Влияние бария и стронция на степень усвоения кальция при внепечной обработке стали комплексными модификаторами с щелочноземельными металлами

Введение

Постоянно ужесточающиеся требования к качест­ву металлопродукции заставляют металлургов искать новые технологические решения, позволяющие получать стабильно высокое качество металла. В част­ности, большое внимание уделяется методам внепечной обработки расплава и подбору состава рафинирующих и модифицирующих сплавов, позволяющим снизить количество неметаллических включений (НВ). Общие принципы снижения загрязненности НВ стали, раскисленной алюминием, известны [1 – 4]. Обработка стали кальцийсодержащими материалами является общепринятым приемом, позволяющим рафинировать металл от продуктов его раскисления алюминием [5 – 8]. При этом хорошие результаты стабильно достигаются и при использовании комплексных модификаторов с щелочноземельными металлами (ЩЗМ) как в России [9 – 12], так и за рубежом [13 – 14]. В последнее время большое внимание уделяется использованию, наряду с кальцием и барием, стронция в качестве компонента комплексного сплава с ЩЗМ. Перспективность применения этого элемента подтверждается как теоретическими исследованиями [15], так и результатами опытных и опытно-промышленных работ [16, 17].

Выполнение отдельных заказов трубных марок стали на АО «Уральская Сталь» предполагает соблюдение повышенных требований (ГОСТ 1778-70) по бальности НВ:

– по оксидам, сульфидам и силикатам хрупким (СХ) – не более 2,5 балла по среднему баллу и не более 3,0 балла по максимальному;

– по силикатам недеформирующимся (СН) – не более 3,0 по среднему баллу и 3,5 по максимальному.

Однако при обработке стали штатно применяемым силикокальцием СК40 достигаемые показатели качества стали по загрязненности различными видами НВ не всегда удовлетворяют целевым показателям. Так, по силикатам недеформирующимся загрязненность металла составляет в среднем 2,5 балла, достигая по максимальным значениям 4,5 баллов. Эти НВ представ­ляют собой алюминаты кальция сложного состава. Для уменьшения их размеров и количества были проведены промышленные испытания комплексных модификаторов (табл. 1), в ходе которых отработаны технологические параметры, обеспечивающие максимальную эффективность их применения.

Указанные модификаторы хорошо зарекомендовали себя при производстве коррозионностойких, высокоуглеродистых (колесная сталь) и конструкцион­ных сталей в условиях Таганрогского металлургического завода [18], завода «ОМЗ-Спецсталь», а также при проведении научно-исследовательской работы по разработке эффективной технологии производства листового проката с регламентированным уровнем коррозионно-активных НВ в электросталеплавильном цехе (ЭСПЦ) АО «Уральская Сталь» [19, 20].

Целью настоящей работы является разработка комплекса рекомендаций по технологии ковшевой обработки расплава, обеспечивающих снижение загрязненности силикатами недеформирующимися (по максимальному баллу) ниже 3,5 балла, получение целевых значений по содержанию остаточного кальция при сокращении суммарных издержек производства.

Методика исследования

Для решения поставленных задач проведена серия опытно-промышленных экспериментов по производству стали класса прочности К52-К60 с применением комплексных модификаторов с ЩЗМ в сравнении со штатно применяемым силикокальцием марки СК40. Химический состав модификаторов с ЩЗМ представлен в табл. 2. Состав опытных сплавов с ЩЗМ подбирался по результатам положительного опыта их применения для модифицирования стали в различных производственных условиях, в том числе, и в условиях ЭСПЦ АО «Уральс­кая Сталь» [20]. Расход модификаторов определяли на основе анализа результатов крупно-лабораторных и промышленных испытаний сплавов с ЩЗМ.

В соответствии с планом опытно-промышленного эксперимента каждым видом модификатора обработано более 20 плавок стали класса прочности К52 – К60. Выплавку и внепечную обработку сравнительных и опытных плавок проводили в соответствии с действующими технологическими инструкциями. Модифицирование стали осуществляли на установке вакуумирования стали (УВС) после финишного раскисления алюминием. Расход модификаторов на опытных плавках изменяли в диапазоне 80 – 100 % (от сравнительного варианта с СК40) по сумме ЩЗМ [20].

Отбор проб и оценку загрязненности стали НВ проводили по ГОСТ 1778-70 (метод Ш6). Микроспектральный анализ и оценку НВ в образцах листового проката из стали опытных и сравнительных плавок осуществляли с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6490LV в комплекте с системой энергодисперсион­ного микроанализа INCA Energy 250 при увеличении 200.

