РОЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША НА УНРС

Современный промежуточный ковш снабжен приспособлениями, позво­ляющими: устранить влияние таких источников загрязнения, как эрозия огнеупоров, повторное окисление, взаимодействие с ковшовым шла­ком; обеспечить всплывание и отде­ление неметаллических включений в результате правильной организации движения металла, исключающей появление застойных зон и укоро­ченных путей; обеспечить исполь­зование дополнительных технологи­ческих приемов — продувки инерт­ными газами, применения специаль­ных крышек и покровных флюсов, размещения порогов и фильтров, ре­гулирования температуры, проведе­ния раскисления и микролегирова­ния стали. Для выполнения этих функций промежуточные ковши оборудуют датчиками, сигнализиру­ющими о концентрации кислорода и азота в жидком металле, об основно­сти шлака, о температуре металла. Разрабатываются электромагнитные, электрические, световые, звуковые, вибрационные анализаторы и управ­ляющие системы, позволяющие: по­лучить информацию о количестве не­металлических включений и их рас­пределении по размерам; об уровне металла в промежуточном ковше; о появлении шлака в выпускном отвер­стии ковша или на поверхности ме­талла в промежуточном ковше; о про­цессах десульфурации и раскисления летучими элементами (например, кальцием) по ходу разливки.

Особое внимание придается такому новому способу рафинирования ме­талла, как фильтрация включений при пропускании металла через специаль­ные отверстия в перегородках, уста­навливаемых во внутренней полости промежуточного ковша (см. гл. 20).

Полное использование возможностей промежуточного ковша делает его важнейшим и очень гибким звеном в процессе производства стали повы­шенной чистоты.

В промежуточном ковше, в кото­ром осуществляется активное переме­шивание металла газом, посредством специальной расстановки перегоро­док можно дополнительно легировать металл. При этом, если перемешива­ние организовано лишь в одной части ковша, а в другой течение металла спокойное, можно присаживать фер­росплавы только в турбулентную зону и получать на двухручьевой УНРС ста­ли разного состава из одной плавки. Можно легировать сталь азотом, пода­вая его в верхнюю часть удлиненного погружного стакана. Подогрев метал­ла в промежуточном ковше можно осуществлять при помощи индукци­онного нагревателя канального типа, обеспечивающего поддержание посто­янной температуры металла в преде­лах ±2,5 ºС в течение 120 мин разлив­ки. С той же целью используют плаз-матрон, при помощи которого можно также осуществлять локальный подо­грев, создавая различные условия вблизи выпускных отверстий ковша.

В последнее время для нагрева ме­талла все чаще используют метод од­новременного ввода в металл алюми­ния (в виде проволоки, дроби и т. п.) и подачи кислорода¹. Реакция 2 А1 + 1,5 О₂ = А1₂О₃ экзотермическая (-ΔН º₂₉₈ =1678,5 кДж/моль). При окис­лении 1 кг алюминия на 1 т жидкой стали выделяется теплота 31 052 кДж.

По данным ЦНИИЧМ и Мариу­польского комбината им. Ильича (где используют данную технологию), сго­рание в токе кислорода 1 кг А1 на 1 т стали приводит к повышению темпе­ратуры металла в ковше на ~38 °С.

Проведенное на комбинате иссле­дование позволило установить, что из образующегося при химическом подо­греве А1₂О₃ в стальном листе остается не более 4 %, остальные 96 % глинозе­ма удаляются из металла в процессе продувки аргоном и кислородом, при выдержке в ковше и при разливке.

¹ В технической литературе такой метод часто называют методом химического подо­грева.

По мере развития и распростране­ния разливки методом «плавка на плавку», а также по мере увеличения скоростей разливки и требований по­вышения качества вместимость про­межуточных ковшей возросла. Опыт показал, что при этом получено суще­ственное улучшение в вопросах отде­ления и удаления включений.

