Исследование теплофизических свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали с целью выбора оптимального состава

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-металлургический факультет
Кафедра «Металлургия стали и сплавов»

Направление:22.03.02 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия стали»
Допустить к защите:
Заведующий кафедрой
«Металлургия стали и сплавов»
_________  А.А.Троянский
(Подпись) 
«___» _________ 2018г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломной работе

на тему:	«Исследование теплофизических свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали с целью выбора оптимального состава»

Автор дипломной работы	____________	В.Р. Кирбаба
	(Подпись)

Руководитель дипломной работы
Доц., канд. техн. наук, доц.	____________	В.Л. Жук
	(Подпись)

КОНСУЛЬТАНТЫ:

Экономическая часть
Доц., канд. экон. наук, доц.	____________	Б.В. Бурлуцкий
	(Подпись)
Охрана труда
Доц., канд. техн. наук, доц.	____________	В.А. Темнохуд
	(Подпись)
Охрана окружающей среды
Зав. каф., канд. техн. наук, доц.	____________	В.В. Кочура
	(Подпись)

НОРМОКОНТРОЛЕР	____________	И.В. Тупилко
	(Подпись)



Донецк 2018
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-металлургический факультет
Кафедра «Металлургия стали и сплавов»

Направление:22.03.02 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия стали»
УТВЕРЖДАЮ:
Заведующий кафедрой
«Металлургия стали и сплавов»
_________   Троянский
   (Подпись) 
«___» _________ 2018 г.



ЗАДАНИЕ
на дипломную работу

Студенту
Кирбаба Валерию Романовичу
Группы
МСб-14

(Фамилия, имя, отчество)



1. Тема дипломной работы:
«Исследование теплофизических свойств шлакообра-
зующих смесей для непрерывной разливки стали с целью выбора оптимального  
состава»
    Тема дипломной работы утверждена приказом № 249-14 от 30 марта 2018 г.

2. Исходные данные к дипломной работе:
Научно-техническая и патентная 
литература, ГОСТы, технологическая инструкция, журналы «Металлург», «Сталь», 
«Расплавы», «Вiсник Приазовськогодержавного технiчногоунiверситету»,
«Теория и технология металлургического производства»  

3. Содержание пояснительной записки к дипломной работе:
1) Общие сведения 
о шлакообразующих смесях (ШОС) для кристаллизаторов МНЛЗ; 2) Анализ применения  
ШОС для МНЛЗ в лабораторных и промышленных условиях; 3) Постановка задачи и 
цели исследований; 4) Теоретическая часть;5) Исследовательская часть; 6) Технико-
экономический анализ; 7)Влияние технологии непрерывной разливки стали на
окружающую среду; 8) Безопасность разливки стали на МНЛЗ;

4. Перечень графического материала:












5. Данные о консультантах, с указанием разделов пояснительной записки
Раздел
Консультант
(ФИО, должность, ученая степень, звание)
Задание выдал
Задание принял


подпись
дата
подпись
дата
Экономическая часть
Бурлуцкий Б.В., доц., канд. экон. наук, доц.




Охрана труда
Темнохуд В.А., доц., канд. техн. наук, доц.




Охрана окружающей





среды
Кочура В.В., зав. каф., канд. техн. наук, доц.





6. Срок сдачи студентом законченной дипломной работы	 июня 2018 г.

7. Дата выдачи задания на дипломную работу	30 марта 2018 г.
     

РуководительЖук Валерий Леонтьевич______________________
	(Подпись)

Задание принял к исполнению2 апреля 2018 г.                ______________________
	(Подпись)
     
     
     
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
№ п/п
Название этапов дипломной работы (проекта)
Срок выполнения этапов работы
Отметка о выполнении
1
Изучение научно-технической литературы по теме

     

дипломной работы

     
2
Общие сведения о шлакообразующих смесях для

     

кристаллизаторов МНЛЗ

     
3
Анализ применения ШОС для МНЛЗ в лабораторных

     

и промышленных условиях

     
4
Постановка задачи и цели исследований

     
5
Теоретическая часть

     
6
Исследовательская часть

     
7
Технико-экономический анализ

     
8
Влияние технологии непрерывной разливки стали на

     

окружающую среду

     
9
Безопасность разливки стали на МНЛЗ

     
10
Оформление пояснительной записки, подготовка

     

демонстрационных материалов.

     
11
Рецензирование дипломной работы

     
12
Защита дипломной работы.

