Совершенствование непрерывной разливки и повышение качества коррозионно-стойких титаносодержащих сталей в условиях мини-агрегатов

Актуальность работы.

На сегодняшний день наиболее крупными производителями коррозионно-стойкой стали являются Япония — более 3 млн. т, СШАболее 2 млн. т. [1]. Как на внутреннем рынке России, так и за рубежом, в настоящее время наиболее востребована продукция из тит$носодержащих сталей. В течение последнего времени сортамент коррозионно-стойких сталей расширяется, увеличивается объём их мирового производства, опережая рост общего производства стали (средний рост производства составил «7%), и в 2000 году он достиг 17 млн т. (рис. 1). Доля коррозионно-стойкой стали в общем объёме производства непрерывно возрастает, например, за последние 25 лет увеличилась с 0,93 до 2,7%, то есть втрое.

6% +2%.

Рис. 1 Мировое производство коррозионно-стойких сталей.

Быстрый рост производства коррозионно-стойкой стали в последние годы можно частично отнести за счёт завоевания данной продукцией новых участков рынка [2]. Вероятно, что вследствие создания новых технических разработок и усовершенствования технологии производственного процесса данная тенденция получит дальнейшее развитие.

За последние годы наблюдался резкий рост мощностей по выплавке коррозионно-стойкой стали и конечной обработке продукции в Финляндии, Индии, Корее, Испании, Швеции, Южной Африке, на Тайване и других странах.

На сегодняшний день 75% мирового производства коррозионно-стойкой стали в виде горячеи холоднокатаной полосы получают по классической схеме: электродуговая печь — конвертер АОДнепрерывная разливка. Произведённые в 1998 году 16 млн. т. стали состояли на 75% из аустенитных и на 25% из ферритных марок. В результате неуклонного роста рентабельности сталеплавильных цехов, внедрения непрерывной разливки и других рационализаторских мероприятий продажные цены на коррозионно-стойкие стали за последние 25 лет упали более чем на 40%.

Учитывая, что мировая потребность в коррозионно-стойкой стали неуклонно возрастает, с определёнными допущениями можно считать, что производство и потребление коррозионно-стойкой стали является показателем индустриального развития государства.

На сегодняшний день доля ОАО ММЗ «Серп и молот» в общероссийском производстве коррозионно-стойкой стали составляет: листа — 10%- холоднокатаной ленты — 78% [3]. В связи с этим удержание завоёванных позиций на внутреннем рынке производства коррозионно-стойкой стали — первоочередная задача, актуальность которой не вызывает сомнений.

Производство коррозионно-стойкой титаносодержащей стали в условиях мини-агрегатов, по сравнению с крупнотоннажным производством, имеет ряд особенностей, усложняющих технологический процесс. Однако на рынке металла продолжает оставаться спрос на небольшие партии. Модернизация оборудования и совершенствование технологии производства коррозионно-стойкой титаносодержащей стали в условиях мини-агрегатов являются актуальными и определили поставленные в работе задачи.

Целью настоящей работы было изучить состав и механизм образования шлакометаплической корочки, образующейся на мениске в кристаллизаторе при непрерывной разливке коррозионно-стойких титаносодержащих сталей, выявить причины, катализирующие данный процесс и предложить комплекс технологических и технических мероприятий, направленных на повышение качества металлопродукции из коррозионно-стойких титаносодержащих сталей, производимых на ОАО ММЗ «Серп и молот» в условиях мини-агрегатов.

Для достижения поставленной цели основное внимание было уделено решению следующих задач:

1 Анализу существующих проблем производства коррозионно-стойких титаносодержащих сталей и исследованию основных дефектов готовой металлопродукции, затрудняющих выполнение заказов.

2 Поиску причин возникновения и источников формирования дефектов на холоднокатаной ленте стали марок 08X17Т, 12Х18Н10Т.

3 Изучению состава шлакометаллической корочки на мениске металла в кристаллизаторе.

4 Изучению условий образования шлакометаллической корочки, аё укрупнения и механизму затягивания в тело непрерывнолитой заготовки.

5 Определению влияния различных факторов технологического процесса на качество непрерывнолитой заготовки.

Научная новизна выносимых на защиту результатов:

1 выполненный термодинамический расчёт процесса раскисления однозначно свидетельствует, что для предотвращения, а в идеале для устранения, образования оксидов титана в стали необходимо предварительное глубокое раскисление металла, в том числе за счёт вакуумирования, а ферротитан для легирования стали необходимо прираживать в заключительный период внепечной обработки непосредственно перед непрерывной разливкой.

