Многофункциональный промковш для разливки чистых сталей

Смирнов А.Н., Кравченко А.В., Проскуренко Д.В. ДонНТУ
Сердюков А.А., Тонкушин А.Ф. Пуянг, КНР

В современной системе технологий непрерывная разливка рассматривается как завершающая стадия в сталеплавильном производстве, которая самым непосредственным образом влияет на качество металлопродукции. Соответственно она играет значительную роль в ужесточении взаимосвязи между требованиями к качеству и чистоте стали, усложнением реализации отдельных стадий технологического процесса, уровнем ценовой конкурентоспособности, гибкости производства и т.п.

В комплексной технологической системе непрерывной разливки важнейшую роль в переливе металла из сталеразливочных ковшей в кристаллизаторы МНЛЗ играет промежуточный ковш. При этом расплавленному металлу обеспечивают необходимую химическую и температурную однородность, а также требуемый расход при истечении в кристаллизаторы. Важнейшим требованием к организации движения потоков стали в промковше является обеспечение всплытия в шлак неметаллических включений, находящихся в жидкой стали [1-3].

Основными причинами попадания неметаллических включений в расплав являются вторичное его окисление в процессе переливов, захват шлака при выливании металла из сталеразливочного ковша в промежуточный, перемешивание металла и шлака в промковше, а также разрушение рабочего слоя футеровки сталеразливочного и промежуточного ковшей. Размер таких неметаллических включений составляет от 3-5 микрометров до нескольких десятков микрометров. Для повышения уровня чистоты стали в практике разливки стали создаются благоприятные условия для их всплытия.

Наибольшим потенциалом для всплытия неметаллических включений обладает промежуточный ковш, имеющий развитую поверхность зеркала металла. При этом эффективность процесса всплытия неметаллических включений повышается в случае повышения времени пребывания жидкой стали в промковше и организации рационального движения конвективных потоков.

В целом конструкция промковша и условия его эксплуатации должны быть оптимизированы таким образом, чтобы минимизировать возможность попадания в жидкую ванну макровключений и образования конгломератов глинозема, а также благоприятствовать их всплытию к поверхности жидкой ванны.

На практике для организации рационального движения потоков в промковше дополнительно устанавливают различного рода пороги и перегородки определенной конструкции (рис.1), учитывающие конструктивные особенности промковша и требования к качеству металла.

Положение перегородок и порогов выбирается индивидуально для каждой конструкции промковша и зависит от целого ряда оптимизирующих факторов. Дополнительно для более глубокого рафинирования стали применяется продувка аргоном через блоки, установленные в днище промковша.

Обобщая известные исследования [3-8], следует подчеркнуть, что рациональный выбор конструкции и расположения управляющих элементов, устанавливаемых в промковш обеспечивает следующие преимущества:

• улучшение качества непрерывнолитой заготовки за счет удаления неметаллических включений в стали;
• повышение стойкости футеровки промковша и снижение удельных затрат на разливку;
• повышения серийности разливки из одного промковша при обеспечении стабильности литья в течение всего цикла;
• предотвращение зарастания канала стакана-дозатора.

Рис. 1. Схематическое расположение дополнительных элементов, управляющих движением циркуляционных потоков в промковше: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – защитная труба с подачей аргона (3); 4 – металлоприемник; 5 – футеровка; 6 – порог; 7 –продувочный блок; 8 – фильтрационная перегородка; 9 – покровный шлак; 10 – жидкая сталь; 11 – стопор

Для эффективной промышленной реализации вышеперечисленных преимуществ необходим комплексный анализ условий разливки применительно к конкретному промковшу, включающий анализ производственных и технологических условий и специальных требований, предъявляемых к чистоте металла и качеству непрерывнолитой заготовки.

Принимая во внимание тот факт, что во многом работа промковша определяется развитием зон турбулентности и характером движения конвективных потоков, наиболее эффективным приемом исследований является метод физического моделирования, позволяющий адекватно воспроизвести и визуализировать процессы перемешивания жидкости.

Для корректной оценки наблюдаемых явлений и переноса их на промышленные объекты представляется крайне важным правильный выбор параметров модельной системы [9-11]. При изучении изотермических устойчивых систем на уменьшенных моделях обязательными для соблюдения являются два типа подобия между модельной и полномасштабной системой: - геометрическое и динамическое. Геометрическое подобие означает фиксированное соотношение каждого размера у модели соответствующему размеру полномасштабной системы. Динамическое подобие связано с различными силами, действующими на струйный элемент, и требует тождественности соответствующих сил в модельной и полномасштабной системе.

Экспериментальными исследованиями показано, что в условиях турбулентного потока величины числа Рейнольдса NRe,t в различных промковшах вне зависимости от их конфигурации и размеров оказывается практически одинаковыми или близкими. Следовательно, основные условия динамического подобия между модельным и полномасштабным промковшами, функционирующими в режиме турбулентного потока, можно обеспечить равенством чисел Фруда для этих объектов. При этом для обеспечения условий выполнения критерия Фруда необходимо обеспечивать соответствие притока (расхода) воды в модельной системе к скорости притока жидкого металла в полномасштабном промковше.

В выполняемых исследованиях физическая модель промковша, включая основные функциональные узлы, изготавливается из светопроницаемого материала (оргстекла) в масштабе от 1:1 до 1:4. Выбор масштаба модели определяется характером выполняемых исследований и их трудоемкостью. Общая схема лабораторного стенда приведена на рис.2.

В качестве рабочей жидкости использовалась вода, имеющая близкую к жидкой стали по величине кинематическую вязкость (табл.1). Имитация покровного шлака на поверхности металла в промковше осуществляется с помощью силиконового или трансформаторного масла, которые имеют высокое поверхностное натяжение и существенно изменяют вязкость при изменении температуры. Это позволяет также изучать процесс выхода пузырьков вдуваемого газа на поверхность жидкой ванны и оценивать возможность вовлечения покровного шлака в перемешивание.

Таблица 1. Физические свойства воды при температуре 20^°С и стали при температуре 1600^°С

Движение конвективных потоков жидкости, вызванных ее перемещением от места внедрения струи, падающей из сталеразливочного ковша, до истечения жидкости через стаканы-дозаторы, фиксируется с помощью цифровой видеокамеры и подкрашивания локальных объемов вытекающей из сталеразливочного ковша жидкости цветными чернилами. Измерение времени пребывания жидкости в промковше (резидентного времени) осуществляется электрохимическим методом с вводом в перемешиваемую жидкость (воду) небольшого количества концентрированного раствора поваренной соли и измерением электропроводности в нескольких точках объема модели.

Характер всплытия неметаллических включений изучается с помощью введения в защитную трубу специальной гидросмеси гидрофобных всплывающих частиц. В настоящей работе разработана специальная многокомпонентная смесь, включающая в себя смесь нескольких масел и эмульсий, содержащих очень мелкие твердые частицы.

Общий вид лабораторной установки с промковшом слябовой МНЛЗ приведен на рис.3. Динамика распространения потоков жидкости и неметаллических включений в промковше может быть представлена и проанализирована с помощью соответствующих кинограмм (рис.4). При этом в ходе экспериментов выполняется интегрированная оценка траектории движения частиц «шлака» в жидкой ванне промковша, а также примерная доля частиц, всплывших на поверхность и вытекших из промковша с водою.

Рис.2. Схема модельного стенда, используемого для исследования процессов, происходящих в промковше: 1 – емкость, имитирующая сталеразливочный ковш; 2 – защитная труба; 3 – промежуточный ковш; 4 – продувочный блок типа балка; 5 – стопор; 6 – емкость для сбора воды, вытекающей из промковша (имеет насос для возвращения жидкости в сталеразивочный ковш); 7 – компрессор; 8 – цифровая видеокамера

Таким образом, физическое моделирование позволяет выполнять общие качественные оценки процессов перемешивания, которые происходят в промковше. При этом в рамках одной модели представляется возможным варьировать расположение и конструкцию основных управляющих элементов (приемников, порогов, перегородок, продувочных узлов и пр.).

Рис.3. Общий вид лабораторного стенда промковша (вид сверху): 1 – стакан-дозатор; 2 – стопор; 3 – продувочная балка; 4 – фильтрационная перегородка; 5 – металлоприемник; 6 – защитная труба; 7 - шлаковая перегородка

Поскольку данные физического моделирования не могут быть количественно перенесены на промышленный объект, то дальнейшее исследование процессов перемешивания металла в промковше целесообразно осуществлять на двух- и трехмерных математических моделях. Такие модели обеспечивают корректный выход на определение рациональных конструктивных решений для управляющих элементов с учетом конкретных промышленных условий. Фактически численные расчеты позволяют определить конструкционные размеры металлоприемников-распределителей, перегородок и порогов в зависимости от условий разливки, в том числе и при падении уровня металла в момент замены сталеразливочного ковша.

