Введение

Свойства металлопроката во многом зависят от чистоты стали по содержанию таких примесных элементов, как сера, фосфор, азот, водород и других, а также от образующихся в процессе производственного цикла выплавки стали неметаллических включений (НВ). Их химический состав, количество, характер распределения и морфология оказывают ключевое влияние на качество и свойства стали.

В настоящее время финальное раскисление большинства марок сталей осуществляют алюминием, который является хорошим технологическим раскислителем. Однако продукт раскисления глинозем (Al2O3 ) может образовывать включения неправильной формы, которые образуют кластеры [1]. Такие скопления могут являться причиной образования поверхностных дефектов в прокате [2] и затягивания сталеразливочной фурнитуры [3 – 5].

Эффективным способом, позволяющим нивелировать данные негативные эффекты, является модифицирование химического состава НВ. Одним из наиболее распространенных элементов, являющимся наполнителем проволоки и весьма активно применяемым для модифицирования, является кальций [6 – 9]. Использование кальция при получении стали позволяет управлять химическим и фазовым составом НВ, улучшать способность стали к глубокой вытяжке, способствует уменьшению склонности стали к водородному растрескиванию [10 – 13].

При попадании в жидкий расплав кальций растворяется в объеме металла, происходит реакция модифицирования включений Al2O3 [14; 15] до жидкого состояния [16]. Тем самым повышается скорость рафинирования жидкого расплава за счет более высокой скорости всплытия жидких включений. Образование алюминатов кальция можно описать реакцией [17; 18]

\[\left( {x + \frac{4}{3}y} \right){\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3}({\rm{тв}}) + y[{\rm{Ca}}] = {\left( {{\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3}} \right)_x}{\left( {{\rm{CaO}}} \right)_y} + \frac{2}{3}y[{\rm{Al}}].\]

Кальций, обладающий высоким сродством к сере, образует сульфидные и оксисульфидные НВ (в том числе на фронте кристаллизации). В отсутствие достаточного количества кальция сера, обладающая высокой степенью ликвации, скапливается в осевой области непрерывнолитой заготовки. В результате образуются протяженные включения сульфида марганца. Пораженная НВ и микронесплошностями осевая зона может являться причиной отсортировки плоского проката по дефектам ультразвукового контроля и водородному растрескиванию при эксплуатации стали в коррозионных средах [19].

Процесс модифицирования НВ кальцием достаточно сложный. Основной трудностью достижения оптимальных условий модифицирования является узкий диапазон концентрации кальция в расплаве, а также нестабильное усвоение кальция. Помимо этого, кальций имеет высокую упругость пара и в процессе обработки вызывает бурное кипение, что может повлечь за собой выбросы металла из ковша. Вследствие этого необходимо уделить внимание способу ввода кальция в жидкий металл, обеспечить его ввод на глубину расплава, где ферростатическое давление будет уравновешивать давление паров кальция [20]. Ввиду воздействия большого количества факторов, таких как химический состав стали и шлака, температура [21] и масса стали, скорость ввода проволоки и других, влияющих на эффективность использования кальцийсодержащей проволоки, важную роль играют дизайн и состав наполнителя используемой проволоки.

Наполнитель проволоки заключен в стальную оболочку, которая выполняет следующие функции [22; 23]:

– защищает наполнитель проволоки от контакта с атмосферой и влагой во время транспортировки и хранения;

– предотвращает возможность окисления наполнителя при прохождении через слой шлака на поверхности металла;

– обеспечивает требуемую жесткость проволоки, необходимую для прохождения шлакового слоя;

– предупреждает прямой контакт наполнителя проволоки с жидким металлом, что позволяет путем изменения скорости введения и толщины оболочки проволоки регулировать глубину ввода элементов.

Основными параметрами дизайна проволоки являются:

– внешний диаметр проволоки;

– диаметр кальцийсодержащего материала;

– толщина стальной оболочки;

– тип соединения стальной оболочки.

На сегодняшний день в качестве наполнителя таких проволок используют порошкообразный и монолитный кальций:

– электролитический кальций;

– алюмотермический кальций;

– феррокальций (смесь алюмотермического кальция и порошка железа);

– силикокальций.

Каждый из приведенных выше наполнителей имеет свои особенности и различия. Например, по содержанию металлического кальция в наполнителе, содержанию сопутствующих примесных элементов и, как следствие, коэффициенту усвоения. Данные обстоятельства затрудняют получение стабильного результата модифицирования стали.

Целью данной работы является проведение сравнительного анализа работы и ключевых эксплуатационных показателей кальцийсодержащих проволок с наполнителем из чистого электролитического кальция с наполнителем из силикокальция.

