Флотация и фильтрация неметаллических включений

Инженерные решения последних лет позволили добиться заметных ус­пехов в решении важнейшей для каче­ства стали проблемы рафинирования от неметаллических включений. Про­блема рафинирования металла от включений традиционно решалась пу­тем рациональной организации про­цессов, связанных с образованием включений (раскисление, десульфура-ция), и процессов, обеспечивающих абсорбцию образующихся включений шлаком. Широкое внедрение методов продувки металла инертным газом по­зволило организовать флотацию вклю­чений (см. разд. 13.2).

Метод фильтрации включений вна­чале получил распространение при производстве отливок ответственного назначения из высоколегированных сталей, особенно в случаях, когда сталь обрабатывается высокоактивны­ми реагентами. Так, например, при использовании фильтров из гранул-окатышей СеО₂, размещенных в раз­ливочной воронке, была повышена ударная вязкость при —50 º С стали 20Л, обработанной РЗМ, на 30-50 %. Использование керамических фильт­ров (зачастую совместно с продувкой аргоном) позволило решать такие проблемы в комплексе с одновременным использованием фильтрации. В то время как при. флотации легче и быстрее удаляются более крупные (или легкоукрупняющиеся) включе­ния, метод фильтрации оказывается очень эффективным для удаления мелких включений, которые с трудом отделяются в процессе флотации.

В настоящее время комплексное использование методов флотации и фильтрации включений постепенно становится повсеместной практикой.

Газовые пузыри, проходящие через ванну, при продувке металла инерт­ным газом способствуют флотации включений. Поверхностное натяже­ние _вкл._газ меньше адгезии включения к металлу _м._вкл. В результате того что _{вкл-газ} < _м__вкл, включение будет «при­липать» к пузырю газа и уноситься с ним в шлак. Приходится учитывать, однако, что эффективность флотации включений путем газовой «промывки» через дно промежуточного ковша бы­вает невысока ввиду слияния пузырей в непрерывную струю и соответствен­ного уменьшения поверхности кон­такта газ—металл. В то же время чрез­вычайно интенсивное перемешивание может вызвать разобщение, разруше­ние образовавшихся ранее скоплений, конгломератов включений и тем са­мым ухудшить процесс их удаления. При чрезмерно интенсивном переме­шивании ванны в металл могут «затя­гиваться» частички шлака; при этом содержание включений не уменьшает­ся, а увеличивается. Кроме того, мо­жет иметь место ускорение процесса эрозии огнеупоров; соответственно возрастает содержание в металле так­же и экзогенных включений. На прак­тике для каждого конкретного случая существует оптимальная интенсив­ность перемешивания, при которой обеспечивается всплывание включе­ний. В этих случаях эффективность флотации проявляется очень четко. Так, например, применение вращаю­щейся фурмы для подачи инертного газа в металл в промежуточном ковше создает более равномерное распреде­ление по объему ванны очень мелких пузырей, которые эффективно удаля­ют включения (рис. 20.1). Путем срав­нения результатов, полученных при обычной продувке снизу и при ис-

Рис. 20.1. Схема вращающейся фурмы для создания микропузырей, усиливающих отде­ление включений:

1 — двигатель; 2 — фурма; 3— привод; 4— вращаю­щееся соединение; 5 —пористая пробка

пользовании вращающейся фурмы, при обработке низкоуглеродистой раскисленной стали было установле­но, что количество включений разме­ром <50 мкм при использовании вра­щающейся фурмы было значительно снижено. Это проявилось также в су­щественном уменьшении количества внутренних и поверхностных дефек­тов. Помимо отмеченного важно орга­низовать технологию так, чтобы всплывающее включение в момент со­прикосновения со шлаком успело им ассимилироваться прежде, чем нисхо­дящие потоки металла увлекут его опять вниз. Скорость «захватывания» шлаком включения зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак—включе­ние о_ш__вкл. Чем меньше эта величина, т. е. чем лучше смачиваемость включе­ния шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Та­ким образом, чем больше ст_м._вкл, тем легче включение отделяется от метал­ла и чем меньше величина а_ш__вкл, тем легче включение ассимилируется шла­ком. Скорость удаления включений из металла в шлак зависит также от пло­щади поверхности контакта (отноше­ния поверхности шлак—металл к массе металла), степени перемешивания ванны, физических свойств шлака и др. В случае же фильтрации металла от неметаллических включений жид­кий металл контактирует с твердыми поверхностями керамических перего­родок, фильтров и т. п. Условия выде­ления включений из металла при этом

327 существенно изменяются. Если при гомогенном зарождении новой фазы радиусом г увеличение свободной энергии определяется как Д(?'= S'a = = 4лго_вкл__м (где S'— поверхность раз­дела металл—включение), то при за­рождении включений на готовой по­верхности

&q_ue=S'a + S'<j =

⁼ " °"м-вкл + " \°"пов-вкл ~~ °"пов-м )>

где У—площадь раздела металл—включе­ние; S" — площадь готовой поверхности, т. е. подложки, на которой выделяется включе­ние; о-_м._вкл, о_пов._вкл и а_пов._м — межфазные на­тяжения на границе металл—включение, включение-готовая поверхность и металл-готовая поверхность.

