Улучшение качества и разливаемости металла

Улучшение качества и разливаемости металла путем совершенствования технологии его раскисления при внепечной обработке

С. В. Виноградов, А. А. Фетисов, докт. техн. наук В.И.Жучков ОАО "НТМК", ИМЕТУрОРАН
Металлург № 10 2003 С. 45...47. УДК 621.746.5

Отрицательное влияние включений глинозема на свойства металла является причиной введения запре­та на применение алюминия для раскисления сталей ответственного назначения, например, железнодорож­ного сортамента, что создает проблемы обеспечения качества металлопродукции. В последние годы убеди­тельно доказано, что обработка кальцием стали, рас­кисленной алюминием, позволяет устранить эти неже­лательные эффекты [1].

Основной задачей обработки кальцием жидкой ста­ли, раскисленной алюминием, является модифициро­вание твердых включений глинозема в жидкие ком­плексные типа 12СаО-7Аl₂О₃, которые могут частично удаляться в шлак при внепечной обработке стали арго­ном в сталеразливочном ковше. При этом растворен­ный кальций, соединяясь с включениями глинозема, образует алюминаты кальция различного состава, ко­личество которых растет пропорционально количеству растворенного кальция.

В бинарной фазовой системе CaO·Al₂O₃ могут быть сформированы следующие фазы: Al₂O₃, СаО·6Аl₂О₃, CaO·2Al₂O₃, CaO·Al₂O₃, 12CaO·7Al₂O₃, 3CaO·Al₂O₃,·СаО.

При 1600 °С, когда содержание СаО в алюминатах достигает 40 %, они переходят из твердого состояния в жидкое. С повышением содержания СаО до 60 % фазо­вое состояние алюминатов вновь меняется, и при 60 % СаО жидкими остаются лишь модифицированные включения, по составу близкие к 12СаО·7Аl₂О₃. В трехкомпонентной фазовой системе CaO·Al₂O₃·SiO₂ каж­дая зона определяет различные свойства включений - жидкие или твердые, и характеристики их деформируе­мости - пластичные или непластичные (рис. 1) [2].

Знание величины соотношения между содержанием кальция и алюминия в стали (по результатам химичес­кого анализа готового металла) важно для управления процесса модифицирования включений глинозема. Он протекает успешно при отношении Са/Аl>0,14 [2]. Для того, чтобы получить желаемое отношение Са/Al, необ­ходимо знать степень усвоения кальция металлом в технологическом процессе. Установлено, что она со­ставляет не менее 15...25 % при обработке порошковой SiCa-проволокой и обычно менее 15 % при инжекции порошка кальция в металл. Кроме того, при обработке проволокой усвоение кальция более стабильно.

Необходимое для модифицирования количество кальция следует определять в зависимости от количе­ства включений глинозема, оставшихся в жидкой ста­ли, с тем чтобы они могли быть переведены в жидкие алюминаты кальция (12СаО·7Аl₂О₃).

Составы включений в жидкой стали модифици­руются кальцием в такой последовательности: Аl₂О₃ → СаО·6Аl₂О₃ → СаО·2Аl₂О₃ → СаО·Аl₂О₃ → 12СаО·7Al₂O₃. Таким образом, модификация включений из СаО·6Аl₂О₃ в CaO·2Al₂O₃ невозможна до полной моди­фикации глинозема в СаО·6Аl₂О₃.

Как известно, кальций относится к активным десульфураторам. В связи с этим необходима тщательная кор­ректировка добавок кальция в жидкую сталь для обеспе­чения, в частности, желаемой модификации первичных включений глинозема и избежания выделения CaS.

При вводе кальция в количестве меньшем оптималь­ного происходит неполная модификация включений глинозема в алюминаты кальция с высокой температу­рой плавления, с другой стороны, при добавке Са в количестве большем оптимального образуются сульфиды кальция, что также вызывает затягивание сталераз­ливочного стакана промковша МНЛЗ.

