Негативные последствия зарастания погружных стаканов

Отложения на внутренней поверхности погружного стакана могут существенно отличаться как по физическим свойствам (начиная с достаточно рыхлых зон и заканчивая зонами прочных кристаллов корунда), так и по химическому составу (алюминаты кальция типа CaO_*6Al₂O₃, CaO_*2Al₂O₃ и 2CaO_*Al₂O_3* SiO₂; а также шпинелиды переменного состава от герцинитового до магнетитового и пр.) [23,24]. Дополнительно следует отметить, что в такого рода отложениях может также наблюдаться повышенное содержание «корольков» металла. Следовательно, можно утверждать, что отложения на внутренней поверхности погружного стакана являются результатом развития различного рода процессов дополнительного загрязнения стали, происходящих уже непосредственно в ходе разливки. Вероятно, неоднородность отложений следует объяснять различными механизмами, сопровождающими процесс зарастания внутренней полости погружных стаканов.

Как показывают многочисленные наблюдения, выполненные авторами настоящей статьи, явление формирования отложений на поверхности погружного стакана происходит в течение всего цикла эксплуатации. При этом основным источником такого рода отложений, вероятно, является дополнительное загрязнение металла неметаллическими включениями за счет вторичного окисления стали при ее движении от сталеразливочного ковша в кристаллизатор, а также эрозии огнеупорных и вспомогательных материалов, с которыми сталь вступает в контакт в процессе технологических переливов. Вместе с тем, процесс зарастания внутренней полости погружного стакана характеризуется также заметной неравномерностью его развития во времени и несимметричностью расположения зон отложений относительно вертикальной оси изделия. Например, после разливки нескольких плавок весьма часто (20-25% от всего количества) наблюдается довольно резкое уменьшение внутреннего сечения канала погружного стакана, что, в конечном счете, и служит основной причиной его замены на новый [25].

Наиболее вероятными причинами такого резкого увеличения скорости выпадения отложений могут быть либо дополнительные оксиды, которые попадают в промковш при прожигании канала шиберного затвора с применением кислорода, либо частицы шлака, которые захватываются струей металла (эффект «воронки») при вытекании из промковша. Условия для развития такого механизма захвата шлака струей металла создаются при уменьшении уровня налива стали в промковше, которое наиболее характерно при замене сталеразливочных ковшей при работе по схеме «плавка на плавку».

При этом не менее существенным фактором оказывается накопление в промковше дополнительного шлака, попадающего из сталеразливочных ковшей, по мере увеличения числа разлитых плавок. Можно даже предположить, что в условиях отсутствия специальных мероприятий по контролю количества шлака в промковше достаточно вероятным представляется уменьшение уровня металла в промковше, поскольку оператор в большей степени ориентируется на положение поверхности шлака. Следовательно, при перековшовке сталеразливочных ковшей после разливки нескольких плавок вероятность спонтанного зарастания внутренней полости погружного стакана возрастает, что, вероятно, должно специально учитываться при разливке длинными сериями.

Выполненные практические наблюдения и оценки по характеру расположения зон отложений во внутренней полости погружных стаканов позволили установить следующие общие закономерности:

-отложения алюминатов более ярко проявляются при повышенном содержании алюминия в стали;

-зоны наибольшего количества отложений обычно располагаются, начиная с области, соответствующей положению уровня металла в кристаллизаторе, и до нижнего среза для прямоточных погружных стаканов, или до внешней поверхности для глуходонных изделий с боковыми отверстиями;

-весьма часто зоны максимального количества отложений в горизонтальном сечении не являются симметричными;

-для глуходонных погружных стаканов с боковыми отверстиями весьма часто отмечалась несимметричность в зарастании отверстий (одно отверстие зарастает значительно больше, чем другое);

-при разливке на многоручьевых МНЛЗ (4 или 6 ручьев) установлен также факт неодинакового (по скорости и характеру) зарастания погружных стаканов на разных ручьях.

Такая совокупность явлений, сопровождающих процесс зарастания погружных стаканов, убедительно свидетельствует о том, что динамика движения струи стали из промковша в кристаллизатор представляется весьма важной с точки зрения условий эксплуатации погружного стакана. Характер движения струи металла непосредственно в погружном стакане и особенности его взаимодействия с газом, который попадает в стакан либо через стык стакана-дозатора с погружным стаканом, либо с защитным газом, который вдувается в металл различными способами, изучался на физической модели.

Исследования выполнены для наиболее распространенных случаев: а) без вдувания защитного газа и без эжекции воздуха в стык между стаканом-дозатором и погружным стаканом; б) без вдувания защитного газа, но с эжекцией воздуха в стык между стаканом-дозатором и погружным стаканом; в) при вдувании защитного газа через пористую вставку в верхней части погружного стакана; г) при вдувании защитного газа через пористую вставку в стакане-дозаторе; д) при вдувании защитного газа через стопор-моноблок.

Схематически характер движения струи металла и ее взаимодействие с окружающим газом для всех вышеперечисленных случаев представлено на рис.3.1 и рис.3.2.

Рисунок 3.1 - Схематически характер движения струи металла в погружном стакане без подсоса а) и с подсосом воздуха б)

Рисунок 3.2 - Схематически характер движения струи металла в погружном стакане при вдувании аргона

В целом, движение струи металла во внутренней полости погружного стакана (без дополнительного вдувания защитного газа и подсоса газа через стык) характеризуется компактной формой струи, которая по мере ее опускания начинает сужаться (уменьшать свое сечение) с увеличением скорости движения. При нормальном развитии процесса разливки струя имеет меньшее сечение, чем сечение внутренней полости погружного стакана, что практически исключает их длительный контакт между собой (а, следовательно, и осаждение неметаллических включений на внутренней поверхности погружного стакана).

Установлено, что в ходе разливки во внутренней полости погружного стакана наблюдается значительное уменьшение давления газа ниже атмосферного. При отсутствии герметичности в месте стыка стакана-дозатора и погружного стакана имеет место существенный подсос воздуха, что приводит к образованию зоны водовоздушной смеси по границе струи, которая расширяется книзу (рис.3.1 б).

Формирование зоны водовоздушной смеси по границе струи приводит к некоторому увеличению общего сечения струи (за счет разбрызгивания) при одновременной деформации ее геометрической формы, что обеспечивает контакт движущейся струи с внутренней стенкой погружного стакана. Следовательно, эффект зарастания внутренней полости погружного стакана неметаллическими включениями возможно связывать не только с вторичным окислением стали в ходе ее технологических переливов, но также и с изменением формы струи, вызванной внедрением пузырьков газа в ее периферийные области. При этом явление изменения (деформации) геометрической формы струи для расплавленного металла, вероятно, будет развиваться значительно сильнее, поскольку контакт металла с газом сопровождается резким увеличением объема последнего в силу его быстрого нагревания. Вдувание газа через пористую вставку (рис.3.2 в,г) в стакане-дозаторе (или погружном стакане) обеспечивает не только высокую степень адсорбции неметаллических включений на поверхности пузырьков и компенсирует разрежение, образующееся во внутренней полости погружного стакана, но также в определенном смысле способствует развитию поверхности контакта струи металла со стенками погружного стакана и, соответственно, создает благоприятные условия для осаждения на них глинозема. Видимо, использование такого способа защиты в большей степени целесообразно для разливки чистых по неметаллическим включениям (вакуумированных) сталей.

При вдувании защитного газа через стопор-моноблок (рис.3.2 д) формирующаяся в полости стакана-дозатора струя жидкости имеет традиционную для свободно вытекающей струи геометрическую форму, а инжектируемый газ располагается, главным образом, во внутренних зонах струи и движется со скоростью жидкостного потока, не нарушая его естественной конфигурации. Учитывая характер расположения и движения пузырьков газа в струе можно предположить, что они также сообщают ей дополнительную устойчивость при движении за счет компенсации уменьшения сечения струи вследствие увеличения объема пузырьков при их нагревании.

В результате, можно выделить следующие задачи:

· защита струи металла от вторичного окисления;

· качественная подготовка металла;

· модифицирование неметаллических включений глинозема кальцием;

· создание оптимальных условий для всплытия включений в промежуточном ковше;

· использование специальных антиклоггиновых огнеупорных материалов для изготовления погружных стаканов.