Межфазное натяжение а_пов._м на границе металла с готовой поверхнос­тью обычно выше межфазного натя­жения сг_пов__вкл на границе включения с готовой поверхностью (обычно оксид­ной ЧаСТИЦеЙ), Т.е. О_ПОв-вкл < 0-_пов.„,

поэтому выражение 5"{а_пов._вкл - а_ПОв-м) отрицательно, и в целом ДСп_ОВ < ДС", т. е. при прочих равных условиях об­разование зародышей на готовой по­верхности энергетически более веро­ятно. Чем меньше угол смачивания 0 (рис. 20.2), тем благоприятнее условия для выделения новой фазы, тем мень­ше пересыщения требуется. На это за­мечание следует обратить внимание. Смысл его состоит в следующем. При гомогенном зарождении велика роль межфазного натяжения а_м._вкл, поэто­му преимущественно выделяются включения, хорошо смачиваемые ме­таллом (типа FeO, MnO). В случае ге-

Рис. 20.2. Схема выделения зародыша крити­ческого радиуса на готовой поверхности (а) и в объеме расплава (б)

терогенного зарождения (при наличии готовых поверхностей) преимуще­ственно могут выделяться вещества, имеющие небольшие значения меж­фазного натяжения (капиллярно-ак­тивные) на границе с данной готовой поверхностью, веще­ства, имеющие более близкое ориен-тационное соответствие к имеющейся подложке (например, А1₂О₃).

Считается, что концентрация взве­си в жидкой стали может составлять 10⁶ — 10⁸ частиц/см³. Чем меньше сте­пень пересыщения, тем выше роль го­товых поверхностей.

Таким образом, флотация и фильт­рация включений при обработке ме­талла в промежуточном ковше опреде­ляются рядом одновременно действу­ющих факторов: 1) размерами включе­ний, их составом (и температурой плавления) и плотностью; 2) способ­ностью включений к укрупнению; 3) межфазным натяжением на грани­цах металл—включение и шлак—вклю­чение; 4) интенсивностью перемеши­вания ванны и характером движения металла; 5) физическими характерис­тиками металла и шлака (состав, тем­пература, вязкость); 6) физическими характеристиками и составом контак­тирующей с перемешиваемым метал­лом твердой поверхности футеровки ковша, перегородок, фильтровальных отверстий и т. д.

Руководствуясь общими соображе­ниями, в каждом конкретном случае на практике определяют рациональ­ные способы снижения содержания включений, а также перевода включе­ний в такое состояние, при котором их вредное влияние на свойства метал­ла было бы минимальным.

Расширение масштабов использо­вания методов флотации и 'фильтра­ции стали происходило параллельно расширению масштабов непрерывной разливки стали. В начале 80-х годов минувшего века при строительстве но­вых и реконструкции действующих УНРС все в большей мере стали вне­дрять новые методы внепечной обра­ботки стали. В промежуточных ков­шах повсеместно начинают устанавли­вать перегородки, обеспечивающие лучшее рафинирование металла от не­металлических включений.

Исследованиями установлено, что содержание неметаллических включе­ний в металле уменьшается, если сталь разливать через промежуточный ковш с перегородкой, и включений остается еще меньше, если использовать про­межуточный ковш с двумя перегород­ками. Исследования механических свойств готового проката показали аналогичное распределение результа­тов в зависимости от числа перегоро­док в промежуточном ковше. Полу­ченные сведения о влиянии конструк­ции и вместимости промежуточного ковша на качество готовой стали при­вели к существенным изменениям на производстве.