Материалы и методы исследования

На установке ковш–печь проведены испытания кальциевой инжекционной проволоки (КИП) с наполнителем из чистого монолитного кальция, полученного электролитическим способом, следующих дизайнов:

– проволока диаметром 10 мм с толщиной оболочки 0,8 мм (10×0,8);

– проволока диаметром 11 мм с толщиной оболочки 0,8 мм (11×0,8);

– проволока диаметром 10 мм с толщиной оболочки 1,0 мм (10×1,0).

Скорость ввода проволоки корректировалась для каждого дизайна индивидуально (от 120 до 180 м/мин).

Состав наполнителя проволоки приведен ниже, %:

Физические характеристики КИП приведены в таблице.

Опытная проволока использовалась на 43 плавках, из которых 51 % составил среднеуглеродистый (содержание углерода от 0,14 до 0,22 %) сортамент, 37 % – низкоуглеродистый ([C] <0,14 %) и 12 % – низкоуглеродистая низкокремнистая сталь. Проволока подавалась в ковш с металлом с помощью трайб-аппарата, обрывов проволоки во время применения зафиксировано не было. Полученные результаты сравнивали с данными, полученными после обработки порошковой проволокой СК40.

Результаты исследования и их обсуждение

Сравнительный анализ используемых проволок начали с определения среднего расхода непосредственно вводимого количества проволоки на плавку и расхода кальция (рис. 1, 2). Видно, что расход проволоки СК40 в среднем больше расхода КИП с наполнителем из электролитического кальция на 30 – 45 %, расход непосредственно самого кальция выше на 30 – 40 %.

Проведен анализ разливаемости стали с целью определения эффективности обработки стали КИП с точки зрения достижения стабильно удовлетворительной разливаемости стали, без зарастания сталеразливочной фурнитуры НВ. Данную оценку проводили, исходя из изменения положения уровня штока стопора промежуточного ковша в процессе разливки стали (рис. 3). Положительные значения данного параметра могут свидетельствовать о начале развития процесса отложения НВ, отрицательные – об эрозии огнеупорных элементов стальной проводки. Сравнительный анализ данных с испытаний между КИП с наполнителем из электролитического кальция и СК40 показывает, что при использовании КИП 10×1,0 и 11×0,8 уровень штока стопора находится в отрицательной области, что позволяет говорить о возможности снижения расхода проволоки данных дизайнов при использовании по сравнению с КИП 10×0,8 и СК40.

Анализ зависимости разливаемости стали от содержания кальция по данным аттестационной пробы для используемых дизайнов КИП представлен на рис. 4. Видно, что для КИП 10×1,0 и 11×0,8 наблюдается следующая зависимость: при увеличении содержания кальция дельта штока стопора промежуточного ковша смещается в область отрицательных значений. Данный результат полностью согласуется с анализом, приведенным на рис. 3. Однако необходимо отметить наличие достаточно высокой дисперсии величины дельта штока, что позволяет говорить о наличии иных влияющих факторов.

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 3 и 4, позволил оценить оптимальное содержание кальция в жидком металле, обеспечивающее стабильную разливаемость стали для сравниваемых КИП. Полученные данные приведены на рис. 5.

Результаты оценки коэффициента усвоения кальция для каждого вида проволоки, используемого в работе, в зависимости от сортамента стали, приведены на рис. 6. Установлено, что наибольший коэффициент усвоения на низкоуглеродистой и углеродистой стали показывает КИП 11×0,8, для низкокремнистого сортамента лучшие показатели наблюдаются у КИП 10×1,0. В среднем коэффициент усвоения для КИП с наполнителем из электролитического кальция на 35 – 45 % выше, чем для проволоки марки СК40.

Необходимо отметить, что основной целью обработки стали кальцием является улучшение разливаемости стали и качества проката. Параметр усвоения кальция необходим для расчета получения кальция в расплаве целевой концентрации для конкретных условий.

Выводы

Проведен сравнительный анализ работы КИП с наполнителем из электролитического кальция и кальцийсодержащей проволоки марки СК40. Показано, что расход КИП в среднем на 30 – 45 % меньше (в зависимости от дизайна), чем для СК40. Выполнен анализ разливаемости стали, где в качестве критерия, определяющего разливаемость, применялось изменение уровня стопора промежуточного ковша. Определено минимальное содержание кальция в металле при использовании КИП, обеспечивающее стабильную разливаемость стали, которое составило 10 – 12 ppm. Показано, что для оценки работы кальцийсодержащей проволоки целесообразно использовать параметр разливаемости стали, например, по изменению положения штока стопора промежуточного ковша.