technologia rafinacji ciekłego metalu za pomocą filtrów ceramicznych

technologia rafinacji ciekłego metalu za pomocą filtrów ceramicznych

Prace IMŻ 2 (2011)
7
Lech BULKOWSKI, Urszula GALISZ, Harald KANIA, Jerzy WIEDERMANN
Instytut Metalurgii Żelaza
Józef BARAŃSKI
Instytut Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych, Oddział Materiałów Ogniotrwałych w Gliwicach
Zdzisław KUDLIŃSKI, Jacek PIEPRZYCA, Janusz LIPIŃSKI
Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii
TECHNOLOGIA RAFINACJI CIEKŁEGO METALU
ZA POMOCĄ FILTRÓW CERAMICZNYCH
Przedstawiono wyniki szerokiego zakresu badań procesu filtracji ciekłej stali filtrami ceramicznymi, obejmującego
badania laboratoryjne, badania modelowe i przemysłowe w warunkach konwencjonalnego (do wlewnic) i ciągłego
odlewania stali. W badaniach stosowano filtry ceramiczne wielootworowe (sitkowe) wykonane z mulitu i korundu
o konstrukcji dostosowanej do rodzaju prowadzonego eksperymentu, których wybór uwzględniał warunki pracy filtrów. Ocenę skuteczności procesu filtrowania ciekłej stali w odniesieniu do stali niefiltrowanej, przeprowadzono na
podstawie badań chemicznych i metalograficznych stali, w oparciu o kryteria zmiany udziału powierzchniowego wtrąceń niemetalicznych, zmianę liczby wtrąceń i ich wymiaru oraz zmiany zawartości tlenu całkowitego w stali. Uzyskane wyniki badań świadczą o dużej skuteczności metody filtrowania ciekłej stali filtrami ceramicznymi i mogą stanowić
podstawę do opracowania nowej technologii rafinacji stali metodą filtracji.
Słowa kluczowe: odlewanie konwencjonalne, odlewanie ciągłe, filtrowanie stali, filtr ceramiczny, czystość stali,
obliczenia, badania modelowe
THE LIQUID STEEL REFINING TECHNOLOGY
BY CERAMIC FILTERS
The results of a wide range of liquid steel filtration process investigations by ceramic filters are presented. The investigations enclose laboratory mathematical and physical modeling and industrial scale experiments of conventional
ingots casting and continuous casting. The ceramic polyhole extruded filters, made of mullite and corundum were
used. The design of the filters was made with taking into account the type of the experiment. The ceramic material of
the filters was chosen taking into consideration the conditions of their work. The assessment of the filtration efficiency
in relation to nonfiltered steel was made based on chemical and metallographic investigation taking into account the
following criteria changes of surface share of nonmetallic inclusions, changes of nonmetallic inclusions quantity and
their dimensions, changes of total oxygen content. The achieved results showed high efficiency of the liquid steel filtration process by ceramic filters and that they can be a basis of the liquid steel refining technology.
Key words: conventional casting, continuous casting, steel filtration, ceramic filter, steel purity, calculations, model
investigations
1. WROWADZENIE
Od wielu lat rozwijana jest w świecie technologia
rafinacji ciekłej stali metodą filtracji za pomocą filtrów ceramicznych. Metoda ta jest szeroko stosowana w przemyśle przy rafinacji niektórych metali o niskiej temperaturze topnienia, szczególnie aluminium,
w procesie wytwarzania folii aluminiowej, jak również
w odlewnictwie.
W ostatnim czasie podejmowane są próby wprowadzenia tej technologii w metalurgii stali, jednak wymaga ona rozwiązania wielu problemów wynikających
ze szczególnych wymagań, które muszą spełniać filtry,
z powodu bardzo wysokich temperatur i dużej masy filtrowanej stali; wyjątkowo złożonymi są warunki pracy
filtrów przy ciągłym odlewaniu stali. Prace prowadzone w świecie, nad zastosowaniem filtrów w procesach
metalurgicznych są w stadium zaawansowanych badań eksperymentalnych i przemysłowych, a ich wyniki
wskazują na możliwość wprowadzenia metody filtracji
stali jako stałego elementu technologii jej wytwarzania; wymagają jednak kontynuacji badań i poszerzania
wiedzy w tym zakresie.
Do tej pory w kraju nie były stosowane tego typu
technologie i realizowany projekt miał charakter nowatorski.
Praca zbiorowa
8
2. ZAKRES BADAŃ
2.1. CELE PROJEKTOWANYCH BADAŃ
Celem pracy było przeprowadzenie badań nad nową
technologią rafinacji stali metodą filtracji z zastosowaniem filtrów ceramicznych.
Praca obejmowała szereg badań podstawowych oraz
technologicznych, zarówno w skali laboratoryjnej jak
i przemysłowej. Koncepcja badań procesu filtracji stali
zakładała przeprowadzenie prób laboratoryjnych w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach, w warunkach
odlewania stali z próżniowego pieca indukcyjnego oraz
prób przemysłowych w warunkach produkcyjnych,
a mianowicie w:
– Gonar – Stalownia Baildon Sp. z o.o. w Katowicach,
w której wykonano wytopy z filtrowaniem ciekłej stali podczas ciągłego odlewania, przez przegrody ceramiczne umieszczone w kadzi pośredniej,
– Magnesy Baildon Sp. z o.o. – Wydział Mikrostalowni
w Katowicach, gdzie filtrowanie ciekłej stali odbywało się w ceramicznej nadstawce z filtrem, umieszczonej nad wlewnicą, podczas odlewania konwencjonalnego (z góry).
Przystąpienie do prób przemysłowych filtrowania
w warunkach ciągłego odlewania stali, było poprzedzone badaniami modelowymi – symulującymi przepływ
ciekłej stali w kadzi pośredniej. Celem tych badań było
określenie optymalnej lokalizacji filtrów ceramicznych
w kadzi pośredniej, wraz z określeniem dokładnego
rozmieszczenia zapór, progów, ustaleniem ilości filtrów
w przegrodzie i wielkości oczek (kanalików filtracyjnych).
Przy wyborze materiału na filtry brano pod uwagę
przede wszystkim ekstremalne warunki pracy filtrów,
w tym: temperaturę odlewanej stali, obciążenia mechaniczne i występujący każdorazowo w czasie odlewania
szok termiczny.
Do prób filtracji stali wytypowano wielootworowe filtry kanalikowe (sitkowe), w których elementem „filtrującym” jest wewnętrzna powierzchnia kanalików filtra.
W mechanizmie procesu filtrowania ciekłej stali tym
sposobem, decydującą rolę odgrywa stan skupienia
wtrąceń niemetalicznych oraz zjawiska powierzchniowe kontaktujących się faz: ceramika filtra – wtrącenia
niemetaliczne – ciekła stal.