Самый крупный промежуточный ковш емкостью 70т и глубиной жид­кой ванны 1,4м был установлен в 1986 г. на заводе Burns Harbor (шт. Индиана, США). Ковши на других со­временных установках имеют емкость 45-60 т. Самая глубокая ванна жидко­го металла у промежуточного ковша установки завода Indian Harbor (США) — 1,52 м. Считается, что круп­ный ковш обеспечивает постоянство скорости разливки при смене разли­вочного ковша без опасения затягива­ния шлака. Большой ковш дает воз­можность применить конструкцию ковша с несколькими порогами и раз­делительными перегородками, умень­шить объем неперемешиваемой зоны. Кроме того, облегчаются условия всплывания включений.

Выбору размеров ковша предше­ствуют исследовательские работы. Так, например, специальное исследо­вание, имеющее целью установить оп­тимальные размеры и форму проме­жуточного ковша, было проведено применительно к условиям конвер­терного цеха завода Inland Steel (США). Установка 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, ем­кость промежуточного ковша 45 т. Эк­сперименты проводили на специально созданной водяной модели, изменяя количество и взаимное расположение порогов, разливочных стаканов и по­гружаемых сопел (рис. 24.23). Пред­почтительным оказался последний (нижний на схеме) вариант, обеспечи­вающий лучшее удаление включений (в этом случае пороги у днища долж­ны иметь отверстия, чтобы обеспечить полное 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 0,3м (глубина ванны металла в ковше ~1м). На рис. 24.24 показан сконструированный на основе прове­денных исследований промежуточный ковш.

Рис. 24.23.Испытанные варианты взаимного

расположения перегородок и порогов на

промежуточном ковше:

/—перегородки; 2—пороги; 3 — разливочные ста­каны

Рис. 24.24.Устройство 45-т промежуточного ковша УНРС завода Inland Steel:

/ — покрытие из MgO; 2—высокоглиноземистый

материал; 3 — арматурный слой; 4— изоляционный

слой

Среди проблем защиты металла от загрязнений особую роль играет чис­тота ферросплавов и других материа­лов, вводимых в кусках, в виде блоков, в порошкообразном состоянии, в виде проволоки и т. д. Суммарное содержа­ние (О + N) в обычных ферросплавах часто находится на уровне -0,2 %, и это удовлетворяет сталеплавильщи­ков, работающих в традиционном производстве. При получении ультра­рафинированных сталей необходимы ферросплавы, содержащие -0,005 % (О + N). Это необходимо учитывать, как и то, что к числу главных проблем относится организация защиты жид­кого металла от контактов с воздухом. Как известно, сера является поверхно­стно-активной примесью стали. Чем меньше остается в металле поверхнос­тно-активных примесей, тем с боль­шей интенсивностью идет процесс по­глощения струей металла составляю­щей атмосферы, прежде всего азота. При содержании серы <0,01 % ско­рость поглощения металлом азота рез­ко возрастает; по мере снижения со­держания кислорода то же самое спра­ведливо по отношению к абсорбции водорода.

На рис. 24.25 представлены различ­ные варианты защиты металла на пути от сталеразливочного ковша к проме­жуточному. Наиболее простым явля­ется способ защиты в виде колодца с подачей в его полость аргона (рис. 24.25, а), однако при этом не до­стигается требуемый уровень сниже­ния азотирования.

Техническое выполнение комплек­са устройств и приспособлений для предотвращения контакта жидкой стали с воздухом в процессе непре­рывной разливки на различных заво­дах неодинаково. На рис. 24.26 пока­зана схема организации комплексной защиты струи металла на пути от ста­леразливочного ковша до кристалли­затора. Можно считать, что комплекс мер, включающий отсечку шлака (в печи, в конвертере), исключение кон­такта стали с конечным шлаком, вне-печную обработку в ковше и предотв­ращение вторичного окисления, спо­собствует снижению количества включений в стали на 80 %. Таким об­разом, проблема защиты поверхности

Рис. 24.25.Способы защиты струи металла (а—г) между сталеразливочным 1 и промежу­точным 2 ковшами (J —шиберный затвор)

Рис. 24.26.Схема установки промежуточного ковша на заводе Sanya Special Steel Co.:

/ — промежуточный ковш; 2— водоохлаждаемые рамы; 3 — кристаллизатор УНРС

металла решается при одновременном действии двух мер: исключении кон­такта с атмосферой и обеспечении по­крытия металла шлаком требуемого состава.

