Китайские ученые разработали новую технологию предотвращения засорения погружных разливочных стаканов при непрерывной разливке стали 

В процессе непрерывной разливки стали погружной разливочный стакан (SEN — Submerged Entry Nozzle) играет ключевую роль в обеспечении стабильности технологического процесса и качества заготовок. Он предотвращает вторичное окисление и азотирование стали, регулирует поток расплава и способствует всплытию неметаллических включений. Однако одной из наиболее серьезных проблем остается образование наростов и засорение внутренней поверхности стакана оксидом алюминия (Al₂O₃), что может привести к нарушению потока металла, ухудшению качества стали и даже остановке разливки.

В большинстве китайских металлургических предприятий длинные стаканы используются без предварительного подогрева. При контакте с жидкой сталью внутренняя поверхность мгновенно нагревается до температуры расплава, в то время как наружная поверхность остается значительно холоднее. Это вызывает значительные термические напряжения и может привести к образованию продольных трещин. Поэтому материалы для таких стаканов должны обладать высокой термостойкостью и устойчивостью к термическому удару.

Ранее широко применялись стаканы из плавленого кварца благодаря их высокой термостойкости и химической стабильности. Однако они плохо сопротивляются воздействию щелочных шлаков и могут реагировать с оксидами железа и марганца в стали, образуя низкоплавкие соединения. С развитием технологии непрерывной разливки стали постепенно стали использоваться алюмо-углеродистые стаканы (Al₂O₃-C), которые обладают лучшей устойчивостью к коррозии и более широкой применимостью для различных марок стали. Для предотвращения окисления углерода на поверхности таