Практика раскисления полуспокойной стали

Ранее установлено, что получение нормального слитка полуспокойной стали может быть обеспечено необходимой степенью ее раскисленности, допустимые пределы колебаний которой тем меньше, чем ниже скорость разливки.

Определение количества раскислителей, требуемого для получения оптимальной степени раскисленности полуспокойной стали, затруднительно, поскольку окисленность металла и шлака перед выпуском значительно изменяется от плавки к плавке. В связи с этим большое значение придается стандартизации процесса плавки. С этой целью создавались таблицы и номограммы для расчета шихты, а также определения величины присадки окислителей и флюсов после расплавления металла. Поскольку полная стандартизация процесса планки и ее выпуска, также существенно влияющего на окисленность металла, на практике трудно осуществима, то была широко опробована технология раскисления полуспокойной стали, при которой оно частично производится до разливки (в печи, в ковше) и частично — во время разливки (в изложнице).

Технология, при которой полуспокойная сталь до поступления в изложницы раскисляется заведомо недостаточно с целью корректировки ее раскисленности во время разливки сверху, получила распространение за рубежом, особенно в США. При такой технологии исключается перераскисление металла и связанные с ним увеличение головной обрези и появление расслоя в готовой продукции, однако возрастает возможность ухудшения поверхности раскатов в результате вскрытия подкорковых пузырей, количество и длина которых могут увеличиться. Такая технология требует хороших способов зачистки металла, а для ее применения на зарубежных заводах, где обжимные станы, как правило, оборудованы машинами огневой зачистки в потоке, имеются благоприятные условия.

Критерием для определения количества раскислителя (обычно алюминия), вводимого для корректировки степени раскисленности стали во время разливки, при такой технологии служит поведение его в процессе и после наполнения первой изложницы (при разливке сверху) или первого куста изложниц (при разливке сифоном).

Опыты по систематическому дораскислению полуспокойной стали с недостаточной раскисленностью при разливке сифоном проведены на заводах Коммунарском и «Азовсталь».

Корректировку недораскисленного металла при сифонной разливке в крупные слитки (на четырехместных поддонах) производили путем добавки алюминия в центровую по ходу наполнения изложниц.

Исследования показали, что применение указанной технологии способствовало стабилизации раскисленности стали Ст.3пс от плавки к плавке.

Поэтому корректировка степени раскисленности полуспокойных сталей во время разливки привела к улучшению качества поверхности слябов и некоторому снижению расходного коэффициента металла при прокатке слитков.

Ниже приведены результаты определения дефектов слябов стали, разливаемой с корректировкой степени раскисленности в изложнице (I) и без корректировки (II):

Уменьшение пораженности слябов дефектами происходило как за счет рванин от продольных и поперечных трещин, так и от вскрывшихся пузырей, что являлось прежде всего результатом уменьшения количества перераскисленных и недораскисленных плавок. Средняя продолжительность зачистки одной плавки с корректировкой степени раскисленности составила 7,8 чел-ч., а без корректировки — 9,8 чел-ч.; брак на первом переделе составил соответственно 0,44 и 0,77%.

На заводе «Азовсталь» сталь Ст.3пс раскисляли в ковше в недостаточной степени (1,3—1,5 кг/т 45%-ного ферросилиция вместо 1,5—1,8 кг/т но установленной технологии) и затем по ходу разливки присаживали алюминиевую дробь (20—60 г/т) в центровую. Ввод дроби начинали сразу после открытия стопора и прекращали за 50—100 мм до уровня наполнения изложниц металлом. Вследствие неравномерного распределения алюминия по изложницам на восьмиместных поддонах для всех опытных плавок имелись нерераскисленные слитки. Как правило, это были слитки, расположенные у центровой; при этом удаленные от центровой слитки оказывались иногда недораскнсленными. Такой способ производства полуспокойной стали не может быть рекомендован в условиях сифонной разливки, во всяком случае — при использовании многоместных поддонов (6—8 изложниц).

Исходя из этого, определялась тенденция к более полному раскислению полуспокойной стали до разливки, чтобы присадки в изложницы были только корректирующими (минимальными) или даже не производились вообще.