Экспериментально было определено, что для пре­дотвращения зарастания сульфидами кальция разли­вочного стакана промковша МНЛЗ при разливке спе­циальных сталей целесообразно вводить кальций с та­ким расчетом, чтобы отношение Са/Аl > 0,05 [3]. После­дующий анализ сортовых профилей показал, что в плавках, удовлетворяющих соотношению Са/Аl > 0,085, при ультразвуковом контроле очень редко обнаружи­ваются включения. Была определена зависимость между содержаниями кальция и алюминия и качеством металла по результатам ультразвуковой дефектоско­пии металлопродукции (рис. 2). Установлено, что для стали, содержащей менее 0,30 % С, приемлемый диа­пазон отношения Са/Al шире и распространяется до более низких величин. Однако при этом в алюминате кальция обнаруживается большое количество выде­ленной фазы CaS, что приводит к зарастанию каналов разливочных стаканов сульфидами кальция.

Основными условиями для обеспечения наиболее полной модификации твердых включений глинозема в стали, обработанной кальцием и раскисленной алюми­нием, являются:

• перемешивание металла аргоном до и после об­работки кальцием, при этом очень важным является интенсивность и продолжительность продувки;
• добавка кальция строго в соответствии с содержа­нием активного кислорода и серы в стали и состава на­веденного ковшового шлака;
• устранение возможности вторичного окисления при разливке металла на МНЛЗ (использование защит­ных трубок между стальковшом и промковшом, между промковшом и кристаллизатором, вдувание в них ар­гона и др.) [2].

С учетом изложенного на НТМК проведена работа с целью изучения влияния предварительного раскисле­ния алюминием на качество и разливаемость трубного металла. Были исследованы 100 плавок стали 10ТР и 20ТР с раскислением металла в ковше-печи предвари­тельно алюминиевой проволокой с расходом 0,20 кг/т и окончательно- алюминиевой и порошковой силико­кальциевой проволоками с расходом 0,40 и 1,7 кг/т со­ответственно.

Установлено, что на опытных плавках содержание алюминия в сталеразливочном ковше после предвари­тельного раскисления на установке ковш-печь возрас­тает с 0,004 до 0,008 % соответственно.

Содержание алюминия в промковше МНЛЗ после окончательного раскисления в конце обработки метал­ла на установке ковш-печь равным количеством алю­миниевой проволоки на опытных и сравнительных плавках находится на одном уровне - 0,018 и 0,019 % соответственно. Механические свойства трубной не­прерывнолитой заготовки на опытных и сравнительных плавках были одинаковы. Характеристики опытного (А) и сравнительного (Б) металла приведена ниже

Оценка качества макроструктуры по ГОСТ 10243-75 показала, что газовый пузырь отсутствовал на всех пробах металла опытных плавок, на сравнительных - только при содержании алюминия в металле не менее 0,015 %.

На плавках, обработанных по обычной технологии, имели место случаи зарастания глиноземом стакана-дозатора промковша МНЛЗ, а промывка стакана кис­лородом приводила к некрытию стопора. Количество таких случаев на сравнительных плавках достигало 20 %. При разливке на МНЛЗ опытного металла таких случаев не было. Улучшение разливаемости опытного металла объясняется меньшим содержанием в нем твердых частиц глинозема благодаря переводу их в шлак в результате более длительной продувки металла аргоном и получению более благоприятного для раз­ливаемости стали соотношения содержания кальция и алюминия. При этом серийность разливки металла на МНЛЗ возросла с 11,6 до 19,3 плавок. Число плавок, разлитых в один промковш, увеличилось с 4,5 до 6.

По результатам промышленного опробования мето­да предварительного раскисления трубного металла, обрабатываемого на установке ковш-печь и разливае­мого на МНЛЗ, уточнили оптимальное значение отно­шения Ca/Al (0,10-0,18) и сократили расход силико­кальциевой проволоки с 1,7 до 1,5 кг/т, окупив допол­нительные затраты на алюминий для предварительно­го раскисления металла.