Jeżeli sposób rozmieszczenia filtrów i ustalenie ich
ilości można określić za pomocą symulacyjnych programów komputerowych, wykorzystujących modelowanie
matematyczne przepływu cieczy w kadzi pośredniej lub
za pomocą modelowania fizycznego na modelach wodnych, to największą trudność w prowadzeniu badań
stanowią czynniki praktyczne, które mogą wpływać na
efekt procesu filtrowania stali, w tym między innymi:
– dobór rodzaju materiału ceramicznego na filtry
i przegrody,
– czas i sposób wygrzewania przegrody z usytuowanymi w niej filtrami ceramicznymi, tak by nie występował szok termiczny materiałów ceramicznych,
– zapewnienie szczelności w układzie kadź główna –
kadź pośrednia, dla zapobiegnięcia wtórnego utlenienia stali.
– odpowiednie ustalenie kolejności czynności w trakcie
zalewania kadzi pośredniej, szczególnie w momencie
dodawania zasypki ocieplającej, tak by nie następowało zatykanie otworów filtrów,
Prace IMŻ 2 (2011)
– prowadzenie odlewania w taki sposób, żeby lustro
metalu w kadzi pośredniej było na stałym poziomie
– powyżej płaszczyzny rozmieszczenia otworów filtrów,
– zapewnienie odpowiedniego składu chemicznego kąpieli metalowej, jak również jej „wstępnej” czystości
metalurgicznej,
Koncepcję zabudowy filtrów w kadzi pośredniej,
opracowano w oparciu o geometryczny kształt wnętrza
kadzi pośredniej i techniczne możliwości ich usytuowania, uwzględniające rozkład palników grzewczych,
wielkość i kształt pokrywy oraz rozmieszczenie zatyczek. Przyjęto dwuwariantowe usytuowanie filtrów
w kadzi pośredniej:
• I WARIANT – zabudowanie filtra we wstępnej komorze kadzi pośredniej, do której wprowadzana jest
stal przez rurę osłonową z kadzi lejniczej (rys. 1 i 2).
Ze względu na dużą dynamikę przepływu i mieszania
stali w komorze wstępnej, pod rurą osłonową zabudowano TURBOSTOP, absorbujący strumień stali
wypływający z rury osłonowej.
• II WARIANT - umieszczenie jednego lub dwóch filtrów usytuowanych równolegle w stosunku do siebie
i ścian bocznych w korytowej części kadzi pośredniej
(rys. 1).
Koncepcja technologii wykonania prób na urządzeniu
COS z zamontowanymi filtrami ceramicznymi w kadzi
pośredniej, zakładała:
– wykonanie wytopu w piecu łukowym o masie wytopu
25 t wraz z obróbką pozapiecową i modyfikacją wtrąceń za pomocą drutu rdzeniowego CaSi,
– odlewanie sekwencji maksymalnie dwuwytopowej,
na urządzeniu COS, do krystalizatorów o największym przekroju (∅ 200 mm, lub kw. 160 mm).
Technikę filtracji stali odlewanej do wlewnicy typu
VB11 o pojemności 1,0 t, metodą „z góry”, prowadzono
w oparciu o doświadczenia nabyte podczas prób laboratoryjnych. Opracowana koncepcja zakładała filtrowanie stali przepływającej przez zbiornik (nadstawkę
ceramiczną) z zabudowanym w dolnej części filtrem
ceramicznym. Zestaw filtracyjny umiejscowiony był
na korpusie wlewnicy, z możliwością jego usunięcia po
zakończeniu odlewania, celem naprowadzenia zasypki
ocieplającej (rys. 3).
W oparciu o przeprowadzoną analizę jakościową
i własności różnych rodzajów materiałów ogniotrwałych, dostępnych na rynku, które mogą być stosowane
do wykonawstwa filtrów ceramicznych, a także analizę
warunków ich pracy w technologii filtracji stali, na wykonanie filtrów zarówno do kadzi pośredniej urządzenia COS jak i do odlewania stali z góry do wlewnicy,
wytypowano wysokiej jakości tworzywa ogniotrwałe,
w postaci niskocementowych betonów mulitowych i korundowych na wiązaniu wodnym.
Założono zaprojektowanie dwóch rodzajów filtrów do
kadzi pośredniej ciągłego odlewania stali oraz jeden rodzaj filtra do wlewnic do odlewania stali z góry.
Filtr (A) do kadzi pośredniej, stanowiący przegrodę
usytuowaną przed otworem wypływowym (wylewem)
stali z kadzi pośredniej.
Filtr (B) do kadzi pośredniej, stanowiący przegrodę
w kanale dopływowym stali do koryta kadzi pośredniej.
Do odlewania stali sposobem z góry, zaprojektowano
zbiornik ceramiczny z filtrem dennym, usytuowany na
wlewnicy.
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
9
– wyznaczenie maksymalnej liniowej szybkości wypływu stali ( jL ) z kadzi głównej określonej wzorem:
2g c Hm + HZo
jL = {
tZo
m/s
tS m
(1)
– wyznaczenie maksymalnego natężenia wypływu stali z kadzi głównej SC, określonej wzorem:
Rys. 1. Czołowy widok kadzi pośredniej z zabudowanymi
filtrami
Fig. 1. Front view of tundish with installed filters
SC = jL tS
rDW2
kg/s
4
– określenie minimalnej liczby otworów filtrujących
w filtrze typu (A).
Przyjęto, że przez filtr (A) umieszczony w korycie
kadzi pośredniej musi przepłynąć połowa masy stali
wpływającej do kadzi pośredniej w jednostce czasu,
wynikająca z natężenia wypływu stali z kadzi głównej. Na podstawie powyższego założenia, minimalną
liczbę otworów wyznaczono wzorem:
rd F
1S
szt.
= {F jLF tS nF
2 C
4
2
Rys. 2. Boczny widok kadzi pośredniej z zabudowanymi
filtrami wariantu I
Fig. 2. End view of tundish with installed filters in variant I
(2)
(3)
gdzie:
dF – średnica otworu filtra
{F – minimalna liczba otworów filtrujących
jLF – liniowa szybkość przepływu stali przez otwory
filtrujące filtra typu (A)
Na podstawie wzoru (3), nF dla filtra (A) będzie określono równaniem:
2SC
szt.
(4)
{F jLF tS rd F2
– określenie minimalnej liczby otworów filtrujących
w filtrze typu (B).
Przez filtr typu (B) będzie przepływać całkowita ilość
stali wypływającej z kadzi głównej, a wzór (4) będzie
miał postać:
nF =
n 'F =
4SC
szt.