     


     Студент	__________________________
(подпись)
     
     Руководитель	__________________________
(подпись)


     РЕФЕРАТ
     
     ВКР: 100 стр., 13 рис., 17 табл., 3 прил., 35 источника
ШЛАКООБРАЗУЮЩАЯ СМЕСЬ, МНЛЗ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, КРИСТАЛЛИЗАТОР, ВЯЗКОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ, СТАЛЬ
     Объект исследования – шлакообразующие смеси для кристаллизатора МНЛЗ.
     Цель работы – выбор оптимального состава шлакообразующих смесей применяемых для кристаллизатора МНЛЗ.
     Метод исследования – анализ и обработка литературных источников, изучение и анализ результатов, которые были получены в исследовательской части выпускной квалификационной работы.
     Проведенный анализ работ доменных печей мира свидетельствует о том, что введение коксового орешка в железорудный слой способствует улучшению газопроницаемости столба шихтовых материалов и снижению перепада давления.
     Расчеты свидетельствуют о том, что при перешихтовке базового состава шихты, снижении основности шлака, применении коксового орешка и ПУТ в количестве 80 и 180 кг/т чугуна соответственно, повышении температуры дутья на 200 0С и повышении содержания кислорода в дутье на 3,5 %  происходит повышение производительности доменной печи на 14,4 % и снижение расхода кокса на 288 кг/т чугуна.
     Область применения – сталеплавильное производство России и Украины и других стран СНГ.

    





22.03.02. МСиС. 2018. БР. 01. ДО.ПЗ.






Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата

Разраб.
Кирбаба В.Р.


Исследование теплофизических свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали с целью выбора оптимального состава
Лит.
Лист
Листов
Руковод.
Жук В.Л.






4

Консульт




ДОННТУ, каф. МСиС
группа МСб-14
Н.контр.
Тупилко И.В.




Зав.каф.
ТроянскийА.А





Содержание

Введение
1. Общие сведения о шлакообразующих смесях (ШОС) для кристаллизаторов МНЛЗ.
1.1  Основные технологические функции ШОС.
1.2  Основные свойства ШОС.
1.3  Составы применяемых ШОС и их основные компоненты.
2. Анализ применения ШОС для МНЛЗ в лабораторных и промышленных условиях.
2.1  Применение ШОС при разливке углеродистых сталей.
2.2  Применение ШОС для разливки легированных сталей.
3. Постановка задачи и цели исследований 
3.1  Цель исследования
3.2  Задачи исследования
4. Теоретическая часть 
4.1  Анализ методов определения теплофизических свойств ШОС.
4.2 Анализ расчетного метода исследований вязкости и температуры плавления ШОС.
5. Исследовательская часть.
5.1  Выбор составов ШОС для исследований. 
5.2  Выполнение расчетов по выбранным составам ШОС. 
5.3  Анализ полученных результатов.
6. Экономическое обоснование предлагаемых мероприятий.
7. Влияние технологии непрерывной разливки стали на окружающую среду
8. Охрана труда, вопросы безопасности жизнедеятельности и гражданской обороны.
8.1  Охрана труда при непрерывной разливки стали
8.1.1 Анализ вредных и опасных факторов на рабочих местах при использовании шлакообразующих смесей.
8.1.2 Мероприятия по улучшению условий труда
8.2  Безопасность жизнедеятельности и гражданская оборона
8.2.1 Анализ опасности сталеплавильного производства
8.2.2 Разработка мероприятий по предотвращению пожаров и взрывов
8.2.3 План ликвидации аварийной ситуации 
Выводы
Список использованных источников
Приложения























      Введение
      
      В современных условиях задачей всего сталеплавильного производства является повышения эффективности производства металлопродукции по всей цепочке в связи запросов рынка. Один из важнейших аспектов повышения эффективности непрерывной разливки стали является увеличение выхода годного и уменьшение заготовок с дефектами, появляющимися в конечной продукции.
      Применение шлакообразующих смесей (ШОС), для образования шлака на поверхности металла в кристаллизаторе при непрерывной разливки стали, стало одним из особо действенных направления повышения эффективности в последнее десятилетия.  Зарубежными и отечественными исследователями были изготовлены десятки смесей различного химического состава, в связи с этим начали появляться предприятия, занимающиеся производством шлакообразующих смесей. Разработка и создание новых составов смесей постоянно появляется как и в патентной, так и в научной литературе.
      Для разливки различных марок сталей на металлургических предприятиях постоянно возникает задача подбора наиболее эффективных ШОС. Создать или выбрать смесь, которая будет наиболее эффективной в требованиях конкретного металлургического предприятия смесь, в теории достаточно сложно. Вопрос выбора наиболее эффективных ШОС предприятиям приходится принимать решение самостоятельно и, в значительной степени, экспериментальным путем.
     Предприятия занимающиеся производством ШОС, изготавливают их как путем механического смешивания предварительно подготовленных компонентов со стабильными характеристиками, так и на основе плавленых флюсов. С этой целью им необходимо знать такие свойства ШОС как вязкость и температура плавления. Эти параметры могут определяться как с помощью измерений на соответствующих установках, так и расчетным путем.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
      1 Общие сведения о шлакообразующих смесях (ШОС) для кристаллизаторов МНЛЗ.

1.1 Основные технологические функции ШОС.

      Шлакообразующие смеси (ШОС), или разливочные смеси (часто используемое название за рубежом), на данный момент является незаменимой частью процесса непрерывной разливки и улучшения качества металлопродукции, из которой при дальнейшем переделе будут изготовлены стальные предметы и детали, без которых невозможно представить современный мир. Установлено, что шлакообразующие смеси являются неотъемлемой частью комплекса мероприятий по защите металла в процессе непрерывной разливки стали наряду с изоляцией струи металла, вытекающей из сталеразливочного ковша и попадающей в промежуточный ковш, и струи металла, поступающей в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) [1].
      Учитывая особенности современного представления об использовании шлакообразующих смесей для непрерывной разливки и способов ее изготовления можно дать определение шлакообразующей смеси – это порошок или гранулят, состоящий из одного или более компонентов. Они представляют собой синтетические и природные минералы, а также отходы металлургического производства и их продукты переработки, которые при расплавлении образовывают жидкий шлак, выполняющий функции по защите поверхности жидкого металла (зеркало металла) от тепловых потерь и окисления, ассимиляции неметаллических включений, улучшать процесс взаимодействия твердой корочки слитка и поверхности кристаллизатора.
      Долгое время распространение непрерывного литья заготовок широкого размерного и марочного сортамента в металлургическую практику ограничивало низким качеством поверхности непрерывно-литых заготовок. Это связано с использованием всевозможных защитных сред, таких как минеральные (нефтяные) и парафиновые масла, инертные газы, графитсодержащие материалы и их отходы, оказывающие негативное воздействие на качество поверхности слитков, загрязненность их неметаллическими включениями, науглероживание и наводороживание заготовок, условия труда, загрязненность воздушного и водного бассейнов. Важный перелом в обеспечении качества заготовок произошел в 1960-х годах с созданием так называемых шлакообразующих смесей, которые выполняют функции[2]:
     - защита стали от окисления;
    - поглощение (ассимиляция) неметаллических включений; 
    - обеспечение теплоизоляции поверхности жидкой стали; 
    - образование своего рода смазки.
      Работа смеси в кристаллизаторе хорошо представлена зарубежным исследователем К. Миллсом (рис. 1.1) [3]. Подача ШОС происходит на зеркало металла – верхнюю часть стального мениска в кристаллизаторе. Во время непрерывной разливки смесь образует трехфазную структуру: слой жидкого шлака, спеченный слой ипорошковый слой. Любая влага в смеси испаряется в верхнем слое, после чего при температуре близкой к 600°C начинают разлагаться карбонаты (СаСО3 и Na2CO3) с образованием оксидов кальция и натрия и CO2. Углерод с наличием кислорода в смеси выгорает с образованием газообразных оксидов СО и СО2 в интервале температур между 500 и 900°С. Именно в этом диапазоне минеральные частицы начинают спекаться. Затем твердый шлак начинает плавиться в диапазоне температур от 900 до 1100°С, после этого образуется шлаковый расплав с оставшимися частицами углерода, находящимися в расплаве. Этот шлаковый расплав крайне важен для процесса разливки, как правило, он должен иметь толщину не менее 10 мм для гарантирования удовлетворительной инфильтрации в зазор между кристаллизатором и поверхностью слитка. Шлаковый расплав при этом защищает стальной мениск от атмосферы и в тоже время предотвращает окисление стали и обеспечивает постоянный поток жидкого шлака для смазывания оболочки по всей длине кристаллизатора.
      
