшением отсортировки проката по дефектам, выявляемым при УЗК. В условиях ОАО «МК «Азовсталь» экономический эффект составил 3-4 грн./т.

Библиографический список:

1. R.O.Timberlake и др. “Iron and Steel Engineer”, February, 1988, vol.65, №102.

2. Кислица В.В., Чичкарев Е.А и др. Совершенствование комплексной технологии рафинирования стали в промковшах МНЛЗ // Черная металлургия: Бюл. НТиЭИ.-2009.-№2-с.17-22.

3. Рыженков А.Н. Об истечении струи жидкой стали при разливке // Металл и литье Украины.-1997.-№1-с.16-17.

© Найдек В.Л., Ноговицин А.В., Диюк Е.Ф., Гончар Б.С., Исаев О.Б., Кислица В.В., 2010