Результаты исследования и их обсуждение

Данные по основным параметрам модифицирования и маркировочному составу стали на сравнительных и опытных плавках по различным вариантам представлены в табл. 3.

Из данных табл. 3 следует, что расход модификатора INSTEEL^®1.5 по различным вариантам обеспечил введение ЩЗМ от 82 % (вариант 1) до 103 % (вариант 3) от базовой технологии с использованием СК40, а при использовании модификатора INSTEEL®9.4 количество поступающих с проволокой ЩЗМ изменялось по вариантам от 79 до 90 %. Таким образом, расход модификатора обеспечил введение кальция:

– для INSTEEL^®1.5 от 47,7 % (вариант 1) до 59,6 % (вариант 3) от базовой технологии;

– для INSTEEL^®9.4 от 36,4 % (вариант 1) до 41,7 % (вариант 3) от базовой технологии.

Результаты загрязненности НВ листового проката, полученного из слябовых заготовок от сравнительных и опытных плавок, проведенных по различным вариантам, представлены в табл. 4.

Анализ загрязненности металла по НВ (см. табл. 4) показал:

– замена силикокальция на опытные варианты модификаторов обеспечила снижение максимального балла по СХ с 4,0 до 1,5 – 2,5;

– максимальная загрязненность по СН снизилась с 4,0 балов по стандартной технологии до 3,5 баллов при использовании модификаторов INSTEEL^®9.4 по вариантам 1 и 2, и до 3,0 баллов при применении модификатора INSTEEL^®1.5 по вариантам 2 и 3, а также при максимальном расходе модификатора INSTEEL^®9.4 (вариант 3).

Таким образом, результаты опытных плавок и комплексные исследования металлопроката показали, что металл, полученный с использованием модификаторов серии INSTEEL^®, имеет меньшую загрязненность НВ по сравнению с прокатом, полученным по стандартной технологии с применением силикокальция СК40.

Итогом снижения загрязненности стали НВ при применении опытных модификаторов стало улучшение основных физических свойств металлопроката. Результаты механических испытаний образцов от сравнительных и опытных плавок представлены в табл. 5.

Из данных табл. 5 следует, что замена силикокальция на опытные модификаторы привела к улучшению прочностных свойств проката как при статических испытаниях на растяжение, так и при динамических испытаниях на ударный изгиб при пониженных темпе­ратурах. Указанное влияние наблюдалось при всех вариантах расходов опытных модификаторов. При этом с увеличением расхода модификаторов положительное влияние на механические свойства стали, как правило, усиливалось. Однако отмеченное улучшение свойств может быть связано не только с применением опытных материалов, но и с другими, одновременно действующими факторами, поэтому требует проверки на большем массиве плавок.

Кроме снижения загрязненности стали по НВ, важным параметром является содержание остаточного кальция после обработки модификатором. Именно это значение является критическим при экспресс-оценке эффективности того или иного состава модификатора в производственных условиях. Содержание остаточного кальция – важный фактор, обеспечивающий стабильные условия разливки (с минимальным зарастанием сталеразливочных стаканов), а также благо­приятную форму и расположение НВ в структуре заготовки, особенно с учетом возможного протекания процессов вторичного окисления и снижения растворимости кислорода.

В связи с этим важной задачей является выбор расхода комплексного модификатора, который позволяет качественно рафинировать металл от НВ, получить требуе­мое содержание остаточного кальция и при этом не повысить себестоимость обработки стали. Кроме того, дискус­сионным остается вопрос о том, являет­ся ли механизм воздействия кальция и других ЩЗМ в большей степени модифицирующим или раскисляющим.

В ходе опытно-промышленного эксперимента для оценки раскисляющего воздействия кальция в процессе модифицирующей обработки проводились замеры содержания активного кислорода до и после обработки металла силикокальцием с использованием оборудования Heraeus Electro-Nite. Результаты замеров показали, что при качественном раскислении расплава алюминием обработка силикокальцием незначительно снижает содержание активного кислорода (на 1 – 2 ppm). Это является косвенным подтверждением того, что кальций работает в большей степени как модификатор, чем как раскислитель.

В табл. 6 приведены усредненные значения по содержанию основных элементов в опытном и сравнительном металле.