      Рисунок 1.1- Принципиальная схема работы ШОС, показывающая направления потока стали и разные фазы шлака, образованные в кристаллизаторе
      Когда жидкий шлак попадает в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностьюслитка, он частично затвердевает по направлению от стенки кристаллизатора с водяным охлаждением. Пленка шлака состоит из жидкого (около 0,1 мм) и твердого (толщиной около 1-2 мм) слоя. Эта шлаковая пленка выполняет решающую роль в процессе разливки, поскольку толщина жидкого слоя воздействует на качество смазки, подаваемой на оболочку слитка, а толщина твердого слоя регулирует передачу тепла от оболочки слитка [4].
      В последнее десятилетие использование ШОС для наведения защитного шлака в кристаллизаторе стало одним из наиболее эффективных направлений улучшения качества разливаемых непрерывно-литых заготовок. С продолжающимся ростом доли стали, разливаемой непрерывным способом, повышается и объем потребления шлакообразующей смеси.
      
      1.2 Основные свойства ШОС.

      Усовершенствование непрерывной разливки стали происходит в направлении постоянного усовершенствования и усложнения её технологии. Вместе с тем, ключевая роль зависит от использования смесей для защиты зеркала металла от охлаждения и окисления. Составы беспрерывно совершенствуются с учетом конструкции МНЛЗ, сортамента металла и других факторов. Чтобы  получить рабочие составы смесей, прежде всего, важно изучать теплофизические свойства ШОС и шлаков, образовывающихся при их расплавлении.
      	В работе[5] исследовали в наибольшей степени важные в технологическом отношении теплофизические свойства (вязкость, температуру ликвидуса, поверхностное натяжение и плотность) расплавов смесей и шлаков, образовывающихся при их попадании в кристаллизатор слябовой машины непрерывного литья и промежуточный ковш (ПК). Химический состав исследованных шлаков и шлакообразующих смесей приведен в таблице 1.1.
      По химическому составу шлаки и в кристаллизаторе, и в промежуточном ковше довольно сильно разнятся от начальных шлакообразующих смесей. Отличия вызваны, прежде всего, попаданием в шлак неметаллических включений из разливаемого металла[6]. Путем составления материального баланса процесса шлакообразования в кристаллизаторе было выявлено, что, в основном, в состав неметаллических включений входит  оксид алюминия (14,6%), кремния (26,9%) и оксид кальция (58,4%). Попадание в шлак тугоплавких  включений увеличивает его температуру ликвидуса.
Таблица 1.1 - Химический состав и температура ликвидуса (tл)
шлакообразующих смесей и шлаков
Объект
исследования
Содержание, масс. %
tл, °С

CaO
SiO2
Al2O3
MgO
Na2O
F
MnO
FeO

ШОС для ПК
32,3
33,4
13,5
4,9
3,0
1,0
0
1,2
1185
Шлак из ПК
31,4
23,6
21,9
8,6
0,4
1,3
3,7
0,9
1230
ШОС для кристаллизатора
32,2
28,06
6,8
1,2
6,0
5,3
3,9
1,6
985
Шлак из кристаллизатора
40,2
32,7
9,5
1,6
5,9
6,2
3,4
0,76
1150
      
      Поверхностное натяжение и плотность определяли методом неподвижной капли, а вязкость расплавов - вибрационным методом[7]. Заполученные температурные зависимости этих свойств расплавов показаны на рис. 1.2 и 1.3.
      Из рис. 1.2 видно, что качественно обусловленность вязкость всех четырех расплавов от температуры идентична. Все приведенные расплавы принадлежат к  «коротким» шлакам, их вязкость незначительно  поддается изменению при охлаждении в высокотемпературной области, но быстро повышается после охлаждения до определенной температуры. Сравнивая с данными таблицы 1.1  видно, что резкое увеличение вязкости (участки кривых, близкие к вертикали) начинается, когда охлаждение расплавов ниже температуры ликвидуса, т.е. зависит от начала их затвердевания.
      
