Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

В начале 80-х годов строительство новых и реконструкция действующих УНРС все в большей мере стали сочетаться с разработкой и внедрением новых методов внепечной обработки стали. При этом заметно возросло число заводов, где предпочли иметь глубокие промежуточные ковши достаточной вместимости. В футеровке ковшей переходят от силикатных и нейтральных к основным огнеупорам. В промежуточных ковшах повсеместно начинают устанавливать перегородки, обеспечивающие лучшее рафинирование металла от неметаллических включений. Кроме того, в ряде случаев над сталеразливочным стаканом устанавливают доходящую до дна перфорированную огнеупорную трубу, улавливающую неметаллические включения [б]. Все эти мероприятия сопровождаются проведением поисковых исследовательских работ. На заводах "Nippon Steel" исследовали влияние параметров непрерывной разливки на чистоту стали, предназначенной для получения холоднокатаного тонкого стального листа, предназначенного для глубокой вытяжки при штамповке банок. Изучение причин брака выявило, что источником являются включения СаО-А12О3 с высоким содержанием А12О3 размером 50-150 мкм. Лабораторные исследования подтвердили, что при содержании в стали растворенного алюминия > 0,07 % в сталеразливочном ковше происходит интенсивное восстановление шлака алюминием с выделением в шлаке твердых составляющих ЗСаО-А12О3 и 12 СаО 7 А12О3. Эти шлаки, включая твердые составляющие, попадают при смене ковша в промежуточный ковш и при небольших размерах последнего могут попасть в кристаллизатор. Дополнительные исследования при введении в промежуточный ковш индикаторов в виде SrO также показали, что индикатор увлекается из промежуточного ковша в кристаллизатор при начале разливки следующего ковша. Работа с двумя промежуточными ковшами (вместимость Первого  равна  вместимости  разливочного  ковша),   а  также  с различным наполнением промежуточных ковшей соседних ручьев также показала, что увеличение объема промежуточного ковша, либо использование двух промежуточных ковшей дает более чистую сталь. На основании проведенных исследований рекомендовано не допускать уменьшения объема стали в первом промежуточном ковше ниже предельного, при котором может происходить увеличение шлака в промежуточный ковш малой вместимости [7].

В процессе проведения специальных исследований "Nippon Steel" было установлено, что содержание неметаллических включений в металле на всех стадиях технологической цепи оказалось меньшим в случае, когда сталь разлита через промежуточный ковш с перегородкой и еще меньше — в случае промежуточного ковша с двумя перегородками. Исследование механических свойств готового проката показало аналогичное распределение результатов в зависимости от числа перегородок в промежуточном ковше [8]. Полученные результаты, свидетельствующие о влиянии конструкции и вместимости промежуточного ковша на качество готовой стали, оказали существенное влияние на практику производства.

В качестве примера можно привести конструкцию промежуточного ковша на заводе "Kobe Steel Works" [9]. В ковше установили достигающие дна перфорированные перегородки из огнеупора, содержащего 65 % А12О3. Подбором оптимального числа и размеров отверстий в перегородках ускоряют всплы-вание неметаллических включений. Над удлиненным сталераз-ливочным стаканом в промежуточном ковше устанавливают достигающую дна трубу с отверстиями, предназначенную для улавливания включений А12О3 и предотвращения зарастания стакана. На заводе "Nippon Steel Corp." в Хирохата в промежуточном ковше был оборудован ряд перегородок, часть которых- со сквозными горизонтальными каналами. На участке промежуточного ковша под зоной подачи металла из разливочного ковша были оборудованы пористые пробки для продувки металла аргоном снизу. Сверху промежуточный ковш закрывали крышкой с тщательным уплотнением всех соединений. Металл из разливочного ковша подавали через удлиненный стакан с аргоновым уплотнением. В результате не только не происходило обычно наблюдаемого увеличения содержания азота в металле, но и был обнаружен эффект деазотирования. Путем подбора оптимального расхода аргона для бар-ботирования достигнуто снижение содержания неметаллических включений, что особенно важно в нестабильный период разливки, в период стыковки плавок, в период "стабильной" разливки содержание неметаллических включений уменьшается почти вдвое [W].