2 Изучены состав и структура шлакометаллической корочки, образующейся на мениске металла в кристаллизаторе при разливке коррозионно-стойких титаносодержащих сталей.

Определён блочный характер её структуры, состоящей из оксидов титана ТЮ2, наиболее распространённой полиморфной модификацией которого является рутил.

3 Первопричиной возникновения шлакометаллической корочки являются оксиды титана, которые образуются как за счёт окисления титана, так и за счёт окисления нитрида титана, находящихся в металле. Помимо известных источников кислорода (в том числе, оголение зеркала металла при продувке, подсос воздуха при нарушении герметичности защиты и т. п.), источником кислорода является кремнезём шамотной футеровки промежуточного ковша и кремнезём шлакообразующей смеси, используемой в кристаллизаторе при непрерывной разливке. Термодинамическими расчётами показана возможность взаимодействия нитридов титана, находящихся в стали с кремнезёмом шамотной футеровки промежуточного ковша и шлакообразующей смеси с образованием оксида титана и газообразного азота.

4 Показано, что шлакометаплическая корочка, образующаяся на мениске металла в кристаллизаторе, в зависимости от технологических параметров разливки (особенности мини-агрегатов: малая масса плавки, оборудование малых объёмов, малое сечение непрерывнолитой зоготовки) в дальнейшем проявляется в виде не только поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки, но и в большей степени в виде обширных внутренних дефектов, хаотично расположенных по сечению непрерывнолитой заготовки.

Практическая значимость работы заключается в обосновании причин образования грубых плён на холоднокатаной ленте из коррозионно-стойких сталей марок 08X17Т и 12Х18Н10Т как результата раската неметаллических включений в непрерывнолитых заготовках, разлитых в условиях мини-агрегатов. На ОАО ММЗ «Серп и молот» опробованы и предложены к внедрению следующие варианты: • способ подготовки металла к непрерывной разливке (раскисление металла, введение «П в металл),.

• перикпазовая неформованная футеровка промежуточного ковша, получаемая путём торкретирования шамотной,.

• рациональный режим непрерывной разливки (температурно-скоростные параметры разливки, оптимальный уровень металла в промежуточном ковше, использование оснастки в промежуточном ковше по оптимизации направления потоков металла),.

• вариант повышения эффективности защиты металла от вторичного окисления на этапе сталеразливочный ковш — промежуточный ковш (газораспределительное кольцо),.

• новая конструкция погружного стакан в кристаллизатор, облегчающая всплывание неметаллических включений, обеспечивающая лучшие показатели по качеству макроструктуры непрерывнолитой заготовки и более высокую температуру мениска в кристаллизаторе, что способствует благоприятному режиму работы шлакообразующей смеси по ходу разливки,.

• представлены рекомендации по режиму работы со шлакообразующей смесью в кристаллизаторе для удаления образовавшейся шлакометаллической корочки.

В промышленных условиях ОАО ММЗ «Серп и молот» предложена и находится в стадии внедрения технология, повышающая качество холоднокатаной ленты из коррозионно-стойких сталей марок 08X17Т и 12Х18Н10Т, внесены изменения в действующую технологическую документацию.

Практическая значимость работы подтверждена Актом об использовании основных результатов диссертационной работы на ОАО ММЗ «Серп и молот».

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на VII Конгрессе сталеплавильщиков в г. Магнитогорск в октябре 2002 г.- VIII Конгрессе сталеплавильщиков в г. Нижний Тагил в октябре 2004 г.- 8 общезаводских Технических советах: ноябрь, 1999 г.- март, 2000 г.- сентябрь, 2000 г.- февраль, 2001 г.- июль, 2001 г.- август 2001 г.- январь, 2002 г.- декабрь 2004 г.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 статей.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов и списка использованных литературных источников из 109 наименований. Общий объём работы составляет 134 стр., в том числе 30 таблиц, 62 рисунков и 1 приложения.

Выводы.

1 Анализ мирового опыта производства коррозионно-стойкой стали с титаном, проведённый на основе опубликованных материалов, свидетельствует о том, что российский рынок коррозионно-стойкого листа и ленты будет кардинально меняться в ближайшие годы. В первую очередь речь идёт о «взрывном» росте потребления безникелевых сталей. Основная тенденция развития металлургии коррозионно-стойких сталей во всём мире — снижение содержания углерода менее 0,03%, которое не требует введения дорогостоящих стабилизаторов для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии. Тем не менее, для достижения многих других потребительских свойств полностью отказаться от использования титана или ниобия при легировании коррозионно-стойких сталей не представляется возможным.

