Рафинирование стали в процессе разливки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 328
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-1159-2
Артикул: 815388.01.99
Представлено описание технологии и оборудования для рафинирования стали в процессе непрерывной и дискретной разливки. Рассмотрен отечественный и зарубежный опыт применения различных технологических приемов, направленных на снижение содержания неметаллических включений, улучшение качества поверхности, микро- и макроструктуры отливаемых слитков, а также перспективные разработки, ожидающие внедрения. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов, металлургических и машиностроительных предприятий. Может быть полезно преподавателям и студентам профильных вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 15.04.02: Технологические машины и оборудование
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. В. Протасов, Б. А. Сивак, Л. А. Смирнов РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ РАЗЛИВКИ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023 1
УДК 669.04 ББК 34.327 П83 Рецензент: д. т. н., профессор, заведующий кафедрой инжиниринга технологического оборудования НИТУ «МИСиС» С. М. Горбатюк Протасов, А. В. П83 Рафинирование стали в процессе разливки : монография / А. В. Протасов, Б. А. Сивак, Л. А. Смирнов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 328 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1159-2 Представлено описание технологии и оборудования для рафинирования стали в процессе непрерывной и дискретной разливки. Рассмотрен отечественный и зарубежный опыт применения различных технологических приемов, направленных на снижение содержания неметаллических включений, улучшение качества поверхности, микро- и макроструктуры отливаемых слитков, а также перспективные разработки, ожидающие внедрения. Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов, металлургических и машиностроительных предприятий. Может быть полезно преподавателям и студентам профильных вузов. УДК 669.04 ББК 34.327 ISBN 978-5-9729-1159-2 Протасов А. В., Сивак Б. А., Смирнов Л. А., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 2
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................... 6 1. РОЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША В РАФИНИРОВАНИИ СТАЛИ ........................ 9 1.1. Основные функции промежуточного ковша и требования к его конструкции ...... 9 1.2. Размеры и емкость промежуточного ковша .......................................................... 11 1.3. Конструктивные элементы промежуточного ковша и их влияние на эффективность непрерывного литья и качество непрерывнолитых заготовок ......................................................................................................................... 11 1.4. Промежуточные ковши с возможностью нагрева металла .................................. 25 1.5. Флотация и фильтрация неметаллических включений ........................................ 27 1.6. Технологические возможности промежуточного ковша ....................................... 34 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1 ............................................................................................... 42 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ ......................................................................................................... 44 2.1. Требования к свойствам шлакового пояса в промежуточном ковше и кристаллизаторе ......................................................................................................... 44 2.1.1. Шлаковый слой в промежуточном ковше ....................................................... 44 2.1.2. Шлаковый слой в кристаллизаторе ................................................................ 47 2.2. Разновидности и свойства шлакообразующих смесей ........................................ 51 2.2.1. Шлакообразующие смеси на основе полых гранул ....................................... 51 2.3. Технологии и оборудование для введения флюсов на поверхность металла в кристаллизаторе .......................................................................................... 58 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2 ............................................................................................... 78 3. МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ .................................................. 81 3.1. Технологические основы микролегирования ........................................................ 81 3.2. Технологические основы модифицирования ........................................................ 82 3.3. Разновидности микролегирующих добавок, модификаторов и инокуляторов ............................................................................................................... 84 3.4. Введение в расплав модифицирующих и микролегирующих добавок ............... 88 3.4.1. Обработка металла в промежуточном ковше инжекционной проволокой ................................................................................................................. 91 3.4.2. Обработка металла порошковой проволокой в кристаллизаторе ............... 