Производство полуспокойной стали без корректировки раскисленности во время разливки получило распространение на предприятиях черной металлургии России, где освоение технологии производства полуспокойных сталей началось на заводах, разливающих сталь сифонным способом, т. е. в условиях, когда корректировка раскисленности во время разливки затруднительна (разливка обычно производится на шести- и даже восьмиместных поддонах), а увеличение трудоемкости зачистки вследствие разливки недораскисленной стали неприемлемо из-за ограниченности площадей адъюстажа и отсутствия машин для огневой зачистки в потоке.

Развитию такой технологии производства благоприятствовало вначале то, что освоение полуспокойных сталей на отечественных предприятиях началось со среднеуглеродистых сталей (Ст.5пс, Ст.6пс), для которых колебания окисленности металла и шлака при изменении содержания углерода в заданных пределах незначительны, что облегчало задачу получения необходимой степени раскисленности в ковше.

При производстве низкоуглеродистых полуспокойных сталей затруднения, связанные с образованием подкорковых пузырей, возрастают, особенно при медленной сифонной разливке. В связи с этим на некоторых металлургических заводах России, производящих низкоуглеродистые стали, в частности, для тонкого листа, получила распространение технология производства полуспокойной стали с раскислением через центровую в конце наполнения изложниц кипящим металлом. В полученных таким образом слитках имеется «зона кипения» (как для кипящей стали) и внутренняя зона, характерная для полуспокойного металла. Возможность получения при такой технологии раскисления беспузыристой корки достаточной толщины обеспечивает хорошее качество поверхности раската слитка. Производство этой стали, получившей название «полуспокойной с кипящей корочкой», вполне оправдало себя взамен кипящего металла. Однако по механическим свойствам такая сталь существенно уступает полуспокойной с раскислением в ковше и поэтому не может быть рекомендована для замены спокойной стали в толстом прокате, несмотря на удобство применения этой технологии в условиях сифонной разливки.

Исследования и многолетний опыт работы Кузнецкого металлургического комбината (KMK) показали эффективность и целесообразность систематического дораскисления полуспокойной стали пониженной раскисленности в условиях разливки сверху.

До 1968 г. на KMK полуспокойную сталь раскисляли полностью в ковше 45%-ным ферросилицием (1 кг/т для сталей Ст.3пс—Ст.6пс и 1,5 кг/т — для стали 08пс) и алюминием (0,15 кг/т для сталей 08пс, Ст.3пс и Ст.4пс и 0,05 кг/т — для Ст.6пс и Ст.6пс). Алюминиевую дробь по ходу разливки присаживали эпизодически в случае прорыва корки и длительного искрения.

С 1968 г. на KMK уменьшили расход алюминия в ковш до 0,12 кг/т для сталей 08пс, Ст.3пс и Ст.4пс и полностью его исключили для сталей Ст. 5пс и Ст.6пс. В условиях относительно низкой скорости разливки сверху (для сталей 08пс, Ст.3—5пс и Ст.6пс в среднем соответственно 0,6; 0,7 и 1,2 м/мин) такая сталь была сильно педораскисленной и характеризовалась слабым кипением во время наполнения изложницы и в течение 4—5 мин после закрытия стопора с последующими прорывами корки в течение 10—15 мин. Присадка алюминия в количестве 10—15 г/т в конце (за 3—5 с до закрытия стопора) наполнения изложницы способствует нормальному застыванию слитка.

Применение такой технологии раскисления полуспокойной стали привело к значительному уменьшению длины сотовых пузырей в самой верхней части (с 30—50 до 4—5 мм) и увеличению толщины здоровой корочки (с 1—2 до 12—15 мм). Это позволило значительно (с 5 до 2%) снизить минимальные нормы головной обрези раскатов слитков и, следовательно, расходные коэффициенты полуспокойной стали на обжимном стане (с 1,145 до 1,078—1,085 т/т). Благодаря этому в 1970 г. на KMK достигнут максимальный для предприятий отрасли выход годных заготовок (93%) и слябов (90,3%) из слитка полуспокойной стали. При этом количество брака полуспокойной стали на первом переделе не увеличилось.