2 Производство коррозионно-стойкой стали с титаном в условиях мини-агрегатов занимает определённую нишу в общероссийском металлургическом комплексе, так как реализует возможность выполнения малотоннажных заказов. На сегодняшний день доля ОАО ММЗ «Серп и молот» в общероссийском производстве коррозионно-стойкой стали составляет: листа — 10%- холоднокатаной ленты — 78%.

3 Производство коррозионно-стойкой стали с титаном за счёт присутствия в металле высокоактивных элементов (Л, А1) имеет ряд особенностей, усложняющих технологичность всего процесса. В условиях мини-агрегатов эти особенности, характерные для всех предприятий отрасли значительно обостряются: образование шлакометаллической корочки на мениске металла в кристаллизаторе в процессе непрерывной разливки стали не только затрудняет процесс непрерывной разливки, но и способствует увеличению потерь стали при подготовке литых слябов к горячей прокатке в результате образования дефектов по всему сечению непрерывнолитой заготовки, а не только её поверхностной зоны. Это также ухудшает качество горячекатаного листа и холоднокатаной ленты.

4 Проведённые исследования показали, что шлако-металлическая корочка, образующейся на мениске металла в кристаллизаторе при разливке коррозионно-стойких титаносодержащих сталей, представляет собой сложное образование, в котором металл перемешан со шпаком. Изучены состав и структура шлаковой фазы корочки. Определён блочный характер её структуры, состоящий из оксидов титана ТЮ2, наиболее распространённой полиморфной модификацией которого является рутил.

5 Рассмотрен механизм формирования грубой шлакометаллической корочки. Суть этого процесса состоит в тенденции к сливанию отдельных выделений. При этом появляются кусочки затвердевшего металла, перемешенного со шлаком, которые приобретают склонность к усиленному росту при наличии источника попадания кислорода в металл.

6 Первопричиной возникновения шлакометаллической корочки являются оксиды титана ТЮ2. Источником кислорода для окисления титана является не только кислород, растворённый в стали, кислород атмосферы (подсос воздуха при недостаточной защите в стыке соединения шиберного затвора сталеразливочного ковша и защитной погружной трубы, оголение зеркала металла при большой интенсивности продувки аргоном на этапе доводки температуры металла в сталеразливочном ковше до технологических значений для начала непрерывной разливки и т. д.), но и шамотная футеровка промежуточного ковша.

Кроме того, термодинамическими расчётами подтверждена возможность протекания реакции между нитридами титана и кремнезёмом с образованием оксида титана ТЮ2 и газообразного азота. Протекание этой реакции возможно как в промежуточном ковше, так и в кристаллизаторе. В обоих случаях последним местом скопления оксидов титана является мениск в кристаллизаторе и слой шлакообразующей смеси.

7 Изучено влияние технологических характеристик шлакообразующей смеси на возможность снижения её склонности к слипанию отдельных образований шлакометаллической корочки. Показано, что для титаносодержащих сталей необходима разработка такой шлакообразующей смеси, в составе которой отсутствовали бы элементы способные на активное взаимодействие с титаном, в частности необходимо снижение температуры плавления ШОС без изменения вязкостинеобходимо разработать и опробовать ШОС нового типа на основе системы Са0-А1203 без силикатов, вызывающих окисление титана и нитрида титана с образованием рутила как первопричины образования грубой корочкиповысить ассимилирующую способность ШОС к А1203- необходим переход на гранулированную шлакообразующую смесь вместо порошкообразной.

8 Предложен новый вариант защиты стыка соединения шиберного затвора сталеразливочного ковша и защитной погружной трубы, с помощью использования специального газораспределительного кольца, что позволило снизить прирост азота в процессе непрерывной разливки в 2,3 раза на марке 08−12X17 и в 3,1 раза при разливке коррозионно-стойких титаносодержащих сталей.

9 Предложена новая конструкция погружного стакана в кристаллизатор, для закручивания кверху поступающей из промежуточного ковищ струи металла. Это облегчает всплывание неметаллических включений, улучшает макроструктуру непрерывно-литой заготовки и условия работы шлакообразующей смеси, повышая температуру мениска направленными к нему более горячими струями металла из промежуточного ковша.

