Результат интеллектуальной деятельности: Шлакообразующая смесь для разливки сортовой заготовки из высокоуглеродистых марок стали

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам шлакообразующих смесей, используемых для защиты металла в кристаллизаторе при непрерывной разливке сортовой заготовки из высокоуглеродистых ([С]≥0,5%) марок сталей.

Известна шлакообразующая смесь для непрерывной разливки стали, преимущественно для начала разливки первой плавки, включающая углеродсодержащий материал, фторсодержащий материал, глыбу силикатную, концентрат датолитовый, материал на основе окислов кремния и цемент, в следующем соотношении компонентов, мас.%: углеродсодержащий материал 8-12, фторсодержащий материал 20-24, глыба силикатная 19-23, концентрат датолитовый 17-23, материал на основе окислов кремния 3-9, цемент - остальное (Патент РФ №2238820, МПК B22D 11/108, B22D 11/111, опубл. 27.10.2004 г.).

Недостатки данной шлакообразующей смеси - низкое содержание углеродсодержащего материала, силикатной глыбы и высокое содержание фторсодержащего материала не позволяют добиться требуемой скорости плавления смеси, способствуют повышению кристалличности шлакового расплава, не достигаются необходимые физико-химические свойства шлакового расплава (температура плавления, вязкость при 1300°С) при разливке сортовой заготовки.

Наиболее близкой к предложенной является шлакообразующая смесь на основе СаО-Аl₂О₃ для непрерывной разливки стали с концентрацией алюминия до 2 мас. %, содержащая углерод, фтор, окислы кальция, алюминия, кремния, натрия, лития, бора и марганца со следующим химическим составом элементов, мас. %: С 5-8, СаO 30-40, Al₂O₃ 10-18, SiO₂ 5-9, Na₂O 9-12, Li₂O 3-5, F 6-9, В₂O₃ 6-10, MnO 1-2, неизбежные примеси - остальное (Патент РФ №2613804, МПК B22D 11/108, B22D 11/111, опубл. 21.03.2017 г).

Недостатки данной шлакообразующей смеси: приводится суммарное содержание окислов щелочных металлов Na₂O+K₂O+Li₂O, оказывающих противоположное влияние на физико-химические характеристики шлакового расплава (вязкость, температуру плавления, поверхностное натяжение). Высокая суммарная концентрация фтора, оксида марганца, оксида лития приводят к избыточному снижению вязкости шлакового расплава с возможностью полной его инфильтрации в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностью заготовки. Содержание углерода общего недостаточно для достижения требуемой скорости плавления смеси. Смесь не позволяет получить качественную структуру сортовой заготовки.

Задача предлагаемого изобретения - улучшение макроструктуры стали, снижение брака сортовой заготовки из высокоуглеродистых марок стали, получаемой на сортовой МНЛЗ, по поверхностным дефектам за счет улучшения смазки кристаллизатора расплавленной шлакообразующей смесью, повышение ассимилирующей способности смеси по отношению к неметаллическим включениям.

Поставленная задача достигается тем, что шлакообразующая смесь для высокоскоростной разливки сортовой заготовки из высокоуглеродистых марок стали, получаемой на сортовой МНЛЗ, имеющая состав, мас. %:

при этом шлакообразующая смесь подвергнута грануляции, имеет химический состав, мас. %:

температуру плавления 1090±30°С, основность (CaO/SiO₂) - 0,68-0,88, обеспечивая вязкость шлакового расплава 0,251-0,420 Па×c при 1300°С.

Заявленное соотношение компонентов состава шлакообразующей смеси подобрано опытным путем, исходя из обеспечения заданных значений содержания химических элементов, основности, а также получения заданных теплофизических характеристик (температура плавления и вязкость шлакового расплава при 1300°С).

Массовая доля углерода определена таким образом, чтобы обеспечить оптимальную скорость плавления смеси и гарантировать наличие смазки между стенкой кристаллизатора и заготовкой. При снижении содержания углерода менее 18,0% повышается скорость плавления и увеличивается удельный расход смеси, а также ухудшаются рабочие характеристики смеси во время технологических операций по замене промежуточного ковша или погружного стакана в процессе разливки стали. При увеличении содержания углерода в шлакообразующей смеси более 24,0% при разливке стали со скоростью более 2,8 м/мин скорость плавления смеси снижается, уменьшается поступление смазки в зазор между стенкой кристаллизатора и заготовкой, тем самым ухудшаются рабочие характеристики шлакообразующей смеси.

Фтор является основной добавкой для улучшения плавкости основных компонентов: при его содержании менее 4,5% и более 8,5% вязкость шлакового расплава при температуре 1300°С не соответствует заданному значению.

