СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ
METHOD OF STEEL PROCESSING IN INTERMEDIATE LADLE

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к непрерывной разливке стали, конкретно к способам обработки стали в промежуточных ковшах.
Основным фактором, лимитирующим продолжительность разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (далее - МНЛЗ), является стойкость т.н. шлаковых зон (шлаковых поясов) стопора-моноблока и рабочего слоя основной футеровки промежуточного ковша. Агрессивное воздействие (как температурное, так и химическое) шлака и металла на данные зоны огнеупоров в промежуточном ковше в процессе разливки стали приводит к снижению серийности разливки. Помимо этого, недостаточная сорбционная способность шлака в промежуточном ковше приводит к скоплению всплывающих в процессе разливки неметаллических включений на границе металл - шлак, что вызывает повышенное загрязнение разливаемого металла (особенно в конце серии) неметаллическими включениями, приводящее к переназначению марки или даже к полной отбраковке такой стали.
На зеркало металла в промежуточном ковше подают, как правило, теплоизолирующую засыпку (смесь), основная задача которой состоит в предотвращении больших теплопотерь разливаемого металла через зеркало металла в промежуточном ковше. При современном уровне требований к качеству разлитого металла и к технологичности разливки на МНЛЗ только теплоизоляции расплава в промежуточном ковше недостаточно. Необходимо также применять специализированный материал, который расплавляется при непосредственном контакте с жидкой сталью, и, образуя шлаковую фазу на поверхности стального расплава в промежуточном ковше, должен выполнять несколько металлургических функций:
- покровную - предотвращение прямого контакта жидкой стали в промежуточном ковше с атмосферой;
- сорбционную - усвоение и надежное связывание неметаллических включений, всплывших из жидкой стали;
- огнеупоросберегающую - обеспечение достаточной концентрации оксида магния в шлаке промежуточного ковша для повышения стойкости рабочего слоя основной футеровки данного агрегата;
- теплоизолирующую - в меньшей степени; в настоящее время для теплоизоляции используют специальные смеси, например, на основе рисовой лузги, вспученного вермикулита и др.
В зависимости от химического состава и физических параметров материала, шлакообразующая смесь (далее ШОС) реализует указанные выше металлургические функции в различной степени.
Известен способ обработки стали в промежуточном ковше, при котором на зеркало металла в промежуточном ковше присаживают ШОС, включающую (масс.%) пыль производства ферросилиция (36-38), пыль производства алюминия (20-22), пыль известкового производства (41-43). Такой состав смеси позволяет обеспечить высокую скорость ее проплавления с последующим покрытием всей поверхности зеркала металла в промежуточном ковше, однако не в состоянии защитить футеровку промежуточного ковша от агрессивного химического и температурного воздействия поступающих из сталеразливочного ковша порций металла, а также от воздействия газов атмосферы на футеровку промежуточного ковша (особенно в зоне шлакового пояса), поскольку ШОС не содержит оксидов магния (патент РФ 2350425 от 04.06.2007, B22D 11/00).
Известен способ обработки стали в промежуточном ковше с использованием ШОС, содержащей материал, плавящийся на поверхности ванны металлического расплава и предназначенный для выполнения металлургических функций. Указанный материал состоит, по существу, из подвергнутого порообразованию гранулята, преимущественно из алюмината кальция, при этом дополнительно содержит до 15% побочных фаз, в частности MgO (патент РФ 2298041 от 29.09.2003, МПК C21C 5/00, B22D 11/111).
Данная шлакообразующая смесь, по мнению авторов, может быть использована также в качестве теплоизолирующей смеси. В предлагаемом материале MgO рассматривается как побочная фаза. Таким образом, данный материал не в состоянии предотвращать повышенный износ рабочего слоя основной футеровки промежуточного ковша.