Из табл. 6 видно, что химический состав стали сравнительных и опытных плавок по основным элементам сопоставим. Содержание кальция в маркировочной пробе соответствовало целевым значениям, принятым при производстве стали данного сортамента. При этом количество задаваемого кальция при использовании сравнительного и опытных модификаторов отличалось в разы (см. табл. 3). Разливка стали проводилась по стандартной технологии при регламентируемых температурно-скоростных параметрах. Нарушений при проведении разливки и прокатки стали сравнительных и опытных плавок выявлено не было. Случаев зарастания сталеразливочных стаканов не зафиксировано.

Известно, что на усвоение кальция существенное влияние оказывает состав шлака перед модифицированием. Средние величины основности и содержания FeO в шлаке перед вводом порошковой проволоки на сравнительных и опытных плавках были сопоставимы. При этом указанные параметры шлака изменялись в широком диапазоне, что позволило проанализировать их влияние на усвоение кальция (см. рисунок).

На сравнительных и опытных плавках с ростом основности шлака наблюдается устойчивая тенденция к повышению степени усвоения кальция (см. рисунок, а). Что касается влияния окисленности шлака (см. рисунок, б), традиционно характеризуемой содержанием в шлаке FeO, то в области нормальной окисленности шлака в пределах 0,5 – 0,6 % FeO влияние этого параметра на усвоение кальция статистически не заметно, что можно наблюдать на сравнительных плавках. На опытных плавках отмечались случаи с повышенным содержанием FeO сверх 0,6 %, что повлияло на снижение усвоения кальция (см. рисунок, б). Однако даже в таких неблагоприятных условиях усвоение кальция на опытных плавках превышало результаты сравнительных плавок. Таким образом, содержание FeO в шлаковом расплаве перед модифицированием не должно превышать 0,6 %. Достоверность полученных зависимостей, характеризуемая коэффициентами детерминации (R²), находится на достаточно низком уровне, что связано с небольшим объемом выборки и одновременным влиянием большого количества факторов. При этом в качественном отношении полученные зависимости подтверж­дают известные теоретичес­кие закономерности.

Следует отметить, что как средняя, так и максимальная температура в начале обработки на УВС при использовании комплексных сплавов была выше, чем при обработке силикокальцием СК40:СК40 – 1569 – 1633 °С (средняя – 1606,4 °С); INSTEEL^®1,5 – 1599 – 1648 °С (средняя – 1619 °С); INSTEEL^®9.4 – 1593 – 1650 °С (средняя – 1617,6 °С). Сравнительный анализ данных по плавкам с повышенной температурой показал, что на них наблюдается более высокий удельный расход аргона, что объясняется необходимостью корректировки температуры металла перед отдачей ковша на МНЛЗ. В итоге на плавках с повышенным перегревом необходимо проводить продувку металла после окончания модифицирования с повышенной интенсивностью и неизбежным оголением металла, что сопровождается дополнительным угаром кальция. В результате анализа данных по опытно-промышленной компании отмечена тенденция к снижению степени усвоения кальция при повышении расхода аргона на УВС с 0,08 до 0,1 м³/т и более. При этом продувка аргоном с нормальным расходом (до 0,08 м³/т) и интенсивностью, не приводящая к избыточному оголению металла и вторичному окислению, способствует выведению из металла НВ, что отражается, в частности, на снижении загрязненности проката силикатами недеформирующимися.

Таким образом, несмотря на существенно меньшее количество задаваемого в металл с опытными модификаторами кальция и неоптимальные параметры обработки на УВС, содержание остаточного кальция в металле удалось получить на уровне сравнительных плавок, повысить механические свойства проката, а загрязненность по НВ – снизить.

Выводы

Использование комплексных модификаторов с ЩЗМ позволяет решать задачи модифицирования при расходе, обеспечивающем введение в расплав суммы ЩЗМ 80 – 90 % от количества кальция, задаваемого по штатной технологии.

В ходе опытно-промышленных работ получено усвоение кальция из модификатора Si – Ca – Ba в 1,6, а модификатора Si – Ca – Ba – Sr – в 2,4 раза выше, чем при использовании традиционного силикокальция СК40.

Применение комплексных модификаторов позволило снизить загрязненность стали силикатами недеформирующимися (по максимальному баллу) ниже 3,5 балла в условиях ЭСПЦ АО «Уральская Сталь».

В результате применения комплексных сплавов с ЩЗМ отмечена тенденция к повышению механичес­ких свойств листового проката как при испытаниях на растяжение, так и при испытаниях на ударный изгиб при низких температурах.