Исследование состава отложений неметаллических включений, образовавшихся при зарастании погружного стакана в условиях ККЦ ОАО «ДМКД» методом растровой электронной микроскопии
Б. Ф. Ильяшенко, В. В. Бурховецкий, И. Л. Брикайло, В. В. Моцный*, Е. А. Сургучов*
Донниичермет, Донецк
*ОАО «ДМКД», Днепродзержинск
Изучен состав отложений, образовавшихся на внутренней поверхности погружного стакана во время непрерывной разливки стали в условиях ККЦ ОАО «ДМКД». Показано, что основными неметаллическими включениями, откладывающимися на стенке погружного стакана, являются глиноземные включения типа Al2O3, которые находятся в матрице, содержащей алюминий, кремний, кальций, марганец и калий. Ориентировочная стехиометрия этой матрицы – 0,9CaO * 2,2SiO2 * 1,4Al2O3 * 0,6MnO. Для устранения проблемы зарастания необходимо выполнить известные рекомендации по модифицированию алюминийсодержащих включений кальцием и по количественному снижению содержания оксидов алюминия в стали.
Вивчено склад відкладень, що утворилися на внутрішній поверхні занурювального стакану під час безперервного розливання сталі в умовах ККЦ ВАТ «ДМКД». Показано, що основними не-металічними включеннями, що відкладаються на стінці занурювального стакану є глиноземні включення типу Al2О3, які знаходяться в матриці, яка містить алюміній, кремній, кальцій, ма-рганець і калій. Орієнтовна стехіометрія цієї матриці – 0,9CaO * 2,2SiO2 * 1,4Al2O3 * 0,6MnO. Для усунення проблеми заростання необхідно виконати відомі рекомендації по моди-фікуванню включень, що містять алюміній та кальцій, і по кількісному зниженню вмісту окси-дів алюмінію в сталі.
The nonmetallic inclusions composition, appearing on the internal surface of submersible glass during the continuous casting in the conditions of OJSC «DMKD» LD plant is studied. It is rotined that a nonmetallic inclusions, storing on the wall of submersible glass, are the aluminous inclusions Al2O3, which are in a matrix, containing an aluminium, silicon, calcium, manganese and potassium. The approximate stoichiometric ratio of this phase – 0,9CaO * 2,2SiO2 * 1,4Al2O3 * 0,6MnO. For the solving of overgrowing problem it is necessary to execute the known recommendations on retrofitting of the Al2O3 inclusions by calcium and the quantitative decline of content of oxide aluminum inclusions in steel.
Отложение неметаллических включений на стенках каналов стаканов и шиберных затворов при непрерывной разливке стали сужает проходные отверстия, что уменьшает расход металла. На многих предприятиях это снижает производительность и приводит к большим потерям, как материальным, так и временным. Наиболее эффективным способом предупреждения зарастания стаканов является ввод в расплав модификаторов, способствующих трансформации неметаллических включений в комплексные соединения, которые остаются в жидком состоянии при температурах разливки стали.
Состав отложений, образовавшихся на погружном стакане во время разливки стали, изучили в условиях ККЦ ОАО «ДМКД». В качестве образца был представлен случайно отобранный фрагмент донной части погружного стакана с характерными отложениями, застывшими на нем во время разливки.
На изготовленный поперечный шлиф нанесли токопроводящий слой золота. Образец исследовали методом растровой электронной микроскопии с применением микрорентгеноспектрального анализа на микроскопе JSM-T300 c энергодисперсионной приставкой Link 860-500.
Во время предварительного осмотра на шлифе обнаружили оплавившийся прозрачный материал темно-зеленого цвета, находящийся непосредственно между самой стенкой стакана и отложениями. В результате исследования было отмечено следующее:
1. Материал погружного стакана – SiO2 (табл. 1). У самой границы 1 внутренней стенки стакана (рис. 1) выявлено незначительное содержание (%) таких элементов, помимо кремния, как Fe (до 0,7), Mn (до 0,1) и Ca (до 0,2).
Рис. 1. Морфология фрагмента внутренней стенки погружного стакана с остатками отложений неметаллических включений, образовавшимися при разливке стали: шлиф, РЭМ, контраст в отраженных электронах, х35
Таблица 1 - Химический (по результатам микрорентгеноспектрального анализа) и ориентировочный (расчетный) стехиометрические составы фаз, входящих в состав отложений неметаллических включений, образовавшихся при зарастании погружного стакана по ходу непрерывной разливки стали
2. Прозрачный темный материал (в некотором роде, хрупкая «прослойка» между «телом» погружного стакана и отложениями неметаллических включений) (рис. 1–3) – однофазный с редко встречающимися корольками металла. В состав материала (табл. 1) входят такие элементы, как Al около 9,5 % (6,2…11,7) %мас., Si около 20,2 % (18,2…23,6) %мас., Ca около 22,3 % (21,3…22,9) %мас., Mn около 3,4 % (3,1…3,6) %мас., K около 1,6 % (1,3… 2,2) %мас. Стехиометрия этого материала ориентировочно следующая: 1,7CaO * 2,1SiO2 * 1,2Al2O3 * 0,2MnO. Причиной образования такой «прослойки» могли быть начальные размытие и оплавление стенки погружного стакана при первичном контакте со сталью (в определенной степени, «гарнисаж») – присутствие SiO2 с наличием некоторого количества отложений неметаллических включений CaO, Al2O3 и MnO.
3. Отложения неметаллических включений, образовавшиеся при зарастании погружного стакана, представлены тремя основными фазами (рис. 1, 3, 4):
Рис. 2. Морфология у границы 1 фрагмента внутренней стенки погружного стакана с прозрачной «прослойкой»: шлиф, РЭМ, контраст в отраженных электронах (а, б), характеристическом излучении Sika (в), Caka (г), Alka (д), Mnka (е), х500 (а), х1000 (б-е).
– светлая матрица (фаза 1) (рис. 3, 4) по своему составу качественно близка к составу прозрач-ной «прослойки» (табл. 1). Однако по количественному составу есть некоторые отличия: почти в 2 раза снижается содержание кальция, а содержание марганца увеличивается более, чем в 3 раза. При этом Al в фазе 1 около 11,9 % (10,8…12,6) %мас., Si около 21,2 % (20,2…23,1) %мас., Ca около 10,3 % (7,5… 11,8) %мас., Mn около 11,2 % (10,1…12,5) %мас., K около 1,6 % (1,3… 1,9) %мас. Стехиометрия фазы 1 ориентировочно следующая: 0,9CaO * 2,2SiO2 * 1,4Al2O3 * 0,6MnO;
– темная фаза в виде включений (рис. 3, 4), содержащих Al2O3. Именно отложения этих включений, согласно литературным данным [1], и являются основной причиной зарастания погружного стакана. Необходимо отметить, что при этом они достаточно чистые (без кальция);
– корольки металла в виде глобулярных включений белого цвета (рис. 3, 4). Состав корольков позволяет предположить, что зарастание погружного стакана произошло при разливке стали типа Г2С. Определить содержание углерода в корольках не представляется возможным из-за технических возможностей прибора (идентификация и определение элементов, начиная с натрия).
4. После получения результатов микрорентгеноспектрального анализа (табл. 1) и ориентировочных усредненных данных по составам шлака в стальковше и укрывных смесей промежуточного ковша (данные ОАО «ДМКД») (табл. 2) необходимо отметить следующее:
– наличие (%) Ca (22,3), Mn (3,4), Al (9,5), Si (20,2) и K (1,6) в составе «прослойки» между внутренней стенкой погружного стакана и отложениями неметаллических включений обусловлено намораживанием на стенки погружного стакана укрывной смеси промежуточного ковша и, возможно, частично попадающего в промковш шлака из стальковша. Завышенное содержание кремния обусловлено, скорее всего, диффузионными процессами этого элемента из тела стакана в «прослойку».
Таблица 2 - Ориентировочные усредненные данные по составам шлака в стальковше и укрывных смесей в промежуточном ковше (данные ОАО «ДМКД»)
Остался невыясненным вопрос отсутствия магния в составе «прослойки» и светлой фазы, а также довольно высокое содержание марганца в фазе 1 (возможно, за счет диффузии при разливке стали с повышенным содержанием марганца).
После проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Основными неметаллическими включениями, откладывающимися на стенке погружного стакана при разливке металла, являются глиноземные включения типа Al2O3, которые находятся в матрице в виде представленной фазы, содержащей (%мас.) алюминий около 11,9, кремний около 21,2, кальций около 10,3, марганец около 11,2 и калий около 1,6. Ориентировочная стехиометрия этой фазы – 0,9CaO * 2,2SiO2 * 1,4Al2O3 * 0,6MnO.
2. Между внутренней стенкой погружного стакана и отложениями неметаллических вклю-чений, образовавшимися при разливке, отмечено наличие однофазной хрупкой «прослойки» с одиночными корольками металла. В ее составе (%мас.): Al около 9,5, Si около 20,2, Ca около 22,3, Mn около 3,4 и K около 1,6. Ориентировочная стехиометрия этой фазы – 1,7CaO * 2,1SiO2 * 1,2Al2O3 * 0,2MnO. Причиной образования такой «прослойки» могло быть начальное оплавление стенки стакана в начале разливки и намораживание на стенки погружного стакана укрывной смеси промежуточного ковша и, возможно, частично попадающего в промковш шлака из стальковша.
3. Остался невыясненным вопрос отсутствия магния в «прослойке» и фазе 1, а также достаточно высокое содержание марганца в фазе 1 (возможно, за счет диффузии при разливке стали с повышенным содержанием марганца).
4. Устранить проблему зарастания погружного стакана можно, выполнив стандартные и известные рекомендации:
– модифицировать алюминийсодержащие включения кальцием (с целью снижения их температуры плавления) [1];
– снижать содержание оксидов алюминия в стали (снимать переокисленность стали другими раскислителями, например, углеродсодержащими материалами типа МУФ марки П5, П4-1, карбидом кремния, карбидом кальция).
Литература
1. Совершенствование технологии непрерывной разливки низкокремнистых сталей Д. А. Дюдкин, В. В. Кисиленко, В. В. Акулов. – Черная металлургия. – 2007. – № 8. – С. 35-37.