' '
'
{F jLF tS rd F2
(4a)
– określenie powierzchni filtracyjnej PF wyznaczone
będzie wzorem:
2
PF = nF rdF gF m
Rys. 3. Zestaw filtracyjny do prób przemysłowych w Spółce
Magnesy Baildon
Fig. 3. Filtration set for industrial-scale experiments at
Magnesy Baildon Company
W celu zaprojektowania konstrukcji wielootworowych filtrów ceramicznych, przyjęto następującą metodykę obliczeń:
Dane do obliczeń:
Hm – wysokość słupa ciekłej stali w kadzi głównej,
1,3–1,5 m,
Hż – wysokość (grubość) warstwy żużla w kadzi głównej, max 0,1 m,
3
ρs – gęstość ciekłej stali, 6900 kg/m ,
3
ρż – gęstość żużla, 2800 kg/m ,
Dw – średnica otworu wypływowego w wylewie kadzi
głównej, 0,05 m,
dw – średnica otworu wypływowego w wylewach
kadzi pośredniej, 0,032 m,
ϕ – współczynnik oporu szybkości wypływu stali
wylewem z kadzi głównej, 0,90 [1],
2
g – przyśpieszenie ziemskie, m/s ,
(5)
gdzie: gF – grubość filtra, m
– wyznaczenie wskaźnika powierzchni filtracyjnej
przypadającej na jednostkę masy filtrowanej stali
wyniesie:
WF =
PF
MS
(6)
gdzie: MS – masa filtrowanej stali, t
Przedstawione powyżej równania mają również zastosowanie do zaprojektowania zbiornika ceramicznego
z filtrem dennym, przy odlewaniu stali do wlewnicy.
2.2. BADANIA MODELOWE I SYMULACYJNE
ORAZ WIZUALIZACJA PRZEPŁYWU STALI
W KADZI POŚREDNIEJ URZĄDZENIA COS
Celem badań było porównanie hydrodynamicznych
warunków przepływu cieczy modelowej przez kadź
pośrednią wyposażoną w tradycyjne tamy i przegrody
przelewowe, z warunkami przepływu przy zastosowaniu w ich miejscu filtrów wielootworowych.
Model fizyczny kadzi pośredniej wykonano w oparciu
o analizę konstrukcji rzeczywistego urządzenia COS
pracującego w Stalowni Baildon Gonar-Bis. Sp. z o.o
(rys. 4). Metodą podobieństwa skali, w oparciu o liczbę
10
Prace IMŻ 2 (2011)
Praca zbiorowa
kryterialną Froude’a określono parametry przepływu
cieczy modelowej przez model urządzenia COS.
1 – zbiornik cieczy modelowej,
2 – zbiornik cieczy modelowej z znacznikiem (KMnO4),
3 – model kadzi pośredniej,
4 – model filtra wielootworowego typu „tama”
Rys. 4. Widok hydraulicznego modelu fizycznego urządzenia COS
Fig. 4. View of physical hydraulic model of continuous
casting machine
Modele filtrów wykonano w dwóch wariantach: jako
przegrodę – usytuowaną w korytowej części kadzi pośredniej, przed otworami wypływowymi (wylewami)wariant I oraz jako tamę – usytuowaną pomiędzy częścią wlewową kadzi pośredniej, a jej częścią korytową
(wariant II).
Badania modelowe wraz z wizualizacją przepływu
stali przez kadź pośrednią urządzenia COS z uwzględnieniem wariantowej zabudowy kadzi obejmowały badania fizyczne na zbudowanym modelu wodnym kadzi
pośredniej oraz symulacje numeryczne. Przykładowe
wyniki wizualizacji ilustrują rys. 5 i 6.
Innym aspektem prowadzenia badań na modelu fizycznym urządzenia COS była weryfikacja uzyskanych
rezultatów metodami modelowania numerycznego.
W pracy korzystano z kodu obliczeniowego Fluent.
W rezultacie obliczeń otrzymano przestrzenne rozkłady wektorów prędkości i pól dynamicznej energii
turbulencji (k) dla zadanych warunków w stanie ustalonym (rys. 7). Analiza wyników badań pozwoliła na
sformułowanie następujących wniosków:
– umieszczenie w przestrzeni roboczej kadzi pośredniej
filtrów, powoduje spodziewane zmniejszenie kinetyki przepływu przez kadź pośrednią cieczy modelowej.
Spowodowane jest to oporami przepływu występującymi w otworach filtracyjnych,
– wpływ filtrów na charakter przepływu jest znaczący;
wpływa korzystnie na strukturę ruchu medium powodując ujednorodnienie charakteru przepływu w strefie
korytowej,
– zastosowanie filtrów nie stanowi niebezpieczeństwa
dla procesu i nie powoduje konieczności wprowadzania
istotnych zmian w systemie sterowania procesem,
– wpływ na strukturę przepływu cieczy modelowej,
a tym samym kształtowanie się zakresu strefy przejściowej czy możliwości usuwania wtrąceń niemetalicznych ma umiejscowienie filtra w przestrzeni roboczej kadzi oraz jego geometria,
– w przypadku usytuowania filtra jako przegrody w korytowej strefie kadzi pośredniej, uzyskuje się równomierny tłokowy przepływ za filtrem, a regulując rozmieszczenie otworów filtracyjnych można uzyskać
pełne wykorzystanie przestrzeni roboczej kadzi.
2.3. DOBÓR TWORZYW OGNIOTRWAŁYCH
ORAZ KONSTRUKCJI FILTRÓW
CERAMICZNYCH DO BADAŃ PROCESU
FILTROWANIA STALI
Jednym z elementów technologii filtracji był dobór
materiałów ogniotrwałych oraz opracowanie konstrukcji filtrów ceramicznych do rafinacji stali. Wymagania
materiałowe filtrów ceramicznych pracujących przy odlewaniu stali zarówno z góry do wlewnic jak i w procesie COS, muszą spełniać następujące warunki:
– wytrzymywać termiczne i mechaniczne obciążenia
występujące w czasie zalewania filtra płynną stalą,
a)
b)
c)
d)
Rys. 5. Wyniki badań wizualizacji przepływu w modelu kadzi pośredniej z filtrem – tamą w czasie: a) po 1 s; b) po 40 s; c) po
70 s; d) po 120 s
Fig. 5. Results of flow visualisation tests in tundish model with filter – dam: a) after 1 s; b) after 40 s; c) after 70 s; d) after
120 s
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
a)
b)
c)
d)
11
Rys. 6. Wyniki badań wizualizacji przepływu w modelu kadzi pośredniej z filtrem - tamą (widok od ściany bocznej) w czasie:
a) po 1 s; b) po 9 s; c) po 21 s; d) po 50 s
Fig. 6. Results of flow visualisation tests in tundish model with filter – dam (view from the side wall): a) after 1s; b) after 9 s
c) after 21 s; d) after 50 s
a)
b)
c)
d)
Rys. 7. Rozkład wektorów prędkości medium na płaszczyźnie X dla kadzi: a) bez zabudowy, b) tama niska, c) przegroda - filtr,
d) tama – filtr
Fig. 7. Distribution of medium velocity vectors on plane X for tundish with: a) no development, b) low dam, c) medium – filter,
d) dam – filter
Prace IMŻ 2 (2011)
Praca zbiorowa
12
w pory ceramiki filtra. Zjawisko to powinno sprzyjać
skuteczności filtrowania ciekłej stali z ciekłych wtrąceń
niemetalicznych, ale może również, w określonych warunkach termicznych, być przyczyną destrukcji filtra.
