Актуальность работы. В условиях развивающихся в России рыночных отношений перед производителями сталелитейной продукции остро стоит задача повышения конкурентоспособности продукции — улучшения качества стального литья, снижения доли технологических потерь и снижения себестоимости готовой продукции. Одним из путей решения данной задачи является совершенствование технологии выплавки сталей и, в частности, технологии раскисления. От эффективности раскисления напрямую зависят конечные свойства стали.
В основном в сталелитейном производстве конечное раскисление стали осуществляют алюминием, который имеет высокую раскислительную способность, но при различных остаточных концентрациях в стали может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на ее свойства. Поэтому очень важно обеспечить стабильность процесса раскисления, высокую степень усвоения алюминия и оптимальное его остаточное содержание в стали.
Раскисление стали металлическим алюминием связано с высоким угаром и нестабильностью его усвоения. Это обусловлено низкой плотностью алюминия (2700 кг/м3), которая более чем в 2 раза ниже плотности жидкой стали и ниже плотности шлака. Это затрудняет прогнозирование и стабильное получение остаточного содержания алюминия в стали в наиболее оптимальном интервале 0,03 — 0,05%.
В настоящее время для повышения степени усвоения алюминия в промышленности применяют различные методы: утяжеление алюминия балластным грузом, принудительное погружение — ввод на штанге или путем прикрепления к стопору ковша, введение в расплав в виде би и три-металлических заготовок, использование ферроалюминиевого сплава или скрап-алюминиевой композитной чушки, путем выстреливания алюминиевых пуль или высокоскоростного ввода в расплав алюминиевой проволоки.
Утяжеление алюминия балластным грузом, принудительное его погружение или использование би и три-металлических заготовок несколько повышают степень его усвоения, однако незначительно. Это в первую очередь обусловлено формированием в расплаве больших капель жидкого алюминия, которые быстро всплывают. Степень усвоения алюминия в жидкой стали существенно повышается при использовании железоалюминиевого сплава и скрап-алюминиевой композитной чушки. Однако их использование не всегда является экономически оправданным ввиду их высокой стоимости. Применение методов введения в расплав проволоки или пуль также позволяет достигнуть высокой степени усвоения алюминия, однако требуют использования дополнительного оборудования и в сталелитейном производстве, ввиду относительно малых объемов производства, они не используются.
Исходя их вышесказанного, весьма актуальным является разработка высокотехнологичного и экономичного способа раскисления жидкой стали алюминием для сталелитейного производства, который обеспечил бы стабильность процесса раскисления, высокую степень усвоения алюминия и возможность получения его остаточного содержания в стали в оптимальных пределах.
В свете изложенного весьма перспективным представляется применение в качестве раскислителя жидкой стали литого железоалюминиевого композита, состоящего из алюминиевой матрицы и частиц из сплавов на основе железа в качестве армирующего компонента.
Цель работы: Разработка литого железоалюминиевого композита для применения в качестве алюминий содержащего раскислителя жидкой стали, исследование его структуры и свойств, а также эффективности использования при раскислении литейных сталей.
Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:
1. Разработать железоалюминиевый литой композит, применимый для раскисления жидкой стали.
2. Разработать технологию получения железоалюминиевого композита методом жидкофазного совмещения матричного и армирующего компонентов.
3. Исследовать структуру и свойства железоалюминиевого композита, а также особенности его взаимодействия с жидкой сталью.
4. Провести опытно-промышленные испытания железоалюминиевого композита и оценить эффективность его применения в сталелитейном производстве.
Научная новизна. 1. Установлен эффект физического совмещения жидкого алюминия с неочищенной стальной или чугунной дробью при струйно-почастичной ее подаче в ненагретом состоянии на поверхность расплава в условиях непрерывного замешивания. Предложена гипотеза, согласно которой переход от несмачивания к смачиванию жидким алюминием поверхности дроби обусловлен параллельно-последовательным протеканием многих процессов — локальным затвердеванием алюминия вокруг частиц дроби с образованием намороженной корки, быстрым прогревом поверхности дроби за счет теплоты кристаллизации, выделением водорода из затвердевшего слоя вследствие изменения растворимости при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое, частичным восстановлением выделяющимся водородом оксидной пленки на поверхности дроби и нарушения ее сплошности, смачиванием жидким алюминием (после оплавления затвердевшей корки) участков поверхности дроби с нарушенной сплошностью оксидной плены, подпленочным растеканием жидкого алюминия на поверхности дроби и смывом оксидной пленки.
2. Установлены закономерности формирования переходного слоя в пограничной зоне алюминиевой матрицы и армирующего компонента (дроби): экстремальная зависимость от температуры с максимумом при 840 -880 °С и квадратичная зависимость от продолжительности совмещения компонентов. Определены эффективные значения коэффициента диффузии и энергии активации этого процесса при образовании и растворении интерметалл и дного переходного слоя на границе контакта матричного и армирующего компонентов в процессе их жидкофазного совмещения.
3. Предложены представления об особенностях гидродинамического, теплофизического и массообменного взаимодействия при обработке железоалюминиевым композитом жидкой стали в ковше в сравнении с металлическим алюминием, заключающиеся в: большем заглублении траектории витания фрагментов композита в объеме расплава вследствие более высокой его начальной плотности и постепенного ее повышения по мере усвоения алюминия жидкой стальюведущей роли теплоты окисления алюминия при малых расходах композита и возрастанием захолаживающей роли дроби по мере увеличения расхода композита, вследствие чего калориметрическое изменение температуры стали при раскислении ее железоалюминиевым композитом имеет экстремальную зависимостьпротекании, наряду с процессом растворения алюминия в жидкой стали, также процесса расплавления-растворения в ней дроби, вследствие чего возможно изменение состава стали, главным образом незначительное повышение содержания углерода.
Практическая значимость. 1. Предложен литой железоалюминиевый композит для ввода алюминия в жидкую сталь, содержащий алюминий или его сплавы в качестве матричного компонента и стальную или чугунную дробь в качестве армирующего компонента. Применение его обеспечивает повышение степени усвоения алюминия в два раза, надежное получение остаточного содержания алюминия в требуемом интервале концентраций, более стабильные и высокие показатели механических свойств литой стали.
2. Разработан состав литого железоалюминиевого композита, который при расходе матричного компонента 28 — 34% обеспечивает получение приемлемого сочетания противоречивых требований по содержанию алюминия, плотности, заполняемости литейной формы и технологичности приготовления.
3. Разработана технология приготовления железоалюминиевого композита методом жидкофазного совмещения компонентов, основанная на струйно-почастичной подаче ненагретой стальной или чугунной дроби на поверхность алюминиевого расплава при ее непрерывном замешивании и обеспечивающая полноту физического совмещения компонентов при наличии оксидной пленки на поверхности дроби.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на: Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2000 г.) — Второй международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2002 г.) — V Съезд литейщиков (г. Москва, 2001 г.), VI Съезд литейщиков России (г. Екатеринбург, 2003 г.) — Международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат — основа энергосберегающих технологий XXI века" — научных семинарах кафедры «Технологии литейных процессов» МГИСиС (2000 — 2003).
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.