99 3.5. Применение макрохолодильников ....................................................................... 105 3.6. Комбинированные методы введения микролегирующих и модифицирующих добавок ...................................................................................... 109 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 3 ............................................................................................. 113 4. ПРИМЕНЕНИЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ ............... 116 4.1. Основные задачи, решаемые при непрерывной разливке с помощью использования инертного газа .................................................................................... 116 4.2. Продувка металла в сталеразливочном ковше в процессе разливки ............... 119 4.3. Защита струи металла от контакта с атмосферой ............................................. 120 4.4. Продувка металла в промежуточном ковше ....................................................... 128 4.4.1. Продувка сталевыпускного канала ............................................................... 137 4.4.2. Защита струи металла на участке ПК-кристаллизатор ............................... 141 4.5. Продувка металла в кристаллизаторе ................................................................ 142 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4 ............................................................................................. 148 3
5. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА В ПРОМЕЖУТОЧНОМ КОВШЕ ................................................................................... 150 5.1. Температурный режим разливки ......................................................................... 150 5.2. Индукционный нагрев металла в промежуточном ковше .................................. 152 5.3. Электродуговой нагрев стали .............................................................................. 153 5.4. Плазменный нагрев .............................................................................................. 155 5.4.1. Основные разновидности плазменных металлургических нагревателей ............................................................................................................ 155 5.4.2. Применение плазменного нагрева металла в промковше за рубежом ..... 158 5.4.3. Отечественный опыт применения плазменного нагрева металла в промковше ............................................................................................................. 165 5.4.4. Конструктивные элементы установок плазменного нагрева ...................... 173 5.5. Прочие способы нагрева металла в процессе непрерывной разливки ............ 178 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 5 ............................................................................................. 180 6. ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ ПОТОЧНОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ ................................................. 182 6.1. Опыт эксплуатации поточного вакууматора на НЛМК ........................................ 185 6.2. Агрегаты поточного вакуумирования конструкции ВНИИМЕТМАШ .................. 188 6.3. Основные направления совершенствования поточных вакууматоров ............. 197 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 6 ............................................................................................. 208 7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КРИСТАЛЛИЗУЮЩИЙСЯ МЕТАЛЛ ........................................................................................................................ 210 7.1. Влияние внешних воздействий на формирование непрерывнолитых заготовок ....................................................................................................................... 210 7.2. Электромагнитные воздействия на кристаллизующийся металл ..................... 215 7.2.1. Индукционное электромагнитное перемешивание ..................................... 220 7.2.2. Кондукционное электромагнитное перемешивание .................................... 232 7.3. Воздействие низкочастотными вибрациями и ультразвуком ............................ 233 7.3.1. Вибрационная обработка .............................................................................. 234 7.4. Электрогидроимпульсная обработка (ЭГИО) металла ...................................... 241 7.5. Ультразвуковая обработка ................................................................................... 243 7.6. Прочие методы обработки кристаллизующегося металла ................................ 246 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 7 ............................................................................................. 248 8. АВТОМАТИЗАЦИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ И КОМПЛЕКСНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ .................................................................... 250 8.1. Основные задачи и функции автоматизации МНЛЗ ........................................... 