Анализируя случаи некрытия стопоров промковша МНЛЗ, выяснили, что они происходили в основном при содержании в металле более 0,0030 % Са. Это объяс­няется реакциями, характер которых зависит от мате­риала огнеупора, и отношения общего содержания кальция к содержанию оксида алюминия огнеупора. Известно, что обработка расплавов кальцием влияет на продолжительность эксплуатации огнеупоров, осо­бенно контактирующих с большой массой перемеща­ющейся жидкой стали (например стопор-моноблок, стакан-дозатор, погружной стакан МНЛЗ). Введенный в металл кальций, с одной стороны, восстанавливает огнеупорный материал, с другой, реагирует с ним с об­разованием различных продуктов реакции, например, алюминатов и алюмосиликатов кальция, усиливая из­нос огнеупоров [4]. Для глиноземистых огнеупоров на муллитной или углеродной связке содержание кальция в металле ограничивают 0,003 %. В этом случае износ стопоров-моноблоков, стаканов-дозаторов и погруж­ных стаканов МНЛЗ незначителен или умеренный. В то же время содержание алюминия во многих сталях трубного сортамента регламентировано (не менее 0,02 %). В этом случае содержание в металле менее 0,002 % Са нарушает оптимальное для высокой разли­ваемости отношение Са/Al (менее 0,10), вызывая зара­стание разливочных стаканов частицами глинозема.

По результатам проведенной работы для производ­ства высококачественной трубной непрерывнолитой заготовки на комбинате рекомендовано:

• при обработке трубного металла на установке ковш-печь проводить обязательное предварительное рас­кисление металла алюминиевой проволокой с расхо­дом 0,2 кг/т;
• окончательное раскисление трубного металла про­водить в конце обработки на установке ковш-печь алю­миниевой проволокой с расходом 0,4 кг/т и порошко­вой силикокальциевой проволокой с расходом 1,5 кг/т;
• для наиболее полного удаления комплексных со­единений глинозема в шлак при окончательном рас­кислении необходимо проводить продувку металла ар­гоном не менее 3 мин как после ввода алюминия, так и после ввода кальция;
• для обеспечения разливаемости металла и мини­мального износа металлопровода промежуточного ковша МНЛЗ содержание кальция в металле должно быть в пределах 0,002-0,003 %;.
• для предотвращения образования сульфидов каль­ция и их отложения на стенках каналов разливочных стаканов кальций для окончательного раскисления не­обходимо вводить при содержании в металле не более 0,018 % S;
• для исключения вторичного окисления кальция в ме­талле при разливке на МНЛЗ необходимо вдувать ар­гон в защитную трубу между сталеразливочным и про­межуточным ковшами, а также в стопор-моноблок.

В результате усовершенствования технологии рас­кисления трубной стали производительность всех МНЛЗ комбината доведена до проектной и превысила ее, серийность разливки ограничена не качеством ме­талла, а техническим состоянием МНЛЗ.

Библиографический список

1. Дюдкин Д.А., Харахулах B.C. О перспективах повыше­ния качества металла в Украине // Металлы и литье Украины. 1999. № 13...14. С. 5...7.
2. Presern V., Kmetik D., Volny O. Einschlusse in Kalziumbehandelten Aluminiumberuhigten Stahlen // Radex-Rundschau. Heft ½ - 1991. S. 433...443.
3. Каваути Ю., Кадзусима М. и др. Технология обработ­ки специальных сталей кальцием // Новости черной металлур­гии за рубежом. 1996. № 1. С. 64...66.
4. Кярья Я., Невала X., Хинцен У., Визель М. Характери­стика износа огнеупоров при разливке сталей, раскисленных кальцием // МРТ. 1999. С. 24...28.