Konstrukcja filtrów ceramicznych, ilość i wielkość
kanałów filtrujących zastosowana do przemysłowych
prób filtracji stali, została opracowana w oparciu o zdobyte doświadczenia w warunkach laboratoryjnych, jak
również o doświadczenia uzyskane w wyniku przeprowadzonych badań modelowych oraz prób symulacyjnych i obliczeń przepływu cieczy przez kanałowe filtry
ceramiczne.
W próbach filtracji zastosowano filtry kanałowe o parametrach podanych w tablicy 1.
Doświadczalne stanowiska układów filtrujących
w warunkach przemysłowych wykonano i zaprojektowano tak, żeby nie powodować utrudnień w normalnym
cyklu produkcyjnym zakładów hutniczych, w których
były wykonane przemysłowe próby filtrowania stali.
a więc charakteryzować się ogniotrwałością pod obciążeniem ok. 1650oC oraz wytrzymałością na ściskanie min. 60 MPa,
– być odporne na korozję powodowaną działaniem stali
(w procesie COS, również żużlem) oraz na erozję wywoływaną masą stali, działającą na filtr,
– usuwać efektywnie niepożądane wtrącenia niemetaliczne, nie stawiając jednocześnie nadmiernego oporu dla przepływu ciekłej stali,
– charakteryzować się dużą odpornością na pełzanie,
a więc zachowywać stałość wymiarów przez cały
okres eksploatacji,
– charakteryzować się dużą odpornością na nagłe
zmiany temperatury.
Przy wyborze materiału na filtry brano pod uwagę
przede wszystkim ekstremalne warunki pracy filtrów,
w tym: temperaturę odlewanej stali, obciążenia mechaniczne i występujące w czasie odlewania szoki termiczne. Do badań wytypowano ceramiczne filtry kanałowe,
do wykonawstwa których zalecono tworzywa ogniotrwałe o wysokich parametrach termomechanicznych,
tj.
– niskocementowy beton mulitowy (3Al2O3·2SiO2),
w gat. BN-160, o zawartości 72 % Al2O3, o uziarnieniu 0÷5 mm,
– niskocementowy beton korundowy, w gat. BN-160,
o zawartości 90% Al2O3, o uziarnieniu 0÷3 mm.
– Materiały te charakteryzują się bardzo wysokimi parametrami jakościowymi, w tym stałością objętości
w całym szerokim temperaturowym zakresie ich stosowania oraz dużą odpornością na szoki termiczne.
Dla potwierdzenia właściwego doboru ceramiki do
budowy filtrów, przeprowadzono również badania zwilżalności różnych tworzyw ceramicznych przez wtrącenia niemetaliczne występujące w stali, które dotyczyły:
– pomiarów kątów zwilżania materiałów ceramicznych
(Al2O3, MgO, korundu i mulitu) przez wybrane ciekłe
wtrącenia niemetaliczne,
– określenia „siły” reakcji ciekłych wtrąceń niemetalicznych z zwilżaną ceramiką za pomocą mikroanalizy granicy podziału i obszaru przygranicznego.
Badania zwilżalności dwóch rodzajów tworzyw ceramicznych (korundu i mulitu), przeznaczonych do budowy wielootworowych filtrów ceramicznych wykazały
dużą i porównywalną podatność do zwilżania przez ciekłe wtrącenia niemetaliczne z grupy krzemianów. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej struktury granic podziału wtrącenie niemetaliczne – tworzywo ceramiczne
filtra wykazały, że zaadsorbowane na powierzchnię
filtra ciekłe wtrącenie niemetaliczne będzie wnikać
2.4. BADANIA LABORATORYJNE PROCESU
FILTROWANIA STALI
W badaniach laboratoryjnych, filtrowanie odbywało
się w warunkach próżniowego pieca indukcyjnego VSG
50 – o pojemności 25 kg, w którym w czasie odlewania
stal przepływała przez filtr ceramiczny zabudowany
w nadstawce wlewnicowej.
W badaniach stosowano filtry kanalikowe o średnicach otworów (kanalików) 4, 6 i 8 mm. Materiał filtrów
stanowiły tworzywa ceramiczne korundowe i mulitowe.
Filtrowaniu poddano stal średniowęglową, niestopową, wytopioną w piecu indukcyjnym, o zróżnicowanej
technologii odtleniania, różnymi zestawami odtleniaczy (Al, Mn i Si).
Przed odlewaniem filtry podgrzewano w piecu grzewczym, a temperatura ich „zalewania” wynosiła 635 ÷
o
815 C. Odlewanie prowadzono z taką szybkością, aby
uzyskać całkowite „zalanie” filtra, tj. aby ciekła stal pokrywała całą powierzchnię filtra w nadstawce.
Nadstawkę z zabudowanym filtrem o średnicy kanalików 4 mm, przygotowaną do wytopu przedstawiono
na rys. 8, a stanowisko badawcze procesu filtrowania
– na rys. 9.
Dla oceny efektywności procesu filtrowania przeprowadzono badania chemiczne i metalograficzne stali na
próbkach wyciętych z korpusu wlewka – z części przefiltrowanej oraz z części nadlewu odpowiadającej stali
nieprzefiltrowanej, zakrzepniętej ponad filtrem.
Tablica 1. Parametry filtrów stosowanych w próbach laboratoryjnych i przemysłowych
Table 1. Parameters of filters used in laboratory and industrial-scale experiments
Miejsce
wykonania badan
Rodzaj
filtrów
Grubość
filtrów
mm
Korund
Mulit
30
W procesie ciągłego
odlewania
Korund
Mulit
80
w procesie odlewania z
„góry” do wlewnicy
Korund
Mulit
50
Badania laboratoryjne
Średnica
kanalików filtra
mm
Liczba
kanalików
Powierzchnia
filtracyjna
cm2
4
91
34306
6
87
49197
8
63
47878
25
30
1884
25
28
1758
12
22
415
15
18
424
Masa
filtrowanej stali
kg
25
23000
1000
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
13
Udział powierzchniowy wtrąceń w stali przefiltrowanej w stosunku do stali przed filtracją, w poszczególnych wytopach uległ obniżeniu o 48÷50%, natomiast
ilość wtrąceń zmniejszyła się o ok. 38%, z równoczesnym zmniejszeniem wielkości wtrąceń, pozostających
w stali. Zmniejszyła się również zawartość tlenu całkowitego, do 58%.
Przeprowadzone badania powierzchni styku metalu
z materiałem ceramicznym filtra, wykazały obecność
zagęszczonej „warstwy” wtrąceń, układających się
w postaci pasma w pobliżu kanalików z materiału ceramicznego filtra, co pokazano na rys. 11.
a)
Rys. 8. Nadstawka z zabudowanym filtrem
Fig. 8. Top with installed filter
b)
Rys. 9. Stanowisko próżniowego pieca indukcyjnego do
prowadzenia prób filtracji
Fig. 9. Vacuum induction furnace station for filtration
tests
Badaniom poddano także powierzchnię styku metalu z materiałem ceramicznym filtra. Sposób wycinania
próbek do badań pokazano na rys. 10.