250 8.2. Машины непрерывного литья заготовок как объекты автоматизированного управления ................................................................................................................... 251 8.3. Иерархический принцип организации АСУТП .................................................... 262 8.4. Комплексные системы управления качеством непрерывнолитых заготовок ....................................................................................................................... 265 8.5. Основы информационного обеспечения системы управления качеством непрерывнолитой заготовки ...................................................................... 279 8.6. Информационные потоки технологического процесса непрерывной разливки стали ............................................................................................................. 279 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 8 ............................................................................................. 282 4
9. ОБРАБОТКА СТАЛИ ПРИ РАЗЛИВКЕ В ИЗЛОЖНИЦЫ ....................................... 283 9.1. Основные технологические задачи при производстве высококачественных слитков .......................................................................................................................... 283 9.2. Дефекты стальных слитков .................................................................................. 283 9.3. Неметаллические включения в слитках .............................................................. 285 9.4. Отливка высококачественных крупных слитков ................................................. 286 9.4.1. Многоковшовая разливка .............................................................................. 290 9.5. Обработка кристаллизующегося слитка при атмосферном давлении ............. 290 9.5.1. Методы устранения химической неоднородности в слитках ...................... 290 9.5.2. Защита разливаемой стали от вторичного окисления ................................ 292 9.5.3. Введение в расплав модифицирующих добавок ........................................ 293 9.5.4. Применение внешних воздействий при затвердевании слитков ............... 295 9.5.5. Обработка стали при сифонной разливке ..................................................... 299 9.6. Разливка в вакууме и защитной атмосфере ....................................................... 303 9.6.1. Разновидности струйного вакуумирования.................................................. 305 9.6.2. Элементы технологического процесса ......................................................... 311 9.6.3. Отливка под вакуумом малых слитков ......................................................... 315 9.6.4. Конструктивные особенности струйных вакууматоров ............................... 317 9.6.5. Разливка в среде инертного или нейтрального газа ................................... 319 9.7. Перспективы развития процессов разливки стали в слитки .............................. 320 ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 9 ............................................................................................. 321 5
ВВЕДЕНИЕ Непрерывная разливка применяется на большинстве металлургических предприятий, вместе с тем в настоящее время при производстве ответственных крупногабаритных изделий расширяется применение разливки в изложницы. В общем случае металл в сталеразливочных ковшах поступает на непрерывную разливку после осуществления операций раскисления, дегазации, десульфурации, легирования, удаления неметаллических включений, усреднения температуры и химсостава. Тем не менее, в процессе транспортировки, выпуска из сталеразливочного ковша металл загрязняется неметаллическими включениями в результате контакта со шлаком, огнеупорами, атмосферным воздухом и нуждается в дополнительном рафинировании, особенно при производстве металлопродукции ответственного назначения. Кроме того, непрерывная разливка предъявляет более жесткие требования (по сравнению с разливкой в слитки) к химическому составу стали, уровню его окисленности, однородности, содержанию газов, поэтому внепечное рафинирование металла перед непрерывной разливкой или в процессе разливки является необходимой операцией, при этом непрерывная обработка в процессе разливки создает дополнительные технологические возможности и обладает существенными преимуществами. Современный период развития металлургии характеризуется увеличением производства высококачественной стали, усложнением и расширением сортамента выпускаемой металлопродукции, ужесточением требований к качеству, широким применением внепечной обработки и непрерывной разливки. Технологические возможности внепечной обработки стали непрерывно расширяются и совершенствуются. Вместе с тем возрастают производственные издержки, обработка в сталеразливочном ковше сопровождается существенными затратами времени и во многих случаях препятствует организации серийной непрерывной разливки, кроме того требования к качеству готовой металлопродукции постоянно возрастают, а опыт эксплуатации МНЛЗ показал, что использование промежуточных ковшей простейшей конструкции без учета характера потоков жидкого металла, возможности его повторного насыщения кислородом и азотом воздуха, а также неметаллическими