Развитие конструкций промежуточных ковшей в США началось позже чем в Японии, но сразу по несколько иному пу-.ти. Как было отмечено выше, одной из существенных тенденций в конструировании промежуточных ковшей является повышение их вместимости. На конференции сталеплавильщиков в апреле 1987 г. в г.Питтсбурге были приведены данные о вместимости промежуточиых ковшей на североамериканских установках непрерывной разливки. На всех установках, построенных в последние годы, вместимость промежуточных ковшей превышает 50 т. Причем практически все они сконструированы или в Европе ("Demag", "Voest", "Concast") или в Японии ("Hitachi")- Самый крупный промежуточный ковш конструкции "Voest" вместимостью 70 т и глубиной жидкой ванны 1,4 м установлен в 1986 г. на заводе "Burns Harbor" (Индиана, США). Ковши на других современных установках имеют вместимость 45-60 т. Самая глубокая ванна жидкого металла у промежуточного ковша установки завода "Indian Harbor" (США) 1,52 м. Считается, что крупный ковш позволяет сохранить постоянную скорость разливки при смене разливочного ковша без опасения затягивания шлака, использовать ковш с несколькими порогами и разделительными перегородками, уменьшить объем неперемешиваемой зоны, облегчить условия всплывания включений. На заводе "Burns Harbor" промежуточный ковш имеет четыре порога на днище, а объем мертвой неперемешиваемой зоны (по результатам моделирования) снижен до 3-6 % [11].

Специальное исследование [12], имеющее целью установление оптимальных размеров и формы промежуточного ковша проведено применительно к условиям УНРС № 3 конвертерного Цеха завода "Inland Steel" (США). Установка № 3 представляет собой двухручьевую УНРС, каждый ручей имеет два разливочных стакана и используется для отливки сдвоенных блюмов 381x508 мм. Максимальная скорость разливки 0,77 м/мин; вместимость промежуточного ковша 45 т. Эксперименты проводили на специально созданной водяной модели, изменяя количество и взаимное расположение порогов, разливочных стаканов и погружаемых сопл. Схема проведения опытов показана на 8.4. В конце концов предпочтение было отдано последнему (нижнему на 8.4) варианту, обеспечивающему лучшее удаление включений; при этом пороги должны у днища иметь отверстия, чтобы обеспечить пол-Ное вытекание металла из ковша. В течение всей разливки необходимо поддерживать в промежуточном ковше наибольшую глубину ванны металла, чтобы максимально облегчить флотацию включений и уменьшить вероятность образования вихрей. Эксперименты показали, что оптимальным является, опускание перегородок в металл на 0,55 мм при высоте порогов 0,3 м (глубина ванны металла в ковше ~ 1 м). На 8.5 показана схема промежуточного ковша, сконструированного на основе проведенных исследований.

В связи с расширяющейся практикой использования для рафинирования металла в промежуточном ковше различных устройств для фильтрации включений возникла проблема определения основных требований к материалу фильтров и их классификации. В работе [12] предлагается флотационные процессы в промежуточных ковшах разделить на три типа (8.6).

III — глубинная фильтрация или фильтрация в толще фильтра. Такая фильтрация обеспечивает задержку частиц очень малого размера, меньшего, чем отверстия пор фильтра. В этом случае должен работать механизм, обеспечивающий транспортировку частиц к поверхности фильтра, а также механизм, обеспечивающий закрепление частиц на фильтрующей поверхности. При этом следует иметь в виду, что частицы неметаллических включений могут быть как в твердом, так и в жидком состоянии, поэтому тип фильтра III является предпочтительным. В связи с этим материалы,  используемые для изготовления фильтров должны: противостоять термическим и механическим напряжениям, которые возникают до и в процессе фильтрации не разрушаться при взаимодействии металл — шлак — фильтр в процессе разливки; эффективно удалять нежелательные включения и, одновременно, не представлять избыточного сопротивления для потока жидкого металла; не охлаждать жидкую сталь. В общем случае процесс включает две стадии: первоначальный поток металла частично затвердевает при контакте с фильтром, а затем снова расплавляется при прохождении следующих порций металла.

В работе [12] сообщаются характеристики керамических пенообразных фильтрующих материалов, используемых для фильтрации металла (табл. 8.1). В настоящее время пористые филыры, обеспечивающие осаждение неметаллических включений, устанавливаемые в поперечных перегородках, отделяющих зону подвода металла от зоны выпуска в промежуточных ковшах УНРС, изготавливают серийно. Например, фирма SELEE (США) выпускает фильтры трех типов с размерами ячеек  10,  15  и  25  меш,   что   соответствует  изменению   среднего размера просветов в пределах от 400 до 1700, 1100 и 900 мкм соответственно. Проведенные эксперименты показали, что при разливке на шестиручьевой УНРС среднее число включений при установке с фильтрами снижается в четыре раза. В числе "задержанных" при фильтрации включений прежде всего отмечены нитриды титана, алюминаты кальция, силикаты марганца и глинозем. Проблема выбора огнеупорного материала для изготовления устанавливаемых в промежуточном ковше перегородок с фильтрующими отверстиями не может считаться решенной, и исследования в этом направлении продолжаются. Серия экспериментов, вначале в лабораторных условиях, затем- в заводских, проведена фирмой "Синниопи сэйтэцу" (Япония) [13]. В лабораторных условиях сталь из вакуумной индукционной печи выпускали в ковш, пропуская через керамический фильтр из А12О3 или ZrO2 с размерами отверстий 2-3 пор/см, в заводских - на 15-т промежуточном ковше с фильтром-порогом. Установлено, что, независимо от материала фильтра, при прохождении через фильтр первых порций металла его температура снижается (в среднем на 37 °С). Зависимость эффективности удаления включений oi скорости движения металла (скорость изменяли от ОД до 25 см/с) имеет сложный характер: вначале снижается, достигая минимума при 2—8 см/с, а после достижения 10 см/с вновь возрастает [13]. Убедительного объяснения этому явлению пока не получено.