Przeprowadzone badania ilościowe wtrąceń niemetalicznych, jak również mikroanaliza wybranych, typowych wtrąceń, wykazały, że dobry efekt filtracji można
uzyskać zarówno przy zastosowaniu filtrów mulitowych jak i korundowych.
c)
Rys. 11. Wtrącenia niemetaliczne w próbce stali niefiltrowanej (a), przefiltrowanej przez filtr korundowy (b) oraz
w stali zakrzepniętej w kanaliku filtra, w pobliżu granicy
metal – materiał ceramiczny (c)
Rys. 10. Miejsce wycięcia próbki z głowy wlewka – z filtra
zalanego stalą, do badań metalograficznych
Fig. 10. Point of cutting out the sample from ingot top – filter poured with steel, for metallographic tests
Fig. 11. Non-metallic inclusions in sample of unfiltered steel (a), steel filtered through corundum filter (b), and steel
solidified in filter channel, nearby the metal – ceramic material interphase boundary (c)
14
Praca zbiorowa
Przeprowadzone laboratoryjne próby filtracji stali
wykazały, że technologia ta może znaleźć zastosowanie
do rafinacji stali w tym procesie.
2.5. PRZEMYSŁOWE PRÓBY FILTRACJI STALI
2.5.1. Próby filtracji stali w kadzi pośredniej
urządzenia COS w Gonar – Stalownia Baildon
Przemysłowe próby filtracji stali w procesie ciągłego
odlewania, w kadzi pośredniej urządzenia COS wykonano w linii technologicznej, obejmującej: piec łukowy
o pojemności nominalnej 23 t, piecokadź, urządzenie
VAD oraz urządzenie COS do odlewania wlewków ciągłych o przekrojach: † 200 mm, 100×100 mm, 160×160
mm, 100×240 mm. Do badań procesu filtracji wytypowano stale objęte programem produkcyjnym stalowni,
w gatunkach R 35, P265GH i C35 Esel. Wytopy odtleniano podczas spustu, wprowadzając na strumień stali
odtleniacze w postaci: Al, FeSi, SiC i FeSiMn. Przed
przekazaniem stali do ciągłego odlewania, ciekłą stal
obrabiano wapniem wprowadzanym z drutem rdzeniowym z CaSi.
Do procesu filtracji opracowano konstrukcję filtrów
w postaci przegród montowanych w kadzi pośredniej
urządzenia COS. W technologii filtracji przyjęto wariantowe usytuowanie filtrów w kadzi pośredniej,
z których korzystniejszym okazał się wariant II zabudowy filtra, we wstępnej komorze kadzi pośredniej,
do której wprowadzana jest stal z kadzi lejniczej i ten
wariant przyjęto do prowadzenia dalszych prób filtracji
(rys. 12).
Prace IMŻ 2 (2011)
We wszystkich sekwencjach badawczych, po zakończeniu odlewania, nie stwierdzono ubytków tworzywa
ogniotrwałego przegród, w tym również w obszarze
kanałów filtracyjnych, co świadczy o dużej odporności
zastosowanego materiału ogniotrwałego, na erozyjne
i korozyjne oddziaływanie płynnej stali i żużla kadziowego.
Widok kadzi pośredniej z przegrodą filtracyjną,
w trakcie odlewania przedstawia rys. 13.
Rys. 13. Widok kadzi pośredniej z przegrodą filtracyjną, w
czasie odlewania
Fig. 13. View of tundish with filtration medium, while casting
Na rys. 14 przedstawiono widok kadzi pośredniej po
procesie odlewania, z pozostałością metalu i żużla, sięgającą do około połowy wysokości zabudowanej w niej
przegrody filtracyjnej. W części przegrody – nad skrzepem, widoczne są kanały filtracyjne o niezmienionej
średnicy, tzn. że nie uległy one zarośnięciu ani wypłukaniu przez stal w czasie procesu odlewania.
Zastosowanie przegrody filtracyjnej w kadzi pośredniej nie utrudniało wprowadzania termopar do pomiaru temperatury, jak również lanc do pobierania próbek
ciekłej stali w czasie procesu odlewania.
Rys. 12. Przegroda filtracyjna z turbo stopem, zabudowana
we wstępnej komorze kadzi pośredniej. Wariant II
Fig. 12. Filter medium with turbo alloy, installed in the initial tundish chamber. Variant II
W obydwu wariantach kadzie pośrednie z zabudowanymi filtrami nagrzewano palnikami gazowymi do
temperatury kadzi pośredniej około 1100°C, natomiast
po przetransportowaniu kadzi na stanowisko odlewania temperatura filtrów spadła do poziomu 980°C.
W warunkach przemysłowych, przeprowadzono 4 próby filtracji w czasie odlewania sekwencji 1, 2 oraz 3-wytopowej, z zastosowaniem filtrów o parametrach podanych w tablicy 1. W przeprowadzonych
próbach przebieg procesu odlewania był prawidłowy,
przy swobodnym przepływie stali przez kanały filtracyjne i utrzymywaniu właściwego, stałego poziom ciekłej stali w kadzi pośredniej. We wszystkich wytopach
badawczych zaobserwowano stabilną pracę zatyczek,
świadczącą o braku zarastania wylewów zanurzeniowych kadzi pośredniej wtrąceniami niemetalicznymi.
Rys. 14. Kadź pośrednia z przegrodą filtracyjną po procesie
odlewania
Fig. 14. Tundish with filtration medium, after casting
Ocena jakości metalurgicznej stali poddanej filtracji
Dla określenia skuteczności procesu filtrowania,
przeprowadzono badania czystości metalurgicznej stali poddanej procesowi filtracji, jak również stali niefiltrowanej.
Próbki do badań chemicznych i metalograficznych
pobierano z tarcz wycinanych z wlewków ciągłych,
odpowiadającym początkowi i końcowi odlewanego
pasma, z każdego wytopu w sekwencji, w miejscu odpowiadającemu części brzegowej oraz środkowej, od
strony mniejszego i większego łuku pasma. Badaniom
poddano również gotowe wyroby, odwalcowane z wlewków poddanych filtracji.
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
Analizę ilościową wtrąceń niemetalicznych, wykonano przy użyciu systemu analizy obrazu LUCIA G v.
4.82+ i mikroskopu Nicon Epiphot 200.
Przy użyciu analizatora obrazu wyznaczono:
– udział powierzchniowy wtrąceń,
– liczbę wtrąceń,
– średnią średnicę równoważną wtrąceń,
– średnią średnicę minimalną i maksymalną wtrąceń,
– współczynnik kształtu wtrąceń.
Badania morfologii i składu chemicznego wtrąceń
przy powiększeniach do ok. 3000 × wykonano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Philips
XL 30 wyposażonego w mikroanalizator z detektorem
EDS.
Przeprowadzone badania ilościowe wtrąceń niemetalicznych, wykazały wysoką czystość wszystkich badanych wytopów, co wynikało między innymi z faktu,
że wytopy przed odlewaniem były poddane próżniowej
obróbce pozapiecowej w urządzeniu VAD, jak również
obróbce wapniem, celem przeprowadzenia modyfikacji
wtrąceń niemetalicznych.