Введение флюса в промежуточный ковш необходимо для термоизоляции стали, защиты ее от взаимодействия с атмосферой и абсорбции включений. Для выполнения этого в идеале требу­ются два слоя флюса: малотеплопро­водного порошка (для решения пер­вой задачи) и жидкого слоя (для реше­ния двух других). Очень важным свой­ством флюса для промежуточного ковша является вязкость. Слишком большая вязкость ухудшает абсорб­цию включений, слишком низкая приводит к попаданию шлака в крис­таллизатор. Оптимальный состав флюса выбирают с учетом конкретных условий. Во многих случаях требуются флюсы с высокой способностью аб­сорбции глинозема. В этом случае флюсы должны содержать больше CaF₂ и SiO₂. К сожалению, флюсы, обладающие высокой абсорбционной способностью, являются агрессивны­ми в отношении к футеровке.

При использовании промежуточ­ных ковшей с перегородками возмож­ным выходом можно считать исполь­зование двух флюсов: простой извест-ково-глиноземистой добавки в зоне заливки металла и более сложного, с низким содержанием А1₂О₃ в осталь­ной зоне.

Для создания покровного слоя в промежуточном ковше используют са­мые разные материалы. Серия экспе­риментов, проведенных различными исследователями, показала следую­щее: 1) по мере увеличения основнос­ти шлака способность его поглощать влагу из атмосферы растет; 2) по мере увеличения основности шлака ско­рость диффузии водорода через повер­хность шлак—металл растет; 3) ско­рость абсорбции водорода металлом из основного шлака, подвергнутого воздействию влажной атмосферы, больше, чем скорость абсорбции ме­таллом, напрямую контактирующим с атмосферой, т. е. в отсутствие шлака.

Приведенное выше может быть объяснено быстрым повторным окис­лением, которое происходит, когда ме­талл подвергается прямому воз­действию воздуха. Высокие кон­центрации кислорода на поверхности раздела сталь—газ (кислород)—по­верхностно-активный компонент пре­пятствуют снижению скорости абсорб­ции водорода. Эта защита не реализу­ется, когда металл покрыт шлаком, ко­торый в данном случае действует как «газоход» для транспортировки водо­рода из атмосферы в сталь. Результаты показывают, что, хотя шлак необходим для защиты от окисления и поглоще­ния продуктов реакции, существуют определенные границы этого дей­ствия, и пределы этих границ необходимо определять в каждом конкретном случае, поскольку, с одной стороны, основные шлаки полезны для удаления силикатов, алюминатов, глинозема, а также для десульфурации, но, с другой стороны, они могут быть вредны, когда при избыточной основности начинает­ся поглощение водорода. Приведен­ные примеры показывают, что пробле­ма выбора оптимальных составов шла­ков, наводимых в промежуточном ков­ше, .еще далека от универсального решения.

Непрерывнолитые заготовки имеют тогда высокую степень чистоты по не­металлическим включениям, когда при полном освобождении ковша от метал­ла при непрерывной разливке подряд нескольких плавок не происходит по­ступления шлака из сталеразливочного ковша в промежуточный. В условиях постоянного перемешивания, вызыва­емого струей поступающей стали, эмульгированный шлак отделяется от металла в промежуточном ковше очень медленно. Путем моделирования на больших водяных моделях установле­но, что при свободном истечении над разливочным стаканом возникает вра­щающаяся воронка. Она образуется тем раньше, чем интенсивнее вращает­ся жидкость. Кроме того, может воз­никнуть и невращающаяся воронка, если объем истекающей стали меньше, чем пропускная способность стакана. Приходится учитывать, что даже тогда, когда в промежуточном ковше наведен синтетический шлак нужного состава, в случае продолжительной разливки в наведенном шлаке может постепенно возрастать активность оксидов железа и марганца. Ситуация также может из­мениться при попадании в промежу­точный ковш шлака из сталеразливоч­ного ковша.

На заводах качественной метал­лургии разработаны различные вари­анты решений для исключения таких случаев.