Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных по поглощению газов и угару легирующих элементов при непрерывной разливке

Исследование технологии непрерывной разливки нержавеющих сталей, содержащих титан, показало, что значительная часть высокоактивного по отношению к кислороду и азоту элемента (титана) теряется в процессе непрерывной разливки. Это в первую очередь объясняется взаимодействием титана с кислородом и азотом атмосферы и образованием оксидов и нитридов титана, удаление которых из стали и вызывает выше отмеченные потери легирующего элемента.

Проведенные расчеты показывают, что большая часть потерь титана происходит в результате взаимодействия струи металла с азотом воздуха. Исходя из стехиометрии образования оксидов (Ti₂O₃) и нитридов  титана (TiN) следует, что на долю кислорода воздуха приходится 0,03–0,04 % абсолютного угара титана при непрерывной разливке, а в результате взаимодействия струи с азотом атмосферы теряется в среднем 0,13–0,23 %. Суммарные средние потери титана, при разливке непрерывным способом нержавеющих титансодержащих сталей, в результате взаимодействия с атмосферой могут составить 0,15–0,27 %.

Таким образом, для улучшения качества непрерывнолитого металла, снижения потерь высокоактивных по отношению к азоту и кислороду элементов и уменьшения газонасыщенности стали необходима тщательная защита металла от взаимодействия с атмосферой в процессе непрерывного литья особенно при разливке коррозионностойких и высоколегированных марок.

Кроме того, определенный интерес представляет сравнение теоретически возможных потерь легирующих элементов в процессе непрерывного литья с экспериментальными, а также уточнение механизма образования их оксидов и нитридов.

5.3 Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных

данных по поглощению газов и угару легирующих

элементов при непрерывной разливке

Исследование результатов опытных разливок стали на сортовой МНЛЗ в заготовки сечением 140*140 мм показало, что в промежуточном ковше концентрация кислорода в металле возрастает на 0,00262 – 0,00490 %, а содержание азота и титана снижается на 0,005–0,028 % и 0,13 – 0,31 % соответственно. С азотом, в результате образования и удаления нитридов, на этом этапе может теряться от 0,02 до 0,08 % титана, однако фактические потери титана превышают расчетные потери с азотом в результате снижения его концентрации. Следовательно, часть титана теряется с азотом атмосферы и эта величина потерь составляет в среднем 0,22 % [29].

Содержание кислорода в кристаллизаторе изменяется незначительно, азота – снижается на 0,001-0,013 %, а титана на 0,01-0,17 %, причем на долю кислорода и азота, имеющихся в металле к этому моменту приходится 0,01–0,05 % потерь титана.

Анализ суммарных потерь титана показывает, что за период непрерывной разливки, потери титана составляют 0,22–0,44 % (в среднем 0,32 %). На долю кислорода и азота, растворенных в металле к моменту разливки приходится 0,06–0,13 % потерь титана (в среднем 0,08 %), а 0,09–0,32 % титана теряется взаимодействуя с атмосферой (в среднем 0,22 %).

Сравнивая полученные в ходе эксперимента, результаты с расчетными значениями (табл. 5.4), поглощения газов и потерь титана, имеем довольно хорошую сходимость. Расчетные данные свидетельствуют, что возможные потери, высокоактивного по отношению к кислороду и азоту элемента, в процессе непрерывной разливки могут составить 0,15–0,27 %, а полученные в ходе эксперимента значения находятся в пределах 0,09–0,32 %.