В качестве примера можно привес­ти конструкцию промежуточного ков­ша на одном из японских заводов. В ковше установили достигающие дна перфорированные перегородки из ог-неупора, содержащего 65 % А1₂О₃. Подбором оптимального числа и раз­меров отверстий в перегородках уда­лось ускорить всплытие неметалли­ческих включений. Над удлиненным сталеразливочным стаканом в проме­жуточном ковше устанавливают дос­тигающую дна трубу с отверстиями, предназначенную для улавливания включений А1₂О₃ и предотвращения зарастания стакана. На другом заводе в промежуточном ковше был оборудо­ван ряд перегородок, часть которых имела сквозные горизонтальные кана­лы. На участке промежуточного ковша под зоной подачи металла из разли­вочного ковша были оборудованы по­ристые пробки для продувки металла аргоном снизу. Сверху промежуточ­ный ковш закрывали крышкой с тща­тельным уплотнением всех соедине­ний. Металл из разливочного ковша подавали через удлиненный стакан с аргоновым уплотнением. В результате не только не происходило обычно на­блюдаемого увеличения содержания азота в металле, но и, напротив, был обнаружен эффект деазотирования.

В связи с расширяющейся практи­кой использования для рафинирова­ния металла в промежуточных ковшах УНРС различных устройств для филь­трации включений возникла проблема определения основных требований к материалу фильтров и их классифика-

Рис. 20.3. Основные типы организации фло­тационных процессов (/-/Я) для рафиниро­вания стали от включений

ции. В частности, фильтрационные процессы в промежуточных ковшах предлагается разделить на три типа (рис. 20.3):

I — метод «сита» — экранирование или фильтрация фильтрующим мате­риалом (механически задерживаются крупные частицы). Такой тип фильт­рации очень эффективен в случае, если необходимо удалить из металла крупные включения;

II— метод «пирога» — фильтрация с образованием на поверхности филь­тра твердого осадка («пирога»)¹. При этом типе на входной поверхности фильтра оседают твердые частицы, и в дальнейшем фильтрация осуществля­ется через слой ранее осажденных час­тиц. По мере протекания процесса фильтрации слой становится толще, и для поддержания постоянного расхода жидкости необходимо увеличивать металлостатическое давление;

///— глубинная фильтрация, или фильтрация в толще фильтра. Этот способ обеспечивает задержку частиц очень малого размера, меньшего, чем отверстия пор фильтра. В этом случае должны быть реализованы механиз­мы, обеспечивающие транспортиров­ку частиц к поверхности фильтра и закрепление их на фильтрующей по­верхности. При этом следует иметь в виду, что частицы неметаллических включений могут быть как в твердом, так и в жидком состоянии, поэтому тип фильтра /// является предпочти­тельным. В связи с этим материалы, используемые для изготовления фильтров, должны: 1) противостоять термическим и механическим напря­жениям, возникающим до и в про­цессе фильтрации; 2) не разрушаться при взаимодействии металл—шлак-фильтр в процессе разливки; 3) эф­фективно удалять нежелательные включения и одновременно не пред­ставлять избыточного сопротивления для потока жидкого металла; 4) не ох­лаждать жидкую сталь. В общем слу­чае процесс складывается из двух ста­дий: первоначальный поток металла частично затвердевает при контакте с фильтром, а затем этот затвердевший металл снова расплавляется при про­хождении следующих порций жидко­го металла.

'В гидрометаллургии такой осадок назы­вают кеком (от англ, cake — затвердевать).

Технологии изготовления фильт­ров и их строение различны. Широкое распространение получили так назы­ваемые керамические пористые филь­тры (КПФ) или пенокерамические фильтры (ПКФ). Такие фильтры (по­ристость до 90 %, размер пор 0,5— 5,0 мм) обладают комплексом свойств, необходимых для фильтрации чугуна, стали и высокотемпературных мате­риалов или сплавов: малой массой, высокоэффективной поверхностью, обеспечивают извилистый путь потока металла, низкие потери давления, об­ладают приемлемыми термо- и меха­ническими свойствами. Благодаря своей структуре они могут задержи­вать включения микронных размеров.

В 1992 г. журнал «Сталь» в одном из своих выпусков (№ 4) поместил тема­тическую подборку материалов о на­копленном отечественном опыте по данной проблеме.

В табл. 20.1 приведены некоторые характеристики ПКФ по зарубежным данным.