Для обеспечения необходимой раскисленности стали наряду со стремлением к стандартизации процессов все в большей мере определилась необходимость в прямом или косвенном определении ее окисленности на выпуске или разливке. В ряде работ приводятся данные о содержании кислорода в нормально раскисленной полуспокойной стали. По данным большинства исследователей, содержание кислорода в нормально раскисленной полуспокойной стали ниже равновесной с углеродом при температуре начала затвердевания. М. Тенненбаум установил, что содержание кислорода в отобранной из изложницы пробе полуспокойной стали с содержанием 0,16—0,20% С должно быть немного ниже 0,015%, что, по его мнению, близко к равновесному с углеродом в начале затвердевания металла.

Близкие данные (0,014—0,017% О) для нормально раскисленной полуспокойной стали с содержанием 0,11 — 0,19% С приводит Т. Като.

Авторы считают, что в полуспокойной стали с 0,20% С количество кислорода, необходимое для образования окиси углерода, уже имеется к началу затвердевания слитка, а в стали с 0,07% С оно ниже равновесного с углеродом и образование окиси углерода начинается только после обогащения расплава кислородом и углеродом в процессе кристаллизации металла.

По данным, содержание кислорода в полуспокойной стали с 1% Mn, определенное в пробах, отобранных в струе металла из ковша, выше равновесного с углеродом при 1530° С.

Данные, приведенные в указанных работах, не дают согласующихся значений содержания кислорода в полуспокойной стали в зависимости от ее состава, в частности, от содержания углерода в металле.

Расхождения в значениях содержания кислорода в рассматриваемых работах могут быть вызваны различными условиями производства полуспокойных сталей, а также разными методами отбора пробы и ее анализа.

Хотя работы по созданию приборов непосредственного определения содержания кислорода в металле перед выпуском (раскислением) ведутся (в частности, В.И. Японским с сотрудниками), эти способы еще не получили достаточно широкого применения в практике производства стали. В связи с этим принято пользоваться косвенными оценками окисленности металла, прежде всего по содержанию углерода и устанавливать необходимое количество раскислителей без непосредственного определения окисленности металла перед выпуском. На ряде заводов, кроме содержания углерода, учитывался ряд дополнительных факторов: содержание закиси железа в конечном шлаке и размеры изложниц, содержание закиси железа в шлаке, расход ферромарганца и температура металла на выпуске, содержание марганца в стали и очередность наполнения ковшей. В ряде работ отмечалось, что при повышении содержания углерода количество раскислителей для полуспокойной стали уменьшается.

Исследованиями установлено, что для получения одинаковой структуры слитка содержание кремния в стали с более высоким содержанием углерода должно быть выше. Однако количественной зависимости содержания элементов-раскислителей и их угара от содержания углерода в полуспокойной стали в указанных работах не приводится.

Некоторые авторы отмечают, что на газообразование при затвердевании слитка полуспокойной стали в значительной мере могут влиять содержания водорода и азота в металле. Об этом свидетельствуют результаты экспериментов, показавших, что в газах, выделяющихся при кристаллизации полуспокойной стали в изложнице (в начале образования пузырей), содержится значительное (до 70%) количество азота и водорода. Однако конкретных рекомендаций по учету влияния содержания указанных элементов при раскислении металла авторы не дают.

Для раскисления полуспокойной стали используется ферромарганец, ферросилиций, силикомарганец, алюминий, а в отдельных случаях — ферротитан, карбид кремния и т. д. Для фиксирования состава металла перед выпуском на некоторых заводах применяется предварительное раскисление ферромарганцем, бедным ферросилицием, шпигелем. Однако при этом повышается угар раскислителей и удлиняется плавка. Почти все заводы, производящие полуспокойную сталь в мартеновских печах и конвертерах, раскисляли ее в ковше кремнийсодержащими материалами, на ряде заводов сталь дополнительно раскисляли алюминием или только алюминием.

Способы оценки степени раскисленности при определении необходимого количества раскислителей основывались на визуальной оценке ее поведения во время разливки, при этом основным критерием считалась форма поверхности головной части слитка. На практике стремились получить слиток со слегка выпуклой головой, без прорывов корки и наплывов металла. Интенсивное искрение металла, прорывы корки с образованием наплывов и тем более рослости свидетельствовали о недостаточной раскисленности металла; вогнутая поверхность характеризовала перераскисленный металл. В дальнейшем критерий визуальной оценки нормальной раскисленности полуспокойной стали на разливке был дополнен нормой продолжительности искрения металла после закрытия стопора (10—40 с).