Для повышения эффективности рафинирования стали все большее применение получает технология продувки металла инертным газом через пористые блоки, расположенные в днище промковше [1-8, 12-14]. Многочисленными промышленными исследованиями показано, что вдувание мелких пузырьков аргона в жидкую ванну металла в промковше в условиях отсутствия вторичного окисления обеспечивает уменьшение содержания неметаллических включений в заготовке, что позволяет рассматривать промковш как агрегат для рафинирования стали.

Эффект удаления неметаллических включений, как правило, достигается в том случае, когда пузырьки аргона, находящиеся в стали, стимулируют всплытие, столкновение и агломерацию неметаллических включений и, прежде всего, оксидов алюминия. При этом перемешивание жидкой ванны всплывающими пузырьками аргона создает благоприятные условия для перемещения неметаллических включений на границу раздела «поверхность пузырька – жидкая сталь» с последующим их переносом в область зеркала металла и покровного шлака.

Рис.4 . Динамика распространения потоков жидкости и неметаллических включений (б) при использовании фильтрационных перегородок совместно с металлоприемником

Между тем выход пузырьков аргона из жидкой ванны металла в шлак сопровождается бурлением, разбрызгиванием и вовлечением в перемешивание частичек шлака в области выхода газа на поверхность. Следовательно, для сохранения эффекта рафинирования требуется ограничивать величину расхода вдуваемого аргона при обеспечении минимально возможных пузырьков газа. Это создает максимально развитую поверхность раздела «металл-газ» при минимальном бурлении в месте выхода газа из металла.

На практике размеры пузырьков аргона зависят от размеров отверстий огнеупора, через который вдувается инертный газ. Поэтому весьма важным фактором для промышленной реализации метода продувки металла инертным газом в промковше является применение пористых огнеупорных блоков с очень мелкими порами. К эксплуатационным свойствам и прочности таких блоков предъявляются достаточно жесткие требования, поскольку они работают в крайне тяжелых условиях, сопряженных с длительным контактом с жидким металлом, теплосменами, механическим воздействием вследствие контакта с конвективными потоками и т.п. Помимо этого, продувочные блоки должны обеспечивать стабильную газопроницаемость в течение длительного периода эксплуатации (нескольких десятков часов) и возможность оперативной корректировки величины расхода газа при продувке.

Для обеспечения высокой конструкционной прочности, а также химической и деформационной устойчивости изделий компанией «Пуянг» разработана оригинальная конструкция продувочного блока [15]. Эта конструкция предполагает, что подача аргона осуществляется через специальные продувочные элементы с направленной пористостью (рис.5 а), которые могут располагаются в бетонном блоке по определенной схеме. Эта схема расположения продувочных элементов определяется в зависимости от конкретных условий разливки и конструкции промковша. Уникальность этих продувочных элементов состоит в том, что в отличие от продувочных балок, они позволяют располагать их практически в любой зоне промковша и максимально приблизить зону рафинирования стали к зоне её истечения в кристаллизатор.

Рис.5. Продувочные элементы

Ранее проведенный сравнительный анализ эффективности перемешивания стали в промковше при наличии продувочных блоков на количество и состав неметаллических включений в непрерывнолитых слябах и готовом прокате исследовали путем разливки опытно-промышленных серий плавок на двухручьевой слябовой МНЛЗ. В ходе исследований разлиты 6 серий для низкоуглеродистых и сверхнизкоуглеродистых марок стали.

С помощью металлографических исследований установлено, что для сравнительного и опытного металла наибольшие отличия наблюдаются в показателе «точечные включения». При этом максимальный балл для опытных и сравнительных слябов равен 2. Однако в опытных слябах количество крупных одиночных включений (1,5 балла и выше) заметно ниже. В качестве примера на рис.6 приведено частотное распределение неметаллических включений, иллюстрирующее, что эффект вдувания аргона в промковше наибольшей степени проявляется для включений размером 10-100 мкм. Более крупные включения, видимо, достаточно хорошо всплывают как при вдувании аргона, так и без него. И, следовательно, в дальнейших исследованиях необходимо решать задачу более глубокого снижения уровня содержания этих включений, в том числе и за счет предполагаемых методов продувки аргоном.