Содержание Аl₂O₃, SiO₂ и СаО выбрано из расчета обеспечения оптимального соотношения температуры плавления смеси и ее основности. При основности менее 0,68 замедляется инфильтрация шлакового расплава в зазор между стенкой кристаллизатора и заготовкой, а при повышении более 0,88 повышается склонность шлакового расплава к кристалличности и ухудшаются его смазывающие свойства.

Щелочные оксиды и оксид бора в составе смеси способствуют снижению температур фазовых превращений. Оксид бора также снижает предрасположенность шлакового расплава к кристалличности.

При содержании щелочных оксидов менее 8,0% и оксида бора менее 0,5% температура плавления смеси составляет более 1120°С, что в процессе разливки стали приводит к образованию шлако-металлической корки у стенок кристаллизатора и отсутствию шлака в зазоре между стенкой кристаллизатора и заготовкой. При повышении содержания щелочных оксидов более 8,0% и оксида бора более 0,5% температура плавления смеси снижается до заданного уровня, обеспечивая в процессе разливки стали оптимальное количество шлака для смазки и отсутствие шлако-металлической корки у стенок кристаллизатора. При содержании щелочных оксидов выше 11% и оксида бора более 2,5% дальнейшее снижение температуры плавления прекращается.

Содержание оксида магния влияет на интервал температур фазовых превращений (от температуры деформации до температуры полного расплавления). В присутствии оксида магния в диапазоне от 0% до 2,0% интервал температур фазовых превращений сокращается с 70°С до 30°С, обеспечивая стабильную работу шлакообразующей смеси во время технологических операций по замене промежуточного ковша или погружного стакана в процессе разливки стали. При повышении содержания оксида магния более 2,0% наблюдается рост температуры плавления смеси, что в процессе разливки стали приводит к образованию шлако-металлической корки у стенок кристаллизатора и отсутствию шлака в зазоре между стенкой кристаллизатора и заготовкой.

Связующие и стабилизирующие добавки для гранулирования вводились уже в готовую порошкообразную шлакообразующую смесь. Их массовая доля определялась опытным путем для обеспечения оптимального гранулометрического состава, прочности гранул и их стойкости к истиранию.

Пример использования шлакообразующей смеси.

Заявляемая шлакообразующая смесь использовалась при разливке стали марки 85ВК на сортовой МНЛЗ с содержанием углерода 0,83% со скоростью разливки 2,9 м/мин.

Смесь готовилась путем смешения в смесительной установке в течение 45 минут со скоростью 18 об/мин углеродсодержащего материала (графита ГЛС-3), фторсодержащего материала, глыбы силикатной, шлака гранулированного доменного, колеманита и цемента (42,5Н). Далее изготавливалась водная суспензия, в которую вводились связующие и стабилизирующие добавки, после чего производилось ее распыление в высокотемпературной сушильной установке.

Были подготовлены различные составы ШОС, приведенные в таблице 1, которые затем подвергались грануляции. Составы по вариантам 1-3 соответствовали предлагаемому компонентному составу, а варианты 4-6 - не соответствовали. В таблице 2 приведены получаемые химические составы и характеристики гранулированных смесей, а также результаты использования ШОС по вариантам, приведенным в таблице 1.

Определение химического состава производилось рентгеноспектральным методом, содержание углерода определялось на автоматическом газоанализаторе, температуры фазовых превращений на высокотемпературном микроскопе, вязкости шлаковых расплавов определялись двумя методами: с использованием ротационного вискозиметра и установки определения методом наклонного желоба. В таблице 2 приведены результаты исследований.

При использовании вариантов 4-6 при высокоскоростной разливке сортовой заготовки из высокоуглеродистых марок стали работа смеси не обеспечивала удовлетворительных параметров разливки: во время технологических операций по замене промежуточного ковша или погружного стакана (вариант №4), при увеличении скорости разливки более 2,8 м/мин (вариант №5, №6).

Из представленных результатов видно, что при использовании в промышленных условиях шлакообразующих смесей по вариантам 1-3 зачистка поверхности непрерывнолитых сортовых заготовок осуществлялась меньшее количество раз, чем при использовании ШОС, параметры которых выходят за пределы заявляемых диапазонов (варианты 4-6). Это подтверждает улучшение макроструктуры стали, снижение брака заготовок по поверхностным дефектам за счет улучшения смазки кристаллизатора расплавленной шлакообразующей смесью, повышение ассимилирующей способности смеси по отношению к неметаллическим включениям.

Также была подготовлена ШОС согласно прототипа, при использовании которой зачистка поверхности непрерывнолитой сортовой заготовки находилась на уровне 5 баллов.

* - в числителе значения вязкости, определенные на ротационном вискозиметре, в знаменателе - на наклонном желобе.