Взаимодействие стали с атмосферой при непрерывном литье. Теоретические основы взаимодействия струи металла с воздухом при непрерывном литье, страница 2

                         (5.9)

где  – определяется из уравнения:

Для отмеченных выше условий концентрация растворенного в стали кислорода, находящегося в равновесии с алюминием, составит 0,00583%. Снижение температуры стали с 1660 до 1630, 1565 и 1500 ^ОС, что соответствует ее температуре в сталеразливочном, промежуточном ковшах и кристаллизаторе, сопровождается образованием оксидных неметаллических включений алюминия, кремния, марганца и железа, что подтверждается значением активностей соответствующих оксидов (табл. 5.1).

Из данных, приведенных в табл. 5.1, видно, что в результате снижения температуры металла с 1630 до 1500 ⁰С концентрация растворенного в ней кислорода уменьшается в пять раз. Увеличение концентрации алюминия перед разливкой с 0,02 до 0,07% вдвое снижает количество оксидных включений в готовом металле.

Большой интерес представляет рассмотрение вопроса о поглощении металлом кислорода в процессе непрерывного литья.

Таблица 5.1 — Влияние температуры металла на активность оксидов алюминия, кремния, марганца и железа

Струя жидкого металла при истечении из сталеразливочного и промежуточного ковшей увлекает за собой газообразную среду. Этот процесс можно описать эмпирической зависимостью [12]:

, где   _ГАЗ – объем поглощенного газа;

_ЖИД – объем прошедшей через сечение струи жидкости;

l – длина участка струи в газообразной среде;

d – диаметр струи;

 – коэффициент, зависящий от физических свойств газообразной среды и конфигурации струи.

Для уменьшения степени увлечения газов струей следует уменьшать ее длину l, а диаметр струи следует иметь большим, так как увеличение диаметра приводит к уменьшению поверхности соприкосновения струи с воздухом. Схема захвата струей газообразной среды показана на рисунке 5.1.

Ранее считали, что основное поглощение воздуха жидкой сталью происходит либо через пограничный газовый слой, либо путем инжектирования воздуха в ванну жидкого металла струей, то есть за счет воздуха, попадающего в ванну в месте падения струи посредством «захлопывания» газового пограничного слоя [24, 25].

Однако, как показали современные исследования, с самого момента выхода стали из сталеразливочного ковша и до поступления ее в кристаллизатор МНЛЗ, она последовательно взаимодействует с воздухом, шлаком в промежуточном ковше, огнеупорами промежуточного ковша, частицами шлака и образовавшимися при окислении воздухом, подсасываемым в соединение стакана с ковшом, оксидными пленками.

1– ковш; 2 – струя металла; 3 – поступающий воздух; 4 – пограничный слой, состоящий из воздуха; 5 – металл

Рисунок 5.1 — Схема подсоса воздуха к падающей струе металла

Как показали исследования, активность кислорода в стали во время вторичного окисления увеличивается.

Работами, проведенными учеными Московского института стали и сплавов, установлено, что при разливке на МНЛЗ без защиты струи величина активности кислорода в промежуточном ковше примерно в 2 раза, а в кристаллизаторе в 3 раза больше, чем в сталеразливочном ковше. Это свидетельствует о том, что не весь поступающий в металл в результате вторичного окисления кислород успевает провзаимодействовать с имеющимся в нем раскислителем.

По данным завода «Krupp Stahle AG», во время разливки с защитой струи металла общее содержание кислорода в стали уменьшалось от 0,004 % в сталеразливочном ковше до 0,0030-0,0020 % в промковше и кристаллизаторе. После удаления защиты общее содержание кислорода повышалось на 0,0020-0,0055 %, достигая уровня 0,0080 %, тогда как содержание растворенного в стали кислорода, определенное методом ЭДС, увеличивалось лишь на 0,0015 %.

По данным, полученным на НЛМК, при непрерывной разливке без защиты по сравнению с разливкой с защитой содержание алюминия в стали снижается на 0,002-0,003 % на участке сталеразливочный – промежуточный ковш и на 0,007-0,006 % на участке промковш – кристаллизатор.

В результате взаимодействия струи металла с воздухом в сталь поступает и азот. Согласно исследованиям, проведенным на НЛМК, при разливке без защиты струи содержание азота в стали увеличивается на участке сталеразливочный – промежуточный ковш на 0,0025 % и на участке промежуточный ковш – кристаллизатор – на 0,0012 %. При защите струи металла аргоном содержание азота в стали снижается до 0,0008 %.

Кинетику процесса растворения газа в металле можно представить в виде четырех последовательных стадий [26]: подвода молекул газа к поверхности металла; диссоциации молекул газа на поверхности металла; адсорбции газа поверхностью металла; диффузии и растворения газа в металле. Лимитирующим звеном процесса является последняя его стадия.

Количество поглощенного металлом газа зависит от концентрационного градиента, температуры металла, удельной поверхности его кон-