Рис.6. Влияние продувки металла в промковше аргоном на содержание неметаллических включений в стали

В целом применение продувочных блоков для рафинирования стали в промковше представляется комплексной технической и технологической задачей, решение которой включает в себя следующие основные этапы:

• разработка (корректировка) проекта полной футеровки промковша, металлоприемника-распределителя и металлопроводки с учетом возможностей продувки металла аргоном через продувочные блоки;
• изучение влияния аргонной продувки на элементы промковша, обеспечивающих дозирование металла и процессы, приводящие к изменению параметров разливки;
• проведение промышленных испытаний работоспособности разработанных решений и определение оптимумов работы промковша, в том числе с целью увеличения серийности разливки;
• разработка конструкции продувочных блоков и определение их положения в днище с учетом условий надежной эксплуатации и обслуживания промковша;
• проведение промышленного опробования процесса продувки металла аргоном в промковше и оценка эффективности рафинирования металла;
• отработка промышленной конструкции многофункционального промковша (корректировка конструкции отдельных элементов, оптимизация параметров вдувания аргона и т.п.);
• оценка качественных характеристик металлопродукции (заготовки).

Библиографический список:

1. Inclusion separation in tundishes – some new general aspects / M.Javurek, B.Kaufmann, G.Zuba, P.Gittler // Steel Research. 2002. Vol.73. No.5. – P.1-9.

2. Wolf M. Advanced tundish metallurgy in slab casting // Proceedings 2-nd Conference on Continuous Casting of Steel in Developing Countries. October 28-31, 1997, Wuhang, China. – Wuhang: 1997. – P.1-9.

3. Sahai Y., Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production. – New Jersey: World Scientific, 2008. – 316 p.

4. Влияние конструкции рафинирующих перегородок на удаление неметаллических включений в промежуточных ковшах ОАО МК «Азовсталь» при промышленных испытаниях // В.Г.Ефимова, Г.В.Ефимов, Е.Ф.Диюк и др. // Процессы литья 2003. №2. – С.32-34.

5. Оптимизация гидродинамических характеристик промежуточного ковша УНРС с целью удаления экзогенных неметаллических включений / А.В.Куклев, В.В.Тиняков, Ю.М.Айзин и др. // Металлург. 2004. №4. – С.47-49.

6. Ackerman M.J., Orban W.G. A perspective of Practical Issues Relating to Tundish Development // Iron & Steelmaker. 2004. No4. – P.41-43.

7. Gaspullen in Tundish / W.Hoegler, K.Riepl, A.Klapka, E.Knorr // Stahl und Eisen. 1994. Vol. 114. No.2. – P.65-68.

8. Zhang L. State of the Art in Evaluation and Control of Steel Cleanliness / L. Zhang, B. G. Thomas // ISIJ International. 2003. Vol. 43. No3. –– C.271-291.

9. Mazumdar D., Evans J.W. Modeling of Steelmaking processes. – Bora Raton – London – New-York: CRS Press, 2009. – 463 p.

10. Modeling Study of the Influence of Turbulence Inhibitors on the Molten Steel Flow, Tracer Dispersion, and Inclusion Trajectories in Tundishes / S.Lopez-Ramirez, J. de Barreto, J.Palafox-Ramos e.a. // Metallurgical and Materials Transactions B. 2001. Vol. 32B. No.9. – P.615-627.

11. Damle C., Sahai Y. A Criterium for Water Modeling of Non-isotermal Melt Flows in Continuous Casting Tundishes // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No.6. – P.681-689.

12. Tassot P., Reichert N. Ways of improving steel quality in the tundish // Revue de Mеtallurgie. 2010. №5 (107). – P.179–185.

13. Опыт изготовления продувочных устройств для промежуточных ковшей в ОАО ММК / Н.А.Босякова, Э.В.Степанова, А.Г.Валуев и др. // Сталь. 2008. №7. – С.33-34.

14. Кислица В.В., Чичкарев Е.А., Исаев О.Б. Совершенствование и внедрение комплексной технологии рафинирования стали в промежуточных ковшах МНЛЗ // Бюлл. «Черная металлургия». 2009. №2. – С.17-21.

15. Патент на корисну модель №30565 (Україна). Продувальний блок. – Опубл.25.02.2008. Бюл. №4.

© Смирнов А.Н., Кравченко А.В., Сердюков А.А., Тонкушин А.Ф., Проскуренко Д.В., 2010