Выплавка стали с заданными характеристиками неметаллических включений. Обзор

А.А. Алексеенко, Д.А. Пономаренко

Электрометаллургия, 2009 № 2

Полный текст

Аннотация

К некоторым группам сталей, например: колесно-бандажной, рельсовой, кордовой, для глубокой вытяжки, для газо- и нефтепроводов и др., предъявляются жесткие требования, касающиеся характеристик неметаллических включений (состав, размер, количество). Они обусловлены необходимостью обеспечения технологических свойств металла в процессе производства, а также служебных свойств готовых изделий. Обеспечение этих требований предполагает, во-первых, ограничение максимального размера включений (в зависимости от марки стали порог может составлять 15…100 мкм) и, во-вторых, обеспечение требуемых характеристик микровключений.
Крупные включения в готовом металле, как правило, по своему происхождению являются либо продуктами коагуляции мелких включений, либо продуктами вторичного окисления, либо экзогенными (крупные продукты раскисления эффективно удаляются в ходе внепечной обработки).
В статье приводится комплекс мер, направленных на уменьшение загрязненности непрерывнолитой заготовки (сляба) крупными включениями.
Микровключения имеют иное происхождение, они образуются в жидком металле в ходе внепечной обработки и разливки, или в твердожидкой области при кристаллизации.
Для получения стали с заданными характеристиками неметаллических включений в первую очередь необходимо обеспечить контроль процессов образования и трансформации включений при внепечной обработке. Управление характеристиками включений в этот период важно для получения «чистой» стали, не содержащей вредных неметаллических включений перед отправкой ковша с металлом на разливку. Кроме этого, для сталей не раскисленных алюминием (кордовых, рельсовых, колесно-бандажных и т.д.) важно, чтобы химический состав разливаемого металла обеспечил минимальное количество вторичных и третичных включений, при оптимальном их составе и дисперсности.
Мелкие включения удаляются из металла значительно хуже, чем крупные, поэтому для получения «чистой» стали большое значение имеет минимизация образования микровключений в ходе внепечной обработки и, особенно, при раскислении. В статье подробно рассмотрены варианты решения этой задачи.
Другая актуальная проблема – управление составом включений в качественных сталях, не раскисленных алюминием. Характерной особенностью химического взаимодействия между оксидными включениями и жидкой сталью не раскисленной алюминием является значительное изменение состава включений при небольших вариациях в металле концентраций элементов с высоким сродством к кислороду/ активности кислорода. Влияние изменения химического состава, температуры стали, а также давления при внепечной обработке и разливке на состав и количество образующихся в ней неметаллических включений носит комплексный, достаточно сложный характер. Учесть наиболее важные взаимосвязи в системе жидкий металл – оксидные включения и влияние основных факторов на происходящие превращения позволяет компьютерное термодинамическое моделирование. Одна из разработанных для этой цели термодинамических моделей описана web-сайте http://www.steelmaker.ru, там же представлена демоверсия соответствующей компьютерной программы «Неметаллические включения».
Эта программа была использована для расчетов трансформации неметаллических включений при внепечной обработке в ряде работ, выполненных на ОАО «ЧерМК», ОАО «ЗСМК», ОАО «Амурметалл». Результаты термодинамического моделирования в сочетании с исследованием образцов методами электронной микроскопии позволили авторам значительно повысить эффективность анализа причин образования тех или иных типов включений в различных сталях и, на основании этого, скорректировать технологии внепечной обработки и разливки.
Еще большие преимущества дает использование настоящей программы совместно с автоматизированной системой управления ГИББС®. В этом случае можно говорить о реальном управлении характеристиками неметаллических включений непосредственно при выплавке и разливке стали.
АСУ ТП ГИББС® основана на использовании моделей обработки жидкого металла (разрабатываемых для конкретных агрегатов и марок стали) и пакета прикладных программ, который включает: строгий термодинамический расчет, материальный баланс, энергетический баланс, учет особенностей агрегатов.
Основой моделей пакета ГИББС® является строгий термодинамический расчет (с учетом кинетики реальных процессов) системы «металл-шлак-газ», в которой происходят массообменные реакции, составляющие суть практически всех сталеплавильных процессов.
После настройки на индивидуальный агрегат пакет ГИББС® с высокой точностью описывает весь комплекс происходящих в нем тепло- и массообменных процессов, что позволяет имитировать ход технологического процесса и прогнозировать изменение всех основных параметров плавки от ее начала до завершения – температуру, химический состав металла, шлака и отходящих газов.
Эксплуатация АСУ ТП внепечной обработки ГИББС® на РУП «БМЗ» продемонстрировала высокую точность прогноза содержания основных элементов и температуры, достаточную для обеспечения надежной работы в режиме автоматического управления процессом. Внедрение системы позволило стабилизировать технологический процесс и улучшить контроль его выполнения.
Точное проектирование траектории изменения химического состава и температуры стали в ходе внепечной обработки и разливки, а также возможность надежно реализовывать разработанную технологию на практике с помощью АСУ ТП ГИББС® открывает путь к эффективному управлению характеристиками неметаллических включений при внепечной обработке и разливке сталей с дополнительными требованиями к неметаллическим включениям.
В основе расчета текущего состава и количества неметаллических включений в жидкой стали в режиме ‘on-line’ лежит моделирование изменения системы «металл – шлак – газ – неметаллические включения», выполняемое для индивидуального стальковша, начиная с выпуска в него металла из печи и последующего прохождения через все агрегаты внепечной обработки.
При этом управляющая система учитывает количество не только образующихся, но и удаляющихся из жидкого металла включений.
Имеющаяся база знаний и компьютерные модели металлургических процессов позволяют значительно повысить эффективность как разработки технологий, так и надежность их исполнения, контролируя в ходе внепечной обработки и разливки характеристики неметаллических включений.