Фирмой "Ниссин сэйко" (Япония) для рафинирования низкоуглеродистых сталей, раскисленных алюминием и титаном, опробована перегородка из СаО, представляющая собой конструкцию толщиной 200 мм, собранную из двух пластин по 100 мм. В перегородке выполнены отверстия, сужающиеся в направлении движения металла от диаметра 50 мм до диаметра 40 мм. Зафиксирована снижение загрязненности стали как Крупными (> 5 >i), так и мелкими (* 5 jii) включениями. Исследователи пришли к выводу, что рафинирование металла от А12О3 происходит в, результате образования легкоплавкого соединения 12 СаО • 7 А!2О5, которое обнаружили методом дифракции рентгеновских лучей [13].

На фирме "Сумитомо киндзоку коге" (Япония) исследовали Другой путь решения проблемы. На пути движения металла Устанавливали    из    огнеупоров    своеобразные    "ворота"   движение  металла,   а  в  днище   ковша  за| "воротами" —  пористую пробку,  через  которую  в пузырьковом I режиме   подавали   аргон   таким   образом,   чтобы   весь   металл проходил через барботируемыи слой. Эксперименты проводили в  25-т  промежуточном  ковше,   скорость   разливки  составляла 0,8-1,2 м/мин,     отношение     u/W =     0,668     (см.         8.7). Установлено,  что в случае продувки аргоном  общее  содержание  кислорода  стабильно  снижается, уменьшается содержание включений,   повышаются  механические   свойства  готового   металла [13].

В СССР работу по использованию огнеупорных фильтров для рафинирования сложнолегированной стали выполнили ЦНИИЧМ и Внуковский огнеупорный завод . Исследования проводили в 10-кг вакуумной индукционной печи (ВИП) при выплавке стали Х12Н14М2. Металл разливали через фильтры в изложницы со скоростью 20—30 кг/мин в атмосфере аргона. Фильтры представляли собой шамотные воронки, в которые вставляли алундовые трубки диаметром 50 мм, закрываемые снизу пластиной с отверстиями диаметром 4-6 мм. На эту пластину помещали фильтрующий слой высотой 50 или 80 мм, а на него— пластину с отверстиями. Фильтрующий слой набирали из зерен шаровидной формы размером 5-12 мм, изготовленных из плавленого оксида магния (MgO) или оксида алюминия А12О3 С добавкой связующего.

Установлено, что использование фильтров позволяет уменьшить размер кислородных включений, при этом объемный процент их в некоторых случаях может быть выше. Подтверждено, что фильтры из MgO и А12О3 обладают большой адсорбционной способностью к  высокоглиноземистым включениям и шпинелям. Этим можно объяснить несколько лучшие результаты рафинирования стали Х12Н14М2 при использовании фильтров из MgO. Более высокий эффект рафинирования (55 и 61 % соответственно для фильтров из MgO и А1гО3) достигается при использовании фильтрующего слоя высотой 80 мм. Сетчатые фильтры (114 отверстий диаметром 3 мм) из технического глинозема и плавленого оксида магния испытали на промышленных установках ВИП вместимостью 1 т при разливке жаропрочного сплава, достигнуты положительные результаты. В практических условиях обычно используют комплекс мер, комплекс технологических и конструктивных решений, действующих одновременно.

На 8.8 представлен пример технологического решения по использованию промежуточного ковша для установки по отливке непрерывнолитых заготовок блюмового типа размерами 380x550 мм. Установка пущена в декабре 1980 г. на заводе фирмы "Kobe Steel" в г.Какогава (Япония). Т-образный ковш имеет вместимость 35 т (глубина ванны металла достигает 900 мм). С целью лучшей организации удаления в процессе разливки включений помимо увеличения глубины ванны и скорости разливки до 0,6 м/мин, металл фильтруется, проходя через отверстия в двух перегородках. Установка включает устройства для защиты струи аргоном, крышку, закрывающую промежуточный ковш, систему подачи аргона в погружаемое в кристаллизатор сопло и др. Специальным исследованием установлено, что при Н = 350 мм и 6 = 25° общее содержание кислорода в стали в результате фильтрации снижается более чем в два раза, достигая значений ~20-10"4%.

Таким образом, конструкция промежуточных ковшей пре-Я терпевает серьезные изменения; увеличивается их вместимость, глубина ванны металла, широкое распространение по-лучаег практика устройства перегородок, порогов, конструкций для организации флотации включений путем продувки инертными газами, а также фильтрации включений и др.