      Рисунок. 1.2 - Температурные зависимости вязкости шлаков и шлакообразующих смесей
      Вязкость шлаков как кристаллизатора, так и промежуточного ковша больше вязкости шлакообразующих смесей, применяемых для их наведения. Из чего следует, что попадание в расплав ШОС неметаллических включений из разливаемого металла увеличивает не только температуру ликвидуса расплава, но и его вязкость.
      В высокотемпературной области (1200°С и более) вязкость расплавов обеих смесей и шлака из кристаллизатора отличаются незначительно, несмотря на сильное отличие в их химическом составе. Вязкость шлака из промежуточного ковша в несколько раз превышает вязкость расплава начальной смеси при той же температуре.
      Близость свойств сплавов шлака кристаллизатора и исходной шлакообразующей смеси и видимое различие их для промежуточного ковша заметно и в результатах исследования поверхностного натяжения и плотности (см. рис. 1.3). Видно, что шлак из кристаллизатора «наследует» свойства ШОС, а шлак из промежуточного ковша такую «способность» теряет.
      
      Рисунок 1.3 - Температурные зависимости плотности и поверхностного натяжения шлаков и ШОС (обозначения как на рис.1.2) 
      Причина такого эффекта, безусловно, состоит в поступлении различного количества неметаллических включений в расплавы ЩОС. В кристаллизаторе шлак непрерывно заменяется новым, вследствие его расхода на смазку слитка и периодической подачи новых порций шлакообразующих смесей. За то время, пока шлак находится в кристаллизаторе он успевает усвоить относительно небольшое количество неметаллических включений, что не оказывает большого влияния на свойства расплава.
      Шлак в промежуточном ковше находится на протяжении нескольких часов. За этот период он успевает ассимилировать существенную часть неметаллических включений, которые находились в разливаемой стали, и растворить в себе частицы огнеупорной футеровки. В конечном итоге химический состав шлака изменяется на столько, что значительно меняется его структура и его свойства. 
      Результаты исследований по измерению вязкости смесей служит объективным источником для извлечения информации о температуре начала появления кристаллической фазы в пленке шлака (температуре кристаллизации шлака, температуре «излома»).
      Температура начала появления кристаллической фазы играет важную роль в работе смеси в зазоре между слитком и стенкой кристаллизатора.  Данная температура при таких условиях разливки определяет как глубину попадания жидкого шлака в зазор между кристаллизатором и слитком, так и толщину жидкого слоя шлакообразующей смеси, а, следовательно, условия смазки слитка и теплопередачи от слитка к кристаллизатору.
      Температуру затвердевания можно определить по точке излома на кривой «логарифм динамической вязкости – обратная температура». Опыт показывает, что не все смеси могут иметь излом на указанной кривой. В таких смесях при охлаждении не образуется кристаллическая фаза, поэтому эти смеси выделяют при затвердевании стекловидную фазу. Данный факт используют при выборе состава смесей для разных условий разливки с целью регулировки теплового потока от слитка к кристаллизатору (чем больше наличие кристаллической фазы в пленке шлака, тем ниже тепловой поток от слитка к кристаллизатору). Важные эксплуатационные свойства ШОС характеризуются параметрами интервала плавления, в которую входит температура растекания, размягчения и плавления ШОС. Величины этих параметров влияют на толщину слоя жидкого шлака на зеркале металла в кристаллизаторе МНЛЗ.
      Температурой размягчения считают температурный интервал, в котором начинается изменение начальной твердой формы образца исследуемого материала (коробление, округление краев,  деформация и т.п.).
      Температура плавления это такое значение температуры, при котором образец принимает геометрическую форму капли или начинает смачивать подложку. Температурой растекания считают такую температуру, при которой капля полностью растекается по подложке.
1.3  Составы применяемых ШОС и их основные компоненты

      В основе почти всех известных ШОС лежит трехкомпонентная система СаO-SiO2-Al2O3, а именно ее низкотемпературные области (рис. 1.4). Эвтектические области диаграммы с отношением CaO/SiO2 = 0,9 - 1,2 могут быть основой для шлакового расплава, так как температура его затвердевания при увеличении содержания глинозема до 25-30 % изменяется незначительно [8]. Это одна из функциональных задач ШОС – сохранение заданных свойств шлакового расплава при ассимиляции неметаллических включений, в частности глинозема, так как в большинстве случаев при раскислении стали используют алюминий.
      