Ссылки:

1. Ogibayashi S. Advances in technology of oxide metallurgy/ Nippon steel technical report. No 61. 1994. pp. 70-76.
2. Scamarda S., Maccio G. Effect of calcium in Al-Si killed ‘clean’ steel. Lucchini. C.R.S. 2002. pp. 1-10.
3. Formation mechanism of Ca-Si-Al-Mg-Ti-O inclusions in type 304 stainless steel. Jong wan Kim, Sun koo Kim, Dong sik Kim, et. al./ ISIJ Int. Vol. 36. 1996. Suppl. pp. S140-S143.
4. Поволоцкий Д.Я. Раскисление стали. М.: Металлургия. 1972. – 208 с.
5. E. Steinmetz, H-U. Lindenberg, W. Mörsdorf and P. Hammerschmid/ Stahl u. Eisen., 97 (1977) 23, 1154-1159.
6. Secondary Steelmaking Simulation User Manual/ http://www.steeluniversity.org/. The University of Liverpool. 2004.
7. Model of Inclusion Removal during RH Degassing of Steel. Y. Miki, B.G. Thomas, A. Denissov, Y. Shimada / Iron and Steelmaker, Vol. 24, No 8. 1997, pp. 31-38.
8. Inclusion investigation during clean steel production at Baosteel. L. Zhang, B.G. Thomas, K. Cai, et. al. Tech 2003 (Conf. Proc.), Indianapolis, IN, USA, April.27-30, 2003, ISS-AIME, Warrendale, PA, 2003, pp. 141-156.
9. Влияние некоторых технологических факторов на разливаемость раскисленной алюминием стали на сортовой МНЛЗ. А.А. Алексеенко, Е.В. Байбекова, С.Н. Кузнецов и др./ Электрометаллургия. 2007. № 2. с. 2 – 7.
10. Влияние титана на краевую точечную неоднородность сортовой заготовки малоуглеродистой стали. А.А. Алексеенко, С.Н. Кузнецов, А.Г. Пономаренко и др./ Электрометаллургия. 2007. № 11. с. 30 – 35.
11. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1967, 492 с.
12. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1987, 272 с.
13. Михайлов Г.Г., Поволоцкий Д.Я. Термодинамика раскисления стали. – М.: Металлургия, 1993. – 144 с.
14. Михайлов Г.Г., Чернова Л.А. Термодинамический анализ раскисления коррозионностойкой стали Х18Н10Т кальцием и барием/ Известия вузов. Черная металлургия. 1991, № 12. с. 37 – 39.
15. Михайлов Г.Г. Влияние магния на фазовые превращения в жидкой стали/ Электрометаллургия. 2004, № 5. с. 11 – 18.
16. Исследование проблемы затягивания стаканов при разливке на сортовой МНЛЗ малоуглеродистой низкокремнистой стали, раскисленной алюминием. А.А. Алексеенко, Е.В. Байбекова, С.Н. Кузнецов и др./ Электрометаллургия. 2007. № 3. с. 2 – 6.
17. О механизме влияния серы на разливаемость раскисленной алюминием стали. А.А. Алексеенко, В.П. Комшуков, Ю.А. Селезнев, Н.Г. Матвеев/ Тезисы докладов конференци «Современные технологии и оборудование для