Обоснование и разработка эффективных режимов продувки рельсовой стали инертным газом в процессе внепечной обработки

Введение

На сегодняшний день продувка стали инертным газом в процессе ее внепечной обработки является одним из наиболее эффективных методов повышения чистоты стали по вредным примесям и неметаллическим включениям, одновременно обеспечивающим усреднение металла по химическому составу и температуре перед его дальнейшей разливкой. При этом мнения исследователей по параметрам оптимальных режимов продувки инертным газом в ковше существенно разнятся. В ряде работ [1 – 3] обосновывается эффективность применения импульсных режимов продувки стали инертным газом через днище ковша, другие исследователи [4] утверждают, что наиболее эффективное перемешивание расплава имеет место при реализации одновременной продувки инертным газом сверху и через пористые пробки в днище сталеразливочного ковша. Ряд авторов предпринял попытки получения общих закономерностей влияния параметров продувки расплава инертным газом на эффективность перемешивания металла и удаления неметаллических включений [5; 6]. Необходимо отметить, что современные исследования гидродинамических процессов в сталеразливочных ковшах при продувке расплава инертным газом проводятся с широким использованием методик математического [5; 7; 8] и физического [1; 9; 10] моделирования, либо при комбинировании указанных методов исследований [11].

Задача повышения степени рафинирования стали от неметаллических включений является наиболее актуальной при получении качественных сталей специального назначения, к которым относится и рельсовая сталь. Как известно, загрязненность неметаллическими включениями оказывает выраженное негативное влияние на механические и эксплуатационные свойства рельсов [12 – 14], поэтому проблематике формирования и удаления неметаллических включений из рельсовой стали посвящено значительное количество исследований [15 – 17].

Настоящая работа посвящена обоснованию и разработке режима продувки рельсовой стали инертным газом при обработке на агрегате «ковш-печь», обеспечивающего повышение степени ее рафинирования от неметаллических включений.

Методика и исходные условия проведения исследований

Исследования проводили применительно к условиям действующего электросталеплавильного цеха, основным сортаментом которого является рельсовая сталь марки 76ХФ. Технология производства рельсовой стали в рассматриваемом цехе включает в себя выплавку полупродукта в дуговой электропечи емкостью 100 т, последующую внепечную обработку металла на агрегате «ковш-печь» (АКП) и затем на вакууматоре, разливку на блюмовой МНЛЗ. При обработке на АКП проводится продувка аргоном через две донные пористые пробки; также имеется погружная фурма, которая используется только при возникновении аварийных ситуаций. Полученные непрерывно литые заготовки поступают на рельсобалочный стан, где производят дифференцированно термообработанные рельсы длиной до 100 м. Наличие в составе указанного стана установки для ультразвукового контроля качества рельсов в потоке производства позволяет получать достоверную информацию о загрязненности рельсов неметаллическими включениями; рельсы со скоплениями неметаллических включений и наличием дефектов, обусловленных указанными скоплениями, отбраковываются.

На первом этапе проведено математическое моделирование эффективности перемешивания металла в сталеразливочном ковше при варьировании интенсивности донной продувки. В качестве параметров оптимизации использовали мощность перемешивания и эффективный коэффициент диффузии:

\[\begin{array}{c}{N_{\rm{п}}} = \sum\limits_{m = 2}^m {{J_i}{L_i}} ,\\{D_{\rm{\varepsilon }}} = \frac{{{{\rm{\rho }}_{\rm{м}}}g{V_{\rm{г}}}{h_{\rm{в}}}\frac{{\sqrt S }}{m}}}{{{w_{{\rm{вспл}}}}Q}},\end{array}\]

где N_п – мощность перемешивания; D_ε – эффективный коэффициент диффузии; J_i – секундный импульс газовых струй, действующих на расплав; l_i – «масштаб движения» (или характерный размер), равный 1/3 размера всплывающих пузырей; ρ_м – плотность металла; g – ускорение свободного падения; V_г – объемный расход инертного газа; h_в – высота металла в ковше; S – площадь поверхности ванны в спокойном состоянии; m – количество донных пористых пробок; w_вспл – скорость всплывания газовых пузырей; Q – масса металла в ковше.

Для разработки методики математического моделирования процесса продувки расплава инертным газом в ковше использовали подходы и результаты исследований, ранее проведенных с участием авторов работы [18].

При проведении моделирования удельную суммарную интенсивность продувки через две пробки варьировали в диапазоне от 2 до 85 м³/ч, что превышает фактический интервал изменения данного параметра.

На втором этапе с использованием массива данных плавок текущего производства стали 76ХФ проведен статистический анализ влияния продолжительности периодов с различной интенсивностью подачи инертного газа при продувке металла в ковше на отбраковку рельсов по неметаллическим включениям. Возможность и целесообразность проведения указанного анализа обусловлена тем, что при обработке на АКП имеет место разнонаправленное изменение расхода инертного газа по ходу донной продувки для каждого отдельного ковша, что создает возможность определения суммарной длительности периодов с определенным расходом газа.

На основании полученных результатов моделирования и статистического анализа разработан новый режим донной продувки рельсовой стали инертным газом и проведено его опытно-промышленное опробование. В ходе указанных натурных экспериментов фиксировался уровень отбраковки по неметаллическим включениям рельсов, произведенных из опытных плавок, а также дополнительно проводились металлографические исследования загрязненности рельсов неметаллическими включениями. Для металлографических исследований использовали оптический микроскоп OLYMPUS GX-51 и растровый электронный микроскоп «Philips SEM 515».

Результаты исследований и их обсуждение

Полученные результаты моделирования эффективности перемешивания металла в сталеразливочном ковше при его донной продувке инертным газом свидетельствуют о повышении мощности перемешивания по линейному закону при росте интенсивности подачи газа (рис. 1). При этом мощность перемешивания закономерно увеличивается при переходе от пузырькового к струйному режиму истечения газовых струй.

Полученные зависимости эффективного коэффициента диффузии от интенсивности продувки являются нелинейными (рис. 2). Определено, что вне зависимости от направления переноса наблюдается увеличение значений данного параметра с ростом интенсивности продувки инертным газом. При этом для аналогичных значений интенсивности продувки наибольшие значения эффективного коэффициента диффузии имеют место при вертикальном переносе, а наименьшие – при радиальном переносе.

В целом полученные результаты моделирования свидетельствуют о значимом влиянии увеличения интенсивности вдувания инертного газа через донные фурмы в рассматриваемом диапазоне ее изменения на повышение эффективности перемешивания стали в ковше.

Статистическим анализом массива из 115 плавок стали 76ХФ текущего производства установлено, что увеличение длительности продувки с удельным расходом аргона более 1,1 м³/мин суммарно через две фурмы (более 66 м³/ч через две фурмы) приводит к значимому снижению отбраковки рельсов по неметаллическим включениям. При этом изменение длительности периодов с менее интенсивной продувкой не оказывает значимого влияния на загрязненность рельсов неметаллическими включениями.

На основании полученных данных разработан новый оптимизированный режим продувки аргоном при обработке на АКП с выделенным периодом интенсивной продувки длительностью не менее 10 мин при общей продолжительности продувки порядка 50 – 55 мин. В указанный период интенсивность продувки принята в диапазоне 70 – 80 м³/ч (35 – 40 м³/ч через каждую фурму) и ограничена только техническими возможностями продувочных устройств. Ограничение по длительности периода интенсивной продувки обусловлено необходимостью снижения интенсивности подачи газа во время электродугового подогрева металла, при отборе проб и в иные периоды, когда это обусловлено технологической необходимостью.

Необходимо отметить, что ранее с участием авторов разработан и использовался в условиях рассматриваемого цеха режим с увеличенной длительностью продувки инертным газом, реализуемый за счет организации последовательной обработки на двух агрегатах «ковш-печь» [19]. Однако существенным недостатком указанного режима являлось значительное увеличение удельного расхода энерго- и материальных ресурсов при его использовании, что в конечном итоге нивелировало положительный эффект от достигаемого снижения загрязненности рельсовой стали неметаллическими включениями и, соответственно, снижения отбраковки рельсов. Имеющийся опыт разработки и применения указанного режима продувки явился дополнительным обоснованием выбора увеличения интенсивности вдувания газа в качестве направления совершенствования режима продувки стали в ковше.

Опытно-промышленное опробование нового режима продувки рельсовой стали инертным газом при обработке на АКП с выделенным периодом интенсивной продувки проводили на 152 плавках стали 76ХФ. В качестве базы сравнения использовали 563 плавки этой же стали текущего производства, обработанных на АКП с использованием стандартного режима продувки. Полученные результаты свидетельствуют о значимо пониженной отбраковке рельсов, произведенных из опытных плавок; средняя отбраковка рельсов на данных плавках составила 2,40 % при среднем уровне отбраковки на плавках сравнения 2,71 %.

Дополнительно проведенными металлографическими исследованиями установлено, что при общем незначительном уровне загрязненности рельсов неметаллическими включениями (оксидные и силикатные включения, соответствующие баллам 1, а и 2, а по ГОСТ 1778 – 2022) на отдельных плавках имеют место скопления неметаллических включений указанных типов. Скопления неметаллических включений приводят к формированию внутренних расслоений (трещин) в рельсах (рис. 3), что является причиной их отбраковки. Исследованиями состава указанных включений, проведенных методом электронной микроскопии, показано, что такие неметаллические включения преимущественно представляют собой оксиды и силикаты алюминия (рис. 4, а, б), а также оксиды кремния (рис. 4, в) и сульфиды марганца (рис. 4, г), что совпадает с результатами ранее проведенных исследований характерных дефектов рельсов производства рассматриваемого рельсобалочного стана [20].

Обобщение полученных результатов опытно-промышленного опробования нового режима продувки рельсовой стали инертным газом свидетельствует о снижении вероятности образования скоплений неметаллических включений при его использовании, что обуславливает уменьшение отбраковки рельсов.

Выводы

На основании результатов математического моделирования и статистических исследований разработан новый режим донной продувки рельсовой стали аргоном при обработке на агрегате «ковш-печь», отличительной особенностью которого является наличие выделенного периода интенсивного вдувания газа. Натурные эксперименты по опытно-промышленному опробованию нового режима, проведенные в условиях действующего электросталеплавильного цеха, подтвердили его эффективность с точки зрения повышения эффективности рафинирования стали от неметаллических включений. На выборке из 115 плавок рельсовой стали 76ХФ, обработанных с использованием нового режима продувки аргоном в ковше, зафиксировано снижение отбраковки рельсов по неметаллическим включениям при сплошном ультразвуковом контроле их качества на 0,31 абс. %.