включениями в результате контакта с огнеупорной футеровкой не позволяет обеспечить требуемое качество непрерывнолитых заготовок и готовых металлоизделий. При массовом применении непрерывной разливки стали это приводит к необходимости использовать процесс непрерывной разливки для дополнительной обработки металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе МНЛЗ, с тем, чтобы исключить необходимость задержки сталеразливочного ковша для дополнительной обработки, предотвратить или уменьшить возможность дополнительного загрязнения металла газами и неметаллическими включениями. Основные задачи рафинирования металла в ходе непрерывной разливки заключаются в устранении дефектов предшествующей внепечной обработки стали, в обеспечении оптимального шлакового режима в промежуточном ковше и кристаллизаторе, в дополнительном улучшении качества металла путем дополнительной десульфурации и микролегирования, модифицирования, в удалении остаточных неметаллических включений, в предотвращении вторичного загрязнения металла газами и включениями, в обеспечении однородной структуры металла и оптимального 6
температурного режима непрерывной разливки путем эффективной термоизоляции, подвода к металлу дополнительного тепла или, при необходимости, охлаждения продувкой ванны инертным газом. Значительные технологические преимущества рафинирования металла в процессе разливки, чрезвычайно сложные условия эксплуатации, связанные со значительной загазованностью, запыленностью, высокими температурами и ограниченными габаритами рабочего пространства, высокие требованиями к надежности и ремонтопригодности привели к разработке большого числа разнообразных устройства для введения реагентов, защиты, перемешивания и нагрева металла. В настоящее время на отечественных и зарубежных металлургических заводах практически не осталось промышленных сталеплавильных цехов без непрерывной разливки жидкого металла и машин непрерывного литья заготовок без тех или иных средств дополнительной обработки разливаемого металла. Существует значительное число конструктивных разработок устройств для введения реагентов, нагрева и перемешивания расплава, выполненных на уровне изобретений, большинство которых не пока не получили промышленного применения. Вместе с тем, накоплен большой опыт разработки и эксплуатации подобных устройств, нуждающийся в анализе и обобщении. Оборудование и технология непрерывной разливки стали характеризуются большим числом разнообразных наукоемких технических решений, подробно описанных в специальной литературе, и основные аспекты непрерывного литья упоминаются в данной книге исключительно в связи с влиянием, оказываемым конструктивными и технологическими параметрами МНЛЗ на качество заготовки и ее механические свойства. Развитие техники способствует расширению технологических возможностей оборудования. Большие возможности по улучшению структур отливаемой заготовки открывает обработка кристаллизующегося металла специальными методами (электромагнитным перемешиванием, вибраций, ультразвуком, пульсирующей продувкой, введением микролегирующих и модифицирующих добавок, а также микрохолодильников и инокуляторов). Возможность непосредственного влияния различных методов физического воздействия на кристаллизующийся металл, позволяет кардинально улучшать макро- и микроструктуру отливаемых слитков. Продолжается непрерывный поиск, опытное и промышленное применение новых технических решений, заслуживающих анализа и систематизации. Как правило, рафинирование металла в промежуточном ковше МНЛЗ носит комплексный характер и представляет собой ряд технологических операций, тесно связанных с технологией непрерывной разливки. При производстве особо сложной и ответственной металлопродукции рафинирование непрерывно-разливаемой стали является важной частью единого комплексного технологического процесса, включающего полный цикл взаимосвязанных стадий получения и обработки металла, которые могут включать в себя все технологические операции, от подготовки металлургического сырья и выплавки полупродукта до прокатки и отделки готовой продукции. Важную роль при этом играет рафинирование металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе МНЛЗ. При этом наилучшие результаты достигаются при комплексном использовании всех технологических возмож-ностей рафинирования при непрерывной разливке, которые в общем случае включают 7
все варианты технологические в операции традиционной обработки стали в ковшах и, при этом обладают дополнительными возможностями: благоприятными условиями для интенсивной флотации неметаллических включений за счет рациональной организации потоков установкой перегородок и порогов, фильтрацией включений при перетекании расплава через отверстия в перегородках или через специально установленные керамические фильтры. Кроме того, возможность непосредственного воздействия на кристаллизующийся металл способствует существенному улучшению макро- и микроструктуры непрерывнолитого слитка. Следует отметить, что непрерывная разливка стали, подробно описанная во множестве источников, не является предметом подробного рассмотрения данной книги, специфические технологические и конструктивные параметры МНЛЗ упоминаются преимущественно в связи с их влиянием на эффективность рафинирования металла. Наряду с непрерывной разливкой стали в производстве высококачественных изделий ответственного назначения сохраняется и широко применяется в промышленно развитых странах разливка в изложницы, особенно при получении крупных кузнечных слитков, для которых проблема получения однородной микрозернистой структуры, свободной от неметаллических и газовых включений имеет особое значение. Поэтому в данной книге рассмотрен ряд методов рафинирования кристаллизующейся стали, которые с успехом применяются как при непрерывной, так и при дискретной разливке. 8
1. РОЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША В РАФИНИРОВАНИИ СТАЛИ 1.1. Основные функции промежуточного ковша и требования к его конструкции Первоначально промежуточный ковш выполнял, главным образом, функции приема и распределения металла по ручьям. Однако, благодаря существенному повышению требований к качеству стали в последние десятилетия его роль стала более значимой. В современном сталеплавильном производстве промежуточный ковш МНЛЗ рассматривается как один из важнейших элементов, который самым непосредственным образом влияет на качество непрерывнолитой заготовки. Современный промежуточный ковш выполняет различные функции. Он является буферной емкостью, так как с его помощью согласовывается дискретное поступление металла из сталеразливочного ковша в промежуточный и непрерывное поступление стали из промковша в кристаллизатор (кристаллизаторы). При этом обеспечиваются усреднение поступающей порции металла и предотвращается попадание шлака в кристаллизатор. Конструкция промежуточного ковша должна обеспечивать минимальные потери тепла металлом в течение всего цикла разливки. Рис. 1.1. Общий вид промежуточного ковша МНЛЗ Енакиевского металлургического завода Промежуточный ковш обеспечивает поступление металла в кристаллизатор с определенным расходом, обеспечивая хорошо организованную струю. Он позволяет разливать сталь в несколько кристаллизаторов одновременно и осуществлять серийную разливку методом «плавка на плавку» при смене сталеразливочных ковшей без прекращения и снижения скорости разливки. Конструкция и вместимость промежуточного ковша в значительной степени определяют стабильность процесса разливки стали и качество заготовки [1.1]. 9
Для удобства эксплуатации выполняются технологические уклоны стенок (сужение) промковша. Для скачивания избыточного количества шлака, скопившегося в промковше, его конструкция может предусматривать наличие шлакового носика [1.3]. Футеровка промковша работает в чрезвычайно сложных условиях, поскольку ее рабочий слой непрерывно контактирует с жидкой сталью в течение длительного времени (при серийной разливке – до 10–25 часов и более). При этом износ футеровки является основным источником поступления в сталь неметаллических включений. После окончания разливки футеровка охлаждается вместе с остатком металла, который затем удаляется из промковша. При этом многократно используемая часть футеровки подвергается дополнительным нагрузкам, связанным с циклическим изменением температуры и механическими воздействиями (при удалении остатка). Как правило, футеровка выполняется трехслойной: рабочий (непосредственно контактирующий с жидкой сталью), арматурный (используемый многократно) и теплоизоляционный (обеспечивающий минимизацию потерь тепла) слои. В среднем расход огнеупоров промковша составляет 2,5–3,5 кг/т разливаемой стали. Обычно, рабочий слой работает только один цикл разливки и наносится на арматурный двумя методами: мокрого торкретирования (набрызгивания) или засыпкой «сухой» магнезиальной массы. Основными зонами повышенного износа рабочего слоя футеровки промковша являются зона шлакового пояса и днище в области падения струи из сталеразливочного ковша. Соответственно, футеровка днища в данной зоне выполняется с увеличенной толщиной. Износ рабочего слоя футеровки промковша в шлаковом поясе, как правило, обусловливается химической агрессивностью покровной теплоизолирующей смеси по отношению к магнезитовому торкрет-слою. По назначению все промежуточные ковши можно разделить на слябовые, сортовые и блюмовые. Исходя из вышеизложенного, при разработке конструкции промковша необходимо учитывать следующие основные факторы: – количество и расположение ручьев МНЛЗ, а также сечение отливаемых заготовок; – массу разливаемой плавки; – способ регулирования процесса истечения металла из промковша; – способ начала процесса разливки, метод удаления шлака и остатков металла после ее окончания; – оснащенность промковша специальными устройствами и приспособлениями (например, для непрерывного замера температуры или подогрева металла в ходе литья); – характер движения конвективных потоков металла, способствующих всплытию неметаллических включений в шлак или вызывающих повышенный износ элементов футеровки промковша; – возможность дополнительной рафинирующей обработки металла в промковше посредством введения в расплав реагентов, а также его продувки инертным газом; – количество последовательно разливаемых плавок в серии. Полное использование возможностей промежуточного ковша делает его важнейшим и очень гибким звеном в процессе производства стали повышенной чистоты. 10