10 Проведено математическое моделирование потоков в промежуточном ковше при непрерывной разливке стали и предложена специальная оснастка промежуточного ковша (перегородка в промежуточном ковше и перфорация нижней части защитной трубы между сталеразливочным и промежуточным ковшами) для оптимизации потоков металла и рафинирования от неметаллических включений.

11 Оптимизированы технологические параметры подготовки металла к непрерывной разливки и легирования стали титаном, уровень металла в промежуточном ковше и температурно-скоростные параметры процесса непрерывной разливки, а также величина заглубления погружного стакана.

12 Предложено и успешно проведено торкретирование шамотной футеровки промежуточных ковшей периклазовой торкрет-массой при подготовке их к разливке коррозионно-стойкой стали с титаном. Это способствует заметному снижению загрязнённости стали неметаллическими включениями, в особенности силикатными.

В промышленных условиях ОАО ММЗ «Серп и молот» предложена и находится в стадии внедрения технология, повышающая качество холоднокатаной ленты из коррозионно-стойких сталей марок 08X17Т и 12Х18Н10Т, внесены изменения в действующую технологическую документацию.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 статьях:

1. Е. В. Сургаева, Г. Н. Еланский, М. П. Галкин. Влияние условий формирования заготовки в кристаллизаторе при непрерывной разливке на качество холоднокатаной ленты. Электрометаллургия, № 10, 2001, с. 31−37.

2. Е. В. Сургаева, Г. Н. Еланский, М. П. Галкин, Н. А. Ячменёва. Исследование шлакометаллической корочки, образующейся в кристаллизаторе при непрерывной разливке стали 08X17Т. Электрометаллургия, № 5, 2002, с.22−25.

3. Е. В. Сургаева, М. П. Галкин, Г. Н. Еланский. Работа шпакообразующей смеси в кристаллизаторе при разливке на УНРС коррозионностойких титаносодержащих сталей. Труды VII Конгресса сталеплавильщиков, г. Магнитогорск, октябрь, 2002 г.

4. Г. Н. Еланский, А. И. Косырев, Е. В. Сургаева, М. С. Грибкова. Формирование корочки при затвердевании непрерывнолитой заготовки квадратного сечения. Труды VII Конгресса сталеплавильщиков, г. Магнитогорск, октябрь, 2002 г.

5. М. П. Галкин, Е. В. Сургаева, Л. К. Глеков, Г. С. Никитин, А. Л. Игнатов, Р. Г. Левин. Программно-математический комплекс, предназначенный для оптимизации процесса непрерывноголитья загртовок из высоколегированных и специальных сталей. Труды VII Конгресса сталеплавильщиков, г. Магнитогорск, октябрь, 2002 г.

6. Р. Г. Левин, М. П. Галкин, О. И. Зубрев, Е. В. Сургаева, Л. К. Глеков. Математическое моделирование процесса кристаллизации непрерывнолитой заготовки. Металлург, № 4, 2003, с.42−44.

7. Р. Г. Левин, М. П. Галкин, О. И. Зубрев, Е. В. Сургаева Л. К. Глеков Экспериментальные и теоретические исследования теплового состояния непрерывнолитого слитка. Электрометаллургия, № 11, 2003, с.25−28.

8. СургаеваЕ. В., Галкин М. П., Егоров В. В., Сосен ко С. Ю., Брагин В. И., Короткое Б. А. Вращение металла с помощью погружных стаканов в кристаллизаторе сортовой УНРС. //Электрометаллургия. 2004. № 10. с. 17−20.

9. Сургаева Е. В., Галкин М. П., Брагин В. И., Егоров В. В., Сосенко С. Ю., Короткое Б. А. Совершенствование качества непрерывнолитой заготовки при вращении металла в кристаллизаторе при помощи погружных стаканов. Труды VIII Конгресса сталеплавильщиков, г. Нижний Тагил, октябрь, 2004 г.

10. Е. X. Шахпазов, В. Т. Бурцев, Е. В. Сургаева, М. П. Галкин, А. М. Арсенкин, К. В. Григорович, С. С. Шибаев. Исследования содержания газов и неметаллических включений в хромотитаносодержащих сталях после раскисления, разливки и прокатки металла. // Электрометаллургия. 2005. №.

11. Сургаева Е. В., Галкин М. П., Нехаев В. П. Совершенствование способа защиты металла от контакта с атмосферой на этапе перелива из сталеразливочного в промежуточный ковш в процессе непрерывной разливки в условиях ОАО ММЗ «Серп и молот». // Электрометаллургия. 2005. № 3.