      Рисунок 1.4 - Трехкомпонентная система (концентрационный треугольник) 
      CaO-SiO2-Al2O3
      
      Помимо этого, должны быть созданы условия для перехода неметаллических включений через границу металл-шлак, при этом они должны остаться в шлаке на всем пути его движения вдоль стенки кристаллизатора. При этом имеют существенное значения такие параметры, как поверхностное натяжение и краевой угол смачивания.
      Для обеспечения необходимых свойств в смесь вводят присадки флюсующих добавок, содержащих CaF2, Na2O, K2O, MgO, B2O3, Li2O и углеродосодержащие компоненты в виде свободного углерода и карбонатов (табл.1.2). Углерод добавляют для регулирования скорости расплавления ШОС. Располагаясь между твердыми частицами и каплями расплава, свободный углерод создает своего рода инертный барьер. Помимо этого, углерод при сгорании образует восстановительную атмосферу (СО), часть несгоревшего углерода окрашивает шлак в темный цвет, оказывая влияние на теплопередачу шлаком через излучение.
      Таблица 1.2 – Диапазон содержания основных компонентов ШОС[9]
Функциональное предназначение
Химическое соединение
Содержание в ШОС, % (масс.)
Стеклообразующие оксиды
SiO2
Al2O3
B2O3
Fe2O3
17-56
0-13
0-19
0-6
Основные оксиды
CaO
MgO, BaO
22-45
0-10
Щелочные оксиды
Na2O
K2O
Li2O
0-25
0-5
0-2
Разжижители
F, MnO
2-15, 0-10
Регулятор скорости плавления
C
2-22
      
      В таблице 1.3 приведены основные исходные материалы, используемые для производства ШОС, и основные компоненты, содержащиеся в них.
      Таблица 1.3 – Исходные материалы для производства ШОС и их основные компоненты
Исходный материал
Основной компонент, входящий в материал
Волластонит, полевой шпат,сподумен, перлит, бой стекла, диатомит, зола, силикатная глыба
SiO2

Известь,волластонит, цемент, глины
CaO
Силикат натрия, фторосиликат натрия, нефелин, природное высоконатриевое стекло,сода.
Na2O

Криолит, флюорит, силикат натрия и пр.
F
Бура
B2O3
Кокс, графит 
C
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      2 Анализ применения ШОС для МНЛЗ в лабораторных и промышленных условиях.

      2.1 Применение ШОС при разливке углеродистых сталей.
      
   Анализируя известные данные, можно узнать, что существует определенный диапазон химического состава шлакообразующих смесей, которые будут обеспечивать требуемые технологические свойства для разливки блюмов, слябов и сортовых заготовок. На рисунке 2.1 показана «псевдо» тройная диаграмма, на которой показаны те шлакообразующие смеси, которые используются для разливки различных марок сталей [9-11].
    
   Рисунок  2.1– Диаграмма для выбора состава ШОС, при разливке различных марок сталей и сечений заготовки
      При этом координата «SiO2» включает в себя сумму x(SiO2)+ x(Al2O3); координата «CaO» включает сумму x(CaO) + x(MgO) + x(FeO+MnO), а координата «NaF» включает сумму x(Na2O) + x(F). Анализируя эти данные из диаграммы видно, что шлакообразующие смеси имеют достаточно узкую область.  В табл. 2.1 приведены свойства ШОС для МНЛЗ.
     Таблица 2.1 – Свойства ШОС, применяемых при разливке разных марок сталей на МНЛЗ.
Показатель
Сталь

С очень низким содержанием углерода
Низкоуглеродис
тая
Перитектическая
Среднеугле-родистая
Высоко-yглepoдистая
1
2
3
4
5
6
Содержание углерода. %
< 0.005
0,005-0.08
0,08-0.17
0,08-0,35
>0,35
Скорость разливки, м/мин
0,6-1,6
0.6-1,8
0,6-1.6
0,6-1,6
0,6-1,6
Типичные дефекты, связанные со смесями
Плены, науглерожи-вание, неметалли-ческие включения
Прорывы, плены
Продольные трещины
Продольные трещины
трещины
Требования к смесям:
содержание углерода. %
2 (макс.)
3,0-7,0
3,0-5,0
3,0-5,0
6,0-8.0