W wyniku procesu filtracji nastąpiła dalsza poprawa
czystości metalurgicznej stali, wyrażona zmniejszeniem
udziału powierzchniowego wtrąceń, oraz ich ilości, co
uwidoczniło się w badaniach próbek ciekłej stali pobranych z kadzi pośredniej z obszaru nieobjętego filtracjąprzed przegrodą filtracyjną oraz za przegrodą – stali
przefiltrowanej. W wytopach stali poddanych filtracji,
z zastosowaniem obydwu rodzajów filtrów, uzyskano
porównywalne obniżenie udziału powierzchniowego
wtrąceń w stali, wynoszące 43÷53%.
Porównywalne było również obniżenie liczby wtrąceń
niemetalicznych w stali przefiltrowanej, w stosunku do
stali przed filtracją wynoszące średnio ok. 50%.
1
15
W wytopach stali poddanych filtracji, równocześnie
ze zmniejszeniem liczby wtrąceń, zaobserwowano występowanie wtrąceń o większych wymiarach, wyrażonych większymi wartościami średnicy równoważnej,
maksymalnej i minimalnej. Miało to miejsce szczególnie w wytopie odlanym jako 3. w sekwencji z zastosowaniem filtra korundowego.
Poprawa czystości stali po filtracji, znalazła odzwierciedlenie w obniżeniu zawartości tlenu całkowitego
i w obniżeniu zawartości glinu całkowitego oraz glinu
związanego, wyrażonego różnicą pomiędzy glinem całkowitym a glinem metalicznym.
Zawartość tlenu całkowitego we wlewkach stali przefiltrowanej była średnio o 22% niższa niż we wlewkach
stali niefiltrowanej.
Wykonana mikroanaliza wtrąceń niemetalicznych we
wlewkach stali filtrowanej z wytopów doświadczalnych
wykazała obecność głównie wtrąceń kompleksowych
typu glinianów wapnia, lub glinokrzemianów wapnia.
Nie występowały natomiast w stali czyste wtrącenia
tlenku glinu. Obserwowane w stali wtrącenia, stanowią produkty odtleniania stali glinem i krzemem połączonego z modyfikacją wtrąceń wapniem.
Na rys. 15 pokazano przykładowe wtrącenia niemetaliczne charakterystyczne dla badanych próbek przefiltrowanej stali oraz widma EDS obrazujące skład chemiczny wtrąceń.
Oprócz badań czystości stali poddanej filtracji, przeprowadzono również badania mikroskopowe filtra, który pozostał w kadzi pośredniej po odlaniu sekwencji.
Badaniom poddano filtr korundowy, zastosowany przy
odlewaniu sekwencji 3-wytopowej.
Badania powierzchni wewnętrznej kanałów filtracyjnych, w miejscu styku z przepływającą stalą, wykazały
2
2_1
Rys. 15. Wtrącenia niemetaliczne w próbce z wytopu stali przefiltrowanej (1 i 2) i widmo EDS z cząstki zaznaczonej na mikrofotografii (2_1)
Fig. 15. Non-metallic inclusions in sample from filtered steel cast (1 and 2) and EDS spectrum from the particle marked on
microphotograph (2_1)
16
Prace IMŻ 2 (2011)
Praca zbiorowa
w warstwie przypowierzchniowej materiału ceramicznego, obecność cząstek o odmiennym składzie niż materiał z którego wykonany był filtr. Z przeprowadzonych
badań morfologii i składu chemicznego tych cząstek
wynika, że są to skupiska wtrąceń niemetalicznych
o złożonej budowie i zróżnicowanym składzie chemicznym. Przykładowe obrazy mikroskopowe obserwowanych skupisk (aglomeratów) wtrąceń niemetalicznych
pokazano na rys. 16.
Mikroanaliza przykładowego, pojedynczego wtrącenia „wyłonionego” ze skupiska pokazanego obrazach
1–2 na rys. 16, wykazała, że jest to wtrącenie złożone
o składzie Al-Mn-Fe-O, z niewielkim udziałem: Ca, Si,
Mg. Wtrącenie to osadzone było na materiale korundowym, który stanowił czysty tlenek glinu, co widać na
obrazie 4, (rys. 16, ozn. 4_1).
Obecność skupisk cząstek niemetalicznych w przypowierzchniowej warstwie materiału filtra i wykonana
mikroanaliza tych cząstek, wskazują, że w czasie przepływu stali przez przegrodę ceramiczną, następowało
łączenie się wtrąceń obecnych w stali, w duże aglomeraty i zatrzymywanie ich na powierzchni filtracyjnej
przegrody. Efektem tego procesu było uzyskanie wyższej czystości odlewanej stali, wyrażonej zmniejszeniem udziału powierzchniowego oraz ilości wtrąceń we
wlewkach ciągłych.
Zaobserwowany większy udział wtrąceń niemetalicznych o większych rozmiarach, przy mniejszej ogólnej
ilości wtrąceń w stali po filtracji, może być spowodowany mechanizmem procesu filtracji przez filtry kanalikowe, w którym decydują zjawiska powierzchniowe
kontaktujących się faz: materiał ceramiczny filtra –
wtrącenia niemetaliczne – ciekła stal.
Stałe wtrącenia, typu Al2O3 nie wchodzą w reakcję
z materiałem filtra; są zatrzymywane na zasadzie adsorpcji. Natomiast w przypadku wtrąceń ciekłych, np.
krzemianów wapniowo-glinowych czy manganowych
proces wychwytywania, a następnie zatrzymywania
wtrąceń, jest silnie uzależnione od zwilżalności materiału.
Zarówno stałe jak i ciekłe wtrącenia mogą być po
pewnym czasie uwalniane z filtra, a sposób uwolnień
większych aglomeratów wtrąceń ciekłych jest całkowicie inny niż dla wtrąceń stałych. Ciekłe wtrącenia
podczas wychwytywania deformują się, zlepiają w skupiska, tzw. „klastry”, a gdy osiągną dostatecznie duże
rozmiary mogą zaistnieć warunki sprzyjające ich uwolnieniu, jeżeli działające siły hydrodynamiczne przewyższają napięcie powierzchniowe.
W przypadku wtrąceń stałych następuje również
tworzenie się aglomeratów, zwanych spiekami. Mogą
one albo zatkać filtr albo uwolnić się, zależnie od warunków filtracji. Uwolnione duże aglomeraty łatwo jednak wypływają do żużla na drodze flotacji.
W przeprowadzonych próbach filtracji ciekłej stali
nie zaobserwowano wpływu rodzaju materiału filtra na
skuteczność procesu filtracji.
2.5.3. Próby filtracji stali odlewanej metodą
konwencjonalną do wlewnic z góry, w
Mikrostalowni – Magnesy Baildon Sp. z o.o.