Известны технические решения, описывающие способы обработки стали в промежуточном ковше с использованием в качестве ШОС флюсов с большим количеством MgO, примерно до 40% (GB 2265564 от 16.03.1993, B22D 11/10, US 5028257 от 24.04.1990, B22D 11/10). Также известен способ обработки стали в промежуточном ковше, включающий этапы размещения в промежуточном ковше расплава стали и добавление флюса в качестве шлакообразующей смеси (ШОС), состоящего на 10-80% по весу из твердого переработанного шлака от металлургического ковша и примерно 20-90% сырьевых материалов. Указанные сырьевые материалы отобраны из группы, включающей, в частности, оксид кальция, оксид магния, углерод (US 6174347 от 16.01.2001, C21C 7/076).
Недостатки этих известных способов заключаются как в отсутствии универсальности при применении к разливке различных групп марок стали (вследствие содержания в них углерода до 25%), так и, главным образом, тем, что содержание оксида магния в них строго не регламентируется. Оксид магния в этих материалах идет как некая сопутствующая составляющая, что дает производителям возможность фактически не контролировать его содержание в продукте. В случае же регламентации содержания оксида магния в материале его доля не превышает 35-40% по массе, т.е. ограничивается не снизу, а сверху. Следовательно, данные материалы не предназначены непосредственно для предотвращения повышенного износа рабочего слоя основной футеровки промежуточного ковша.
Целями настоящего изобретения являются: повышение качества непрерывнолитой заготовки за счет ассимиляции неметаллических включений, а также увеличение производительности МНЛЗ за счет увеличения серийности, стабильности и технологичности в целом процесса непрерывной разливки.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в увеличении стойкости огнеупорной футеровки промежуточного ковша за счет быстрого формирования шлаков, насыщенных MgO. В этом случае повышается стойкость рабочего слоя футеровки промежуточного ковша, обычно содержащей 70-90% MgO. Также улучшаются условия эксплуатации стопоров-моноблоков (в случае разливки стали с их использованием) за счет увеличения стойкости шлаковых поясов данных изделий. Увеличение серийности разливаемого металла также приводит к снижению себестоимости стали за счет сокращения технологической обрези непрерывнолитой заготовки.
2
3
2
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки стали в промежуточном ковше, включающем наполнение промежуточного ковша сталью, наведение шлака присадками шлакообразующих и теплоизолирующих смесей на поверхность стального расплава, согласно предлагаемому изобретению, в качестве шлакообразующих материалов дополнительно используют магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс с максимальным размером зерна не более 8 мм, следующего химического состава, % по массе: MgO - не менее 61, CaO - 5-20, FeO - 3-12, SiO - не более 8, причем указанный флюс вводят в количестве, обеспечивающем концентрацию MgO в шлаке промежуточного ковша в пределах 8-22% по массе.
Магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс может содержать не менее 50% фракции 0-1 мм и/или не более 10% фракции 4-8 мм.
Магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс вводят на поверхность расплава в промежуточном ковше, присаживая порциями по 5-20 кг на плавку.
Перед подачей в промежуточный ковш шлакообразующая смесь и флюс могут быть смешаны в соотношении, обеспечивающем содержание оксида магния в готовой смеси не менее 61%.
Использование предлагаемой ШОС обеспечивает также снижение скорости износа стопора-моноблока, особенно в шлаковой зоне, а это наряду с повышением стойкости футеровки промежуточного ковша увеличивает серийность МНЛЗ, т.е. позволяет разливать металл сериями большей длины, что приводит к существенному повышению производительности МНЛЗ, сокращению простоев основного оборудования участка разливки, снижению удельных расходов огнеупорных и прочих материалов и энергии на тонну разлитой стали. Расход ШОС определяют исходя из обеспечения требуемых металлургических функций, а также емкости промежуточного ковша. Количество присаживаемого флюса зависит от исходного химического состава шлакового расплава и технологических особенностей процесса непрерывной разливки стали (наличие либо отсутствие крышек на промежуточном ковше, количество ручьев разливаемого металла, состав серийно применяемых шлакообразующих смесей и других факторов).
Магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс, используемый в заявляемом изобретении, получают путем обжига сырьевых материалов сухим способом во вращающихся печах. Основными компонентами шихты являются оксиды магния (например, в виде кальцинированного и/или каустического магнезита), оксиды кальция (в виде доломита, доломитизированного магнезита) и оксиды железа (в виде сидерита, железосодержащих отходов металлургических производств).
Примеры возможных химических составов магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса приведены в таблице 1, при этом не исключаются другие варианты в пределах формулы изобретения.
Для достижения в шлаке промежуточного ковша необходимой концентрации оксида магния (8-22%) при соблюдении сохранения технологичности процесса непрерывной разливки стали содержание оксида магния в магнезиально-кальциевом ожелезненном флюсе должно быть не менее 61% по массе. В случае более низкого содержания оксида магния во флюсе придется вводить в промежуточный ковш повышенное количество данного материала, что негативно скажется на эксплуатационных свойствах шлака в промежуточном ковше. Так, например, увеличение расхода магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса более 20 кг на плавку приводит как к дополнительным теплопотерям металла в промежуточном ковше (за счет затрат энергии на нагрев и расплавление материала), так и к необходимости дополнительно скачивать шлак из промежуточного ковша и наводить новый, что не технологично.
Увеличение в магнезиально-кальциевом ожелезненном флюсе содержания оксида кальция в количестве более 20% по массе на фоне содержания оксида магния не менее 61% приводит к существенному повышению температуры плавления данного материала, что ухудшает эксплуатационные характеристики материала.
2
Если флюс будет содержать менее 5% по массе оксида кальция, то данный материал не будет достаточно эффективно повышать основность шлака в промежуточном ковше. Такая ситуация может потребовать повышенного расхода флюса в процессе разливки, что может приводить к указанным выше негативным последствиям. Под основностью шлака в данном случае понимают отношение CaO/SiO, содержащихся в шлаке, взятых в процентах по массе.
Содержание диоксида кремния во флюсе должно быть не более 8% по массе с целью предотвращения снижения основности шлака промежуточного ковша за счет присадок магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса.
Увеличение содержания во флюсе оксидов железа более 12% приводит к повышению окисленности шлака промежуточного ковша, что может негативно сказаться на стойкости футеровки данного агрегата (за счет увеличения агрессивности такого шлака по отношению к футеровке промежуточного ковша и стопорам-моноблокам в случае их применения). При снижении содержания оксидов железа во флюсе менее 3% увеличивается температура плавления флюса, что приводит как к удлинению периода проплавления материала на зеркале металла в промежуточном ковше, так и к дополнительным теплопотерям металла в промежуточном ковше (за счет затрат энергии на нагрев и расплавление материала).
2
3
За счет оптимально подобранного размера фракции, а также за счет наличия в составе флюса оксидов железа происходит быстрое расплавление материала и его равномерное распределение на поверхности стального расплава в промежуточном ковше. Кроме того, снижается скорость диффузии через образовавшийся жидкий шлак водорода, азота и кислорода из атмосферы в разливаемый металл по причине блокирования поверхности раздела ШОС - атмосфера ионами кислорода - поверхностно-активной составляющей магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса, используемого в заявляемом способе (источник ионов кислорода - оксиды железа в материале (в основном в виде FeO) в количестве 3-12% по массе).
2
3
2
3
2
3
2
2
3
2
В процессе непрерывной разливки с использованием магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса происходит ассимиляция всплывающих из жидкой стали неметаллических включений за счет образования прочных комплексных оксидов (например, типа 3CaO·AlO, 12CaO·AlO, 3MnO·AlO·3SiO, CaO·AlO·2SiO и т.п.) в результате взаимодействия включений с компонентами магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса.