Продолжение таблицы 2.1
1
2
3
4
5
6
температура кристаллиза-ции шлака, °С
950-1050
1050-1100
1140-1220
1140-1220
950-1100
время расплавления при 1250°С, с
50
100-150
50-100
50-100
50-100
основность
0,9-1,2
0,7-0.9
1,0-1,3
1,0-1,3
0.7-1.0
вязкость при 1300°С, Па·с
1,4-3.0
0,8-1,2
1,2-2,2
1,2-2,2
0.8-1.2
насыпная масса, кг/л
0,5-0,6
0,6-0,8
0,6-0.8
0.6-0,8
0.5-0,6
     Стали с очень низким содержанием углерода (С< 0,005%).
     Низкое содержание углерода в стали связано с высокой температурой кристаллизации и с высоким содержанием кислорода и продуктов раскисления, т.е. кремнезема и глинозема. Оба фактора могут привести к захвату растущими кристаллами неметаллических включений. Для предотвращения этого следует: 
     - использовать экзотермические ШOC;
     - уменьшить теплопроводность шлакового гарнисажа за счёт повышения его основности и изменения вязкости;
     - увеличить теплоизоляцию ШОС за счет уменьшения её удельного веса.
     Также должно учитываться, что  разливки стали с низким содержанием углерода, требует низкого содержания углерода в смесях. Иначе, это приведет к науглероживание разливаемой стали. Источником углерода в шлакообразующих смесях является или графит или сажа. Возможна также замена углерода бором, который обладает подобным эффектом. Но, использование бора, возможно только тогда, когда сталь не содержит азота. Так как это может привести к выделению нитрида бора. 
     Стали с низким содержанием углерода (0.03< С> 0.08%).
     Стали с низким содержанием углерода обычно разливаются без особых трудностей. Так как разливка проходит с достаточно высокой скоростью, важно установить необходимую вязкость шлака. Известно, что для высоких скоростей разливки необходимо низкое значение вязкости и наоборот.
     Слишком высокая вязкость шлака приводит к тому, что между  оболочкой слитка и кристаллизатором не образуется шлаковый гарнисаж. В этом случаи, к стенкам кристаллизатора приваривается жидкая сталь. Возможно наличие прорывов. Важно, чтобы поглощение продуктов раскисления шлаком не привели к тому, что содержание глинозема в шлаке стало 10%. Такое содержание глинозема приводит к увеличению вязкости шлака. Понижение вязкости, а также пониженные температуры расплавления защитной смеси приводит к увеличению её расхода. 
     Стали с содержанием углерода 0,08-0,16% (перитектические стали).
     У таких марок стали склонность к трещинообразованию. Причиной данного дефекта является превращение ?-железа в ?-железо, при котором наблюдается большое уменьшение объема. Это приводит к образованию зазора между заготовкой и кристаллизатором, за счет которого уменьшается теплопередача. При снижении теплоотвода происходит нагривание затвердевшей оболочки и за счет ферростатического давления этот слой снова прижимается к стенке кристаллизатора.
     При подобной неравномерной теплопередачи происходит значительные термические напряжения. Для отливки бездефектных заготовок целесообразно применение смесей, которые будут обеспечивать заполнение зазора между кристаллизатором и заготовкой и равномерную, не очень быструю теплопередачу. Для этого необходима низкая вязкость шлака и кристаллическая структура его вместо стекловидной, что достигается основностью свыше 1. При кристаллическом затвердении шлака внутри него образуется множество микропор, являющихся причиной снижения теплопроводности.
     Уменьшение содержания свободного углерода в ШOC приводит к более высокой скорости ее расплавления и тем самым к проникновению жидкого шлака в зазоры между кристаллизатором и оболочкой слитка. 
     Стали с повышенным содержанием углерода (С>0.2%).
     В нагретом состоянии эти стали обладают малой прочностью. Их разливка проходит с пониженными скоростями и при пониженных температурах. Соответственно для предотвращения недостаточного расплавления смеси и приваривания стали к стенке кристаллизатора ШOC должны иметь низкие вязкости и температуры расплавления. Для обеспечения хорошей теплоизоляции они должны иметь низкую удельную плотность.
     
      2.2 Применение ШОС для разливки легированных сталей.
      