Wytopy wykonano w otwartym piecu indukcyjnym
o pojemności 1,5 tony, firmy Siemens, o wyłożeniu zasadowym. Technologia wytapiania, zgodna z zaleceniami
technologicznymi zawartymi w Karcie Technologicznej
Gatunku (KTG).
1
2
4_1
4_2
Rys. 16. Wtrącenia niemetaliczne na powierzchni filtra po procesie filtracji i widmo EDS z cząstek zaznaczonych na mikrofotografii (4). Filtr korundowy
Fig. 16. Non-metallic inclusions on filter surface after filtration process and EDS spectrum from particles marked on microphotograph (4). Corundum filter
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
Do prób filtracji wytypowano gatunki stali, objęte programem produkcyjnym stalowni. Należą do nich stale
nisko i średniostopowe, w gatunkach: 18H2N4MA,
52SiCrNi5, 26H2MF, 3H17M i 20HN3A. Wytopy odtleniano w piecu oraz w kadzi podczas spustu, przy
użyciu FeSi, FeMn oraz Al. Wytop stali w gatunku
18H2N4MA z Ti, odtleniano dodatkowo w kadzi przy
użyciu CaSi.
Technikę i technologię filtracji stali odlewanej do
wlewnicy typu VB11, o masie wlewka około 1 tony,
opracowano w oparciu o doświadczenia nabyte podczas
prób filtrowania w warunkach laboratoryjnych w IMŻ.
Zestaw do odlewania stali stanowił równocześnie zestaw filtracyjny, w skład którego wchodziła: wlewnica
z umieszczoną nad nią nadstawką ceramiczną (zbiornikiem), w której zabudowany był filtr ceramiczny.
Zestaw filtracyjny przed zamontowaniem na wlwnicy, nagrzewano palnikami, przez około 90 minut, do
temperatury powierzchni filtra wynoszącej 600–800oC.
Po nagrzaniu, zestaw filtrujący umieszczano na podtrzymującej konstrukcji, usytuowanej na korpusie
wlewnicy. Na rys. 17 przedstawiono widok zestawu odlewniczo-filtrującego w trakcie odlewania.
17
Po procesie filtracji, kanały filtrujące nie były wypełnione stalą i nie stwierdzono ich ubytków ani deformacji, co świadczy o prawidłowym doborze materiałów
ogniotrwałych na wykonanie filtrów i zestawu filtracyjnego (rys. 18).
Rys. 18. Nadstawka z filtrem po zakończonym procesie odlewania
Fig. 18. Top with filter after completed casting process
Rys. 17. Widok zestawu odlewniczo-filtrującego w czasie
odlewania
Fig. 17. View of casting and filtration assembly while
casting
Ogółem w Mikrostalowni Baildon wykonano 7 wytopów doświadczalnych z przeprowadzeniem prób filtracji stali w trakcie odlewania stali z góry do wlewnicy,
z zastosowaniem filtrów o parametrach podanych w tablicy 1.
W przeprowadzonych próbach filtracji stali odlewanej z góry do wlewnicy, proces odlewania przebiegał
bez zakłóceń, a przepływ stali przez pionowe kanały
filtrujące miał charakter swobodny. W czasie odlewania następowało całkowite „zalanie” filtra, tj. ciekła
stal pokrywała całą powierzchnię filtra ceramicznego
w nadstawce. Po zakończeniu odlewania, zdejmowano
zestaw filtracyjny z korpusu wlewnicy i zasypywano
głowę wlewka zasypką izolacyjną.
Ocena jakości metalurgicznej stali poddanej filtracji
Badania czystości metalurgicznej stali wykazały,
że najlepszy skutek filtracji uzyskano w wytopach
odlewanych przez filtr mulitowy. W wytopach tych
w stali przefiltrowanej nastąpiło zmniejszenie udziału
powierzchniowego wtrąceń o 24÷33%, ilości wtrąceń
o 5÷13%, jak również wielkości wtrąceń, wyrażonej
zmniejszeniem średnicy równoważnej, średnicy minimalnej oraz w największym stopniu średnicy maksymalnej – o 34÷36%, w stosunku do stali niefiltrowanej.
Poprawa czystości stali w tych wytopach, znalazła
odzwierciedlenie w obniżeniu zawartości tlenu, które
maksymalnie wyniosło 75% w stosunku do wartości
początkowej.
Przeprowadzenie próby trzykrotnego zastosowania
tego samego filtra do rafinacji stali, dało skutek negatywny. W trzecim wytopie odlanym z użyciem tego
samego filtra nastąpiło bardzo wyraźne pogorszenie
czystości stali po przejściu przez filtr.
Na rys. 19 przedstawiono przykładowe wtrącenia
niemetaliczne oraz widma EDS obrazujące skład chemiczny wtrąceń w badanych próbkach stali niefiltrowanej i po filtracji z zastosowaniem filtra mulitowego. We
wszystkich badanych próbkach stwierdzono głównie
obecność złożonych wtrąceń tlenkowych, zawierających
glin, tytan, mangan, krzem, chrom i sporadycznie siarkę. Występowały też oddzielnie wtrącenia tlenku glinu
i siarczku manganu. Obecność tytanu we wtrąceniach
wynikała z użycia tytanu do odtleniania tego wytopu.
Oprócz badań czystości stali poddanej filtracji, przeprowadzono również badania mikroskopowe filtra, który pozostał w kadzi pośredniej po odlaniu sekwencji.
Badaniom poddano filtr korundowy, zastosowany przy
odlewaniu sekwencji 3-wytopowej.
Badania powierzchni wewnętrznej kanałów filtracyjnych, w miejscu styku z przepływającą stalą, wykazały
w warstwie przypowierzchniowej materiału ceramicz-
18
Prace IMŻ 2 (2011)
Praca zbiorowa
nego, obecność cząstek o odmiennym składzie niż materiał z którego wykonany był filtr (rys. 20).
Na obrazach, widać obecność bardzo dużych aglomeratów wtrąceń „przyklejonych” do warstwy przy-
powierzchniowej filtra. Mikroanaliza pojedynczych
wtrąceń wybranych ze skupisk, wykazała obecność
kilku faz różniących się składem. Wtrącenia tego typu
stanowią produkty odtleniania w procesie wytapiania
1
2
2_1
2_2
3
4
4_3
4_4
Rys. 19. Wtrącenia niemetaliczne w próbce stali niefiltrowanej oraz stali przefiltrowanej przez filtr mulitowy i widma EDS z
cząstek zaznaczonych na mikrofotografiach
Fig. 19. Non-metallic inclusions in sample of non-filtered steel and steel filtered through mullite filter, and EDS spectra from
particles marked on microphotographs
Prace IMŻ 2 (2011)
Technologia rafinacji ciekłego metalu...