Расход магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса определяют исходя из необходимости обеспечения требуемых металлургических функций, а также емкости промежуточного ковша. Экспериментально установлено, что оптимальным является ввод магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса на поверхность расплава в промежуточном ковше в количестве, обеспечивающем концентрацию MgO в шлаке промежуточного ковша 8-22% по массе. Указанный диапазон содержания MgO в шлаке промежуточного ковша обеспечивает необходимую вязкость шлака, а также способствует созданию гарнисажа (защитного слоя из шлака, насыщенного MgO) на поверхности шлакового пояса рабочего слоя огнеупорной футеровки промежуточного ковша.
Концентрация MgO в шлаке менее 8% для основных шлаков с основностью ≥1,1 и менее 15% для кислых шлаков с основностью ≤0,6 не позволяет увеличить эксплуатационную стойкость рабочего слоя футеровки промежуточного ковша. В результате в процессе непрерывной разливки происходит переход оксида магния из футеровки в шлак, что приводит к значительному износу огнеупорной футеровки промежуточного ковша и загрязнению стального расплава неметаллическими включениями, имеющими экзогенное происхождение (т.е.переходящими в металл из огнеупорной футеровки). Концентрация MgO в шлаке промежуточного ковша более 22% по массе, даже для кислых шлаков (с основностью ниже 1,1), приводит к чрезмерному увеличению вязкости шлака, вплоть до его расслоения с появлением твердой (нерасплавленной) фазы. При этом происходит нарушение всех металлургических функций данного материала: покровной (предотвращение прямого контакта жидкой стали в промежуточном ковше с атмосферой); сорбционной (снижение абсорбции неметаллических включений), а также огнеупоросберегающей и теплоизолирующей (за счет сокращения площадей контакта соответственно с футеровкой промежуточного ковша и зеркалом стального расплава в промежуточном ковше).
Заявленный способ обработки стали в промежуточном ковше используют на металлургических предприятиях следующим образом. Во время запуска новой серии разливки металла промежуточный ковш наполняют сталью из сталеразливочного ковша до рабочего уровня. После наполнения промежуточного ковша сталью до рабочего уровня на зеркало металла подают теплоизолирующую смесь. Затем сверху присаживают магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс. Поскольку флюс имеет большую плотность, чем теплоизолирующая смесь, он проходит сквозь слой теплоизолирующей смеси и вступает в контакт с жидкой сталью. За счет малого размера фракции, а также наличия в составе магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса оксидов железа происходит быстрое расплавление материала и его равномерное распределение на поверхности стального расплава в промежуточном ковше. После этого флюс начинает с высокой эффективностью выполнять три из четырех металлургических функций: покровную, сорбционную и огнеупоросберегающую.
В зависимости от типа и конструкционных особенностей МНЛЗ запускают процесс непрерывной разливки стали (открывают каналы системы быстрой замены нижних стаканов-дозаторов промежуточного ковша либо поднимают стопоры-моноблоки). Во время смены сталеразливочного ковша (т.н. перековшовка) происходит понижение уровня металла в промежуточном ковше (обычно на 10-20% от рабочего уровня). В это время на зеркало металла порциями присаживают магнезиально-кальциевый ожелезненный флюс, который вступает в контакт с расплавом металла и шлака; далее поверхность шлакового расплава необходимо накрыть серийно применяемой теплоизолирующей смесью. Для эффективной теплоизоляции металла в промежуточном ковше рекомендуется использовать специальные смеси, например, на основе рисовой лузги.
Необходимое количество присаживаемого флюса для снижения агрессивного воздействия шлаков на рабочую футеровку промежуточного ковша определяют с учетом особенности существующей технологии, периодичности скачивания шлака из промежуточного ковша, объема металла в данном агрегате, площади зеркала металла в промежуточном ковше и объема шлакового расплава.