      Из практики непрерывной разливки стали известно большое количество составов смесей для кристаллизаторов, отличающихся по количеству и виду используемых исходных компонентов (природные материалы, отходы производства, искусственные материалы типа цемента и др.), химическому составу самих смесей, а также технологии их производства( наличие или отсутствие предварительной подготовке материалов – сушки, сплавления или спечения).
      Многообразие используемых смесей определяется различием в марочном и размерном сортаменте отливаемых заготовок, неизбежными различиями в технологии непрерывной разливки стали. По эти причинам для конкретных условий используются различные смеси, а при использовании для сходных условий известных смесей, как правило требуется их доработка.
      На слябовой МНЛЗ в мартеновском цехе ЗАО «Донецксталь» - МЗ» для разливки всего сортамента стали ранее применяли шлакообразующую смесь ТСК-К-30М, изготавливаемой по заводской технологии. Использование такой смеси позволяло получать слябы с поверхностью текущего производства. 
      В связи с прекращением поставок одного из составляющих компонентов смеси ТСК-К-30М возникла необходимость поиска альтернативных смесей.
      Началом поиска явилось опробование смеси ТСК-К-20(1), изготовленной по технологии ОАО «НПП «Техмет» [12]. По результатам опробования было установлено, что данная смесь имеет удовлетворительные характеристики поведения в кристаллизаторе,  однако качество поверхности слябов и листового проката уступало качеству металла отлитого с использованием серийно применяемой смеси ТСК-К-30.
      С учетом данных полученных в результате испытаний, компонентный состав смеси был скорректирован, а для его уточнения изготовления два лабораторных образца смеси ТСК-К-20(2) и ТСК-К-20(3), отличающиеся от друг от друга содержанием Na2O.
      На основании исследований вязкости шлаковых расплавов смеси ТСК-К-20(1,2,3) и серийно применяемой на заводе смеси ТСК-К-30М для проведения дальнейших испытаний был выбран вариант смеси ТСК-К-20(3). Такие смеси были использованы при разливки плавок текущего сортамента (всего 83 плавки, разлито примерно 12 тыс. тонн металла). Поведение смеси на зеркале металла отмечена как удовлетворительная, смесь не комковалась, равномерно распределялась по зеркалу металла, толщина жидкого шлака на зеркале металла составляла 3-5 мм. При опускании уровня металла образующийся по периметру кристаллизатора шлаковая корка самостоятельно опадала.
      При использовании смеси ТСК-К-20 (основность 1,1) для разливки низкоуглеродистой стали получен минимальный уровень большой зачистки листового проката, независимо от его толщины.
      
      Дополнительного расширения физико-химических свойств шлаков добиваются с помощью введения в него фторидов и окислов щелочноземельных металлов.
      Такие окислы, как Тi02, А1203, Сr203, лучше поглощаются шлаками, у которых содержание фтористых соединений больше. Также  известно, что таким шлакам характерна минимальная вязкость.
      Изучить влияние какого-либо компонента на свойства шлаков довольно затруднительно, так как, реальные шлаки, образованные из природных материалов, являются многокомпонентными системами. Наличие в шлаках таких компонентов, как закись железа, окись магния, окись марганца и других, которые попадают в шлак из шихтовых материалов, оказывает сильное влияние на их физические характеристики. Кроме того, минералогический состав применяемых материалов, в значительной степени,  оказывает влияние на физические характеристики шлаков.
      Поэтому, металлургические заводы стремились применять материалы в виде порошков и у которых окислы, входящие в состав, находятся  в минералогической связи (нефелин, портландцемент, криолит, плавиковый шпат, слюда, графит).
      При непрерывной разливки хромоникелевой стали с остаточным содержанием титана и алюминия, было установлено, что требованиям к шлаку по температуре и продолжительности плавления отвечают ШОС основностью 0,9-1,1 [13].
      С помощью подбора солевых добавок, эффективных флюсующих и крупностью компонентов шихты можно регулировать скорость плавления шлакообразующих смесей. 
      Влияние солевых добавок на скорость процесса связывают с разрушением и растворением солями окисной пленки восстановителя. С этой точки зрения по отношению к алюминию наиболее высокой активностью обладают фториды натрия,  кальция, алюминия [14].
      От физических свойств образующегося шлака зависит скорость плавления шлакообразующей смеси. Так, с понижением температуры плавления и вязкости шлака она повышается [15].
      Чем меньше вязкость шлака, тем легче шлак будет попадать в зазор между формирующейся коркой слитка и стеной кристаллизатора,  и тем быстрее будет происходить обновления шлака в кристаллизаторе, образовывая тонкий шлаковый гарниссаж. Очень жидкоподвижные и слишком вязкие шлаки имеют ряд отрицательных особенностей, поэтому вязкость шлаков всегда должна находиться в определенных пределах.
      Правильный подбор составов смеси должен обеспечивать легкоплавкий шлак, который жидкоподвижный в течение всей разливки. Также, правильный подбор состава обеспечит очищение металла от неметаллических включений и не будет загрязнять металл частицами самого шлака. 
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      


      
      3 Постановка задачи и цели исследований 

      3.1 Цель исследования 

      Целью работы является выбор оптимального .......................