3_1
3_2
3_3
3_2_1
3_2_2
3_2_3
19
Rys. 20. Wtrącenia niemetaliczne na powierzchni filtra po procesie filtracji i widmo EDS z cząstek zaznaczonych na mikrofotografii. Filtr mulitowy
Fig. 20. Non-metallic inclusions on filter surface after filtration process and EDS spectrum from particles marked on microphotograph. Mullite filter
stali. W obserwowanych wtrąceniach „osadzonych” na
powierzchni badanych filtrów, nie stwierdzono obecności siarki, co świadczy o tym, że wtrącenia siarczkowe
nie są asymilowane przez filtr i pozostają w stali. Potwierdzone to zostało w badaniach jakościowych wtrąceń występujących w stali po filtracji.
Przedstawione obrazy cząstek niemetalicznych, obecnych w przypowierzchniowej warstwie materiału filtra
i wykonana mikroanaliza tych cząstek, wskazują, że
w czasie przepływu stali przez filtr ceramiczny, następowało łączenie się wtrąceń niemetalicznych obecnych
w stali – stanowiących kompleksowe produkty odtleniania ciekłej stali, w duże aglomeraty i zatrzymywanie
ich na powierzchni filtracyjnej. Efektem tego procesu
było uzyskanie wyższej czystości odlewanej stali, wyrażonej zmniejszeniem udziału powierzchniowego oraz
ilości wtrąceń we wlewkach. Obecność większej ilości
wtrąceń o większych wymiarach we wlewku odlanym
jako trzeci z użyciem tego samego filtra, mogła być spowodowana sporadycznym uwalnianiem się osadzonych
wcześniej (z poprzednich wytopów) dużych aglomeratów wtrąceń z powierzchni filtra i przedostawaniem się
ich do odlewanego wlewka.
3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
• Próby filtracji stali w kadzi pośredniej urządzenia
COS, z zastosowaniem filtrów mulitowych i korundowych przebiegały bez zakłóceń. Przebieg procesu
odlewania był prawidłowy, przy swobodnym przepływie stali przez kanały filtracyjne i utrzymywaniu
właściwego, stałego poziomu ciekłej stali w kadzi pośredniej. Stwierdzono stabilną pracę zatyczek świadczącą o braku zarastania wylewów wtrąceniami niemetalicznymi. Po zakończeniu odlewania sekwencji,
20
•
•
•
•
Praca zbiorowa
nie stwierdzono ubytków tworzywa ogniotrwałego
przegród, w tym również w obszarze kanałów filtracyjnych, co świadczy o dużej odporności zastosowanego materiału ogniotrwałego w postaci mulitu i korundu, na erozyjne i korozyjne oddziaływanie płynnej
stali i żużla kadziowego.
Dokonana ocena jakościowa stali poddanej procesowi
filtracji w kadzi pośredniej urządzenia COS wykazała, że w wyniku filtracji nastąpiła poprawa czystości
metalurgicznej stali, wyrażona zmniejszeniem udziału powierzchniowego wtrąceń oraz ich ilości, jak również zmniejszeniem zawartości tlenu całkowitego
w stali. Obniżenie udziału powierzchniowego i ilości
wtrąceń w stali filtrowanej w stosunku do stali niefiltrowanej uzyskano na poziomie 50%. Skuteczność
filtracji była porównywalna z zastosowaniem obydwu rodzajów filtrów, tj. filtra mulitowego i korundowego.
W przemysłowych próbach filtracji stali w warunkach
Mikrostalowni w Zakładzie Magnesy Baildon Sp.
z o.o., stwierdzono dobrą odporność tworzywa ogniotrwałego filtrów ceramicznych, jak również zbiornika ceramicznego przyjmującego stal z kadzi odlewniczej, w którym zabudowano filtr. Filtr wykazał
odporność na erozyjne i korozyjne działanie płynnej
stali. Kanały filtrujące nie były wypełnione stalą i nie
stwierdzono ich ubytków ani deformacji, co świadczy
o prawidłowym doborze materiałów ogniotrwałych
na wykonanie zestawu filtracyjnego, w procesie odlewania stali do wlewnicy, z góry. We wszystkich
próbach filtracji proces odlewania przebiegał bez zakłóceń, a przepływ stali przez kanały filtrujące miał
charakter swobodny.
W przeprowadzonych próbach filtracji stali w trakcie odlewania konwencjonalnego z góry do wlewnicy,
najlepszy skutek filtracji w zakresie poprawy czystości metalurgicznej stali uzyskano w wytopach filtrowanych przez filtr mulitowy.
W wytopach tych, w stali przefiltrowanej w stosunku do stali niefiltrowanej, maksymalne zmniejszenie
udziału powierzchniowego wtrąceń wynosiło 33%,
a liczba wtrąceń zmniejszyła się o 13%; nastąpiło
również zmniejszenie wielkości wtrąceń, wyrażone
zmniejszeniem średnicy równoważnej, średnicy minimalnej oraz w największym stopniu średnicy maksymalnej, wynoszące 36%.
Prace IMŻ 2 (2011)
• Poprawa czystości stali z wytopów przefiltrowanych
przez filtr mulitowy znalazła odzwierciedlenie w obniżeniu zawartości tlenu, które maksymalnie wyniosło 75% w stosunku do wartości początkowej, jak
również w zmniejszeniu zawartości glinu związanego, charakteryzującego ilość wtrąceń tlenkowo-glinowych w stali .
• Przeprowadzenie próby trzykrotnego zastosowania
tego samego filtra do rafinacji stali, dało skutek negatywny. W trzecim wytopie odlanym z użyciem tego
samego filtra nastąpiło bardzo wyraźne pogorszenie
czystości stali po przejściu przez filtr.
• Badania mikroskopowe filtrów, które pozostały po
odlaniu wytopów, na powierzchni wewnętrznej kanałów filtracyjnych, w miejscu styku z przepływającą stalą, wykazały w warstwie przypowierzchniowej
materiału ceramicznego, obecność skupisk wtrąceń
niemetalicznych o złożonej budowie i zróżnicowanym składzie chemicznym. Wykonana mikroanaliza
tych skupisk wskazuje, że w czasie przepływu stali przez filtr ceramiczny, następowało łączenie się
wtrąceń niemetalicznych obecnych w stali – stanowiących kompleksowe produkty odtleniania ciekłej
stali, w duże aglomeraty i zatrzymywanie ich na powierzchni roboczej filtra. Efektem tego procesu było
uzyskanie wyższej czystości odlewanej stali.
• Na podstawie przeprowadzonych prób przemysłowych oraz otrzymanych wyników badań, można
stwierdzić, że opracowane technologie rafinacji stali
z zastosowaniem ceramicznych przegród filtracyjnych w kadzi pośredniej urządzenia COS, jak również przy konwencjonalnym odlewaniu stali do wlewnicy z góry, umożliwiają uzyskanie lepszej czystości
odlewanej stali poddanej procesowi filtracji.
• Technologie te mogą być adaptowane dla innych stalowni, po uprzednim przeprowadzeniu badań weryfikacyjnych, uwzględniających lokalne warunki techniczno-technologiczne oraz ruchowe danej stalowni.
Praca została zrealizowana w ramach projektu rozwojowego nr R07 019 03 wspomaganego ze
środków KBN.
Recenzent: prof. dr hab. inż. Kazimierz Mamro