Определенную порцию флюса подают в технологические отверстия крышки промежуточного ковша либо, при отсутствии крышки, непосредственно на зеркало металла. Как правило, подачу флюса производят в период понижения уровня металла в промежуточном ковше вследствие замены сталеразливочного ковша, и/или при необходимости повлиять на физико-химические свойства шлака в промежуточном ковше (необходимость может быть определена путем визуальной оценки исходя из опыта разливщиков, а также на основании результатов химического анализа пробы шлака, отобранной из промежуточного ковша в процессе непрерывной разливки).
Предлагаемый способ обработки стали в промежуточном ковше был успешно опробован на ряде металлургических предприятий. В процессе опытных испытаний заявленного способа обработки стали в промежуточном ковше присадками магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса содержание MgO в шлаковом расплаве было значительно - до 21% по массе - повышено, что положительно сказалось как на серийности разливки, так и на качестве разлитого металла. Также при этом была изменена основность шлака промежуточного ковша в процессе разливки (табл.2).
Шлак с полученными конечными характеристиками (см. табл.2 и 3) снижает свое агрессивное воздействие на рабочий слой футеровки промежуточного ковша, а также позволяет при перековшовках в процессе последовательных понижений и затем повышений уровня металла в промежуточном ковше образовывать защитный слой (гарнисажное покрытие) зоны шлакового пояса футеровки. Присадка предлагаемого в данном изобретении магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса к ШОС, стандартно применяемым в промежуточном ковше МНЛЗ на каждом конкретном предприятии, позволяет также повысить основность шлака и его ассимилирующую способность всплывающих из жидкой стали неметаллических включений, за счет чего происходит рафинирование разливаемого металла и, следовательно, повышается качество разлитой стали.
Предлагаемый способ обработки стали с применением магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса в количестве, обеспечивающем концентрацию MgO в шлаке 8-22%, позволил увеличить серийность разливки за счет увеличения срока эксплуатации (стойкости) футеровки промежуточного ковша, для сортовых МНЛЗ, например, на одном предприятии на 19% (с 72 до 86 плавок), на другом - на 48% (с 35 до 52 плавок). Для слябовых МНЛЗ увеличение серийности составляет обычно 25-36% (увеличение с 8-11 до 10-15 плавок в серию). Увеличение серийности непрерывной разливки позволило существенно повысить производительность МНЛЗ, сократить простои основного оборудования участков разливки, снизить удельные расходы огнеупорных и прочих материалов и энергии на тонну разлитой стали. Также в среднем на 7,4% снизилась отбраковка металла по содержанию неметаллических включений. Таким образом достигается технический результат, заявленный в настоящем изобретении.
Таблица 1
Возможные варианты химического состава магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса
Химический состав, % (масс.)
Варианты флюса
1
2
3
4
5
MgO
≥61,0
≥65,0
≥70,0
≥70,0
≥75,0
CaO
5,0-19,0
12,0-20,0
≤12,0
≤20,0
5,0-12,0
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,0-12,0
4,0-9,0
4,0-8,0
3,0-9,0
3,0-7,0
SiO<sub>2</sub>
≤5,0
≤4,0
≤5,0
≤8,0
≤6,0
Таблица 2
Сравнение состава шлака в промежуточном ковше без применения магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса и с его использованием для шлаков с пониженной основностью
к 25-й плавке (перед скачиванием шлака)
Содержание оксида, % по массе
Основ ность
MgO
CaO
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MnO
FeO
без флюса (типовой вариант)
12,79
15,44
40,03
11,52
14,46
5,72
0,39
с применением флюса
20,85
28,42
31,20
12,71
4,37
2,36
0,91
Таблица 3
Сравнение состава шлака в промежуточном ковше без применения магнезиально-кальциевого ожелезненного флюса и с его использованием для шлаков с обычной основностью
к 8-й плавке (перед скачиванием шлака)
Содержание оксида, % по массе
Основ ность
MgO
CaO
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MnO
FeO
без флюса (типовой вариант)
3,4
26,8
33,7
24,5
5Д
6,4
0,79
с применением флюса
11,3
34,5
25,4
22,6
3,2
2,8
1,36