Таблица 20.1. Основные характеристики пенообразующих керамических материалов

	Материал ПКФ
Характеристика	А120 + + фосфаты алюминия	муллит (ЗА1203-28Ю2)	спеченный оксид алюминия (99% А1203)	стабилизиро­ванный диоксид циркония ZnO, + CaO (или MgO, или Y2O3)	65% стабилизи­рованного ZrO2 + +35% А12О3
Максимальная
температура
применения, °С
Термостойкость	Очень высокая	Высокая	Очень высокая
Фильтрация	Алюминие-	Цветных ме-	Черных	Специальных	Стали
расплавов	вых и других	таллов, чугуна,	металлов,	сплавов, стали
	цветных	сплавов на ни-	специаль-
	сплавов	келевой основе	ных чугунов

В настоящее время обеспечиваю­щие осаждение неметаллических включений пористые фильтры, уста­навливаемые в поперечных перего­родках, которые отделяют зону подво­да металла от зоны выпуска в проме­жуточных ковшах УНРС, изготавлива­ют серийно. Например, одна из фирм выпускает фильтры трех типов с раз­мерами ячеек 10, 15 и 25 меш, что со­ответствует изменению среднего раз­мера просветов в пределах от 400 до 1700, 1100 и 900 мкм соответственно. Проведенные эксперименты показа­ли, что при разливке на шестиручье-вой УНРС среднее число включений при установке с фильтрами снижается в 4 раза. В числе «задержанных» при фильтрации включений прежде всего отмечены нитриды титана, алюмина­ты кальция, силикаты марганца и гли­нозем. Проблема выбора огнеупорно­го материала для изготовления уста­навливаемых в промежуточном ковше перегородок с фильтрующими отвер­стиями не может считаться решенной, и исследования в этом направлении продолжаются.

На заводе одной из японских фирм для рафинирования низкоуглеродис­тых сталей, раскисленных алюминием и титаном, опробована перегородка из СаО, представляющая собой кон­струкцию толщиной 200 мм, собран­ную из двух пластин по 100 мм. В пе­регородке выполнены отверстия, су­жающиеся в направлении движения металла от диаметра 50 мм до диамет­ра 40мм. Зафиксировано снижение загрязненности стали как крупными (> 5 мкм), так и мелкими (< 5 мкм) включениями. Исследователи при­шли к выводу, что рафинирование металла от А1₂О₃ происходит в резуль­тате образования легкоплавкого со­единения 12СаО-7А1₂О₃ (его обна­ружили методом дифракции рентге­новских лучей).

На другом заводе исследовали иной способ решения проблемы. На пути движения металла из огнеупо­ров были установлены своеобразные «ворота» (рис. 20.4), замедляющие движение металла, а в днище ковша за «воротами» — пористая пробка, через которую в пузырьковом режи­ме подавали аргон таким образом, чтобы весь металл проходил через барботируемый слой. Эксперименты проводили в 25-т промежуточном ковше, скорость разливки составляла 0,8-1,2 м/мин, отношение /W = 0,668. Установлено, что в случае продувки аргоном общее содержание кислорода стабильно снижается, уменьшается содержание включений, повышаются механические свойства готового металла.

На рис. 20.5 представлен пример технологического решения по исполь­зованию промежуточного ковша на установке для отливки непрерывноли-тых заготовок блюмового типа разме­ром 380x550 мм. Установка пущена на заводе фирмы Kobe Steel, г. Какога-ва (Япония). В Т-образном ковше

Рис. 20.4. Конструкция промежуточного ков­ша с «воротами»

Рис. 20.5. Конструкция промежуточного ков­ша блюмовой УНРС завода Kobe Steel в г. Какогава (Япония):

/ — покровный порошок в промежуточном ковше;

2— покровный порошок в кристаллизаторе; 3 —

крышка ковша; 4 — кристаллизатор; 5 — устройство

для электромагнитного перемешивания

вместимостью 35 т глубина ванны ме­талла достигает 900 мм. С целью луч­шей организации удаления в процессе разливки включений помимо увеличе­ния глубины ванны и скорости раз­ливки до 0,6 м/мин металл фильтрует­ся, проходя через отверстия в двух пе­регородках. Установка включает уст­ройства для защиты струи аргоном, крышку, закрывающую промежуточ­ный ковш, систему подачи аргона в погружаемое в кристаллизатор сопло и др. Исследованием установлено, что общее содержание кислорода в стали в результате фильтрации снижается бо­лее чем в 2 раза, достигая значений ~20-10 ^-4%.

Помимо рафинирования стали от неметаллических включений фильтра­ция через огнеупорные фильтры мо­жет дать еще один положительный ре­зультат. Специальными исследования­ми установлено, что в процессе плав­ки стали некоторые примеси цветных металлов частично мигрируют из стальной ванны в футеровку. Если это так, то можно ожидать, что в процессе фильтрации стального расплава через огнеупорные фильтры будет иметь ме­сто хотя бы частичное рафинирование стали также и от примесей некоторых цветных металлов (они останутся в по­рах и каналах фильтра).

Дата добавления: 2015-07-08