Таблица 5.4 — Изменение массовой доли кислорода, азота и титана в процессе разливки стали на МНЛЗ

Промежуточный ковш				Кристаллизатор				Потери титана за разливку
Прирост содержания O2, %	Снижение массовой доли, %		Потери Ti с [O] и [N], %	Изменение массовой доли кисло-рода %	Снижение массовой доли, %		По-тери Ti с [O] и [N], %	С кислородом и азотом		Сум-мар-ные поте-ри, %
	N2	Ti			N2	Ti		металла	воз-духа
0,00457	0,024	0,17	0,09	-0,0002	0,001	0,12	0,01	0,10	0,19	0,29
0,00300	0,005	0,14	0,03	+0,0006	0,007	0,13	0,03	0,06	0,21	0,27
0,00320	0,020	0,13	0,08	+0,0008	0,013	0,09	0,05	0,13	0,09	0,22
0,00295	0,010	0,16	0,04	-0,0005	0,005	0,10	0,02	0,06	0,10	0,26
0,00295	0,007	0,19	0,03	+0,0001	0,008	0,12	0,03	0,06	0,25	0,31
0,00262	0,016	0,25	0,06	+0,0002	0,001	0,14	0,01	0,07	0,32	0,39
0,00323	0,028	0,25	0,11	-0,0009	0,002	0,19	0,01	0,12	0,32	0,44
0,00360	0,009	0,19	0,04	+0,0013	0,007	0,09	0,03	0,07	0,21	0,28
0,00490	0,010	0,14	0,05	+0,0004	0,009	0,13	0,03	0,08	0,19	0,27
0,00486	0,012	0,25	0,02	-0,0004	0,006	0,01	0,02	0,07	0,19	0,26
0,00340	0,010	0,17	0,05	+0,0007	0,009	0,10	0,03	0,08	0,19	0,27
0,00295	0,028	0,21	0,10	-0,0003	0,008	0,17	0,03	0,13	0,25	0,38

Влияние скорости разливки на поглощение расплавом кислорода и азота атмосферы, также нашло экспериментальное подтверждение и иллюстрируется рисунком 5.4, из которого видно, что прирост активности кислорода в промежуточном ковше снижается при разливке металла с большей скоростью.

40

30

20

1,2              1,4            1,6            1,8            2,0      Скорость разливки, м/мин

Рисунок 5.4 — Зависимость прироста активности кислорода в

                            П/К от скорости разливки стали

На участке промежуточный ковш–кристаллизатор окисление титана и выделение его нитридов сопровождается образованием шлаковой корки на поверхности металла. Заворот этой корки приводит к грубым дефектам и увеличивает вероятность прорыва металла под кристаллизатор. Поэтому при разливке корка удаляется специальными крюками, что усложняет процесс разливки.

Сравнительный анализ состава стали и шлаковых корок, отобранных из кристаллизатора представлен в таблице 5.5. В образцах корки содержится больше углерода, титана и азота, что указывает на возможность удаления титана в корку в виде нитридов и карбонитридов.

Таблица 5.5 — Химический состав корок и проб стали отобранных из кристаллизатора при непрерывной разливке

№ п/п	Массовая доля элементов, %
	С	Mn	Si	P	Ni	Cr	Ti	N
1	0,27*	1,34	0,60	0,018	9,85	17,63	0,64	0,025
	0,12	1,31	0,52	0,018	9,90	17,72	0,57	0,019
2	0,21	1,10	0,63	0,019	10,15	18,41	0,60	0,085
	0,12	1,15	0,58	0,017	10,20	18,35	0,50	0,045
3	0,19	1,20	0,70	0,015	10,32	18,20	0,72	0,070
	0,10	1,17	0,65	0,015	10,41	18,09	0,61	0,039

                       

* — в числителе химический состав корок, в знаменателе проб металла отобранных из кристаллизатора

Опытные плавки разливали с использованием защитных труб на участке сталеразливочный ковш - промежуточный ковш и погружных стаканов на участке промежуточный ковш – кристаллизатор. Однако данная схема защиты не в полной мере защищала струю от взаимодействия с атмосферой. Отсутствие надежной защиты легированного расплава в процессе разливки вызывает существенное развитие вторичных процессов, что не может не сказаться на остаточном содержании примесей в готовой стали.

Дальнейшие исследования угара титана при производстве коррозионностойкой титансодержащей стали позволили установить, что при одних и тех же значениях активности кислорода на выпуске из печи он на 6-14% (среднее 12,5%) больше, при производстве непрерывнолитой заготовки в сравнении с разливкой в слитки. В связи с этим был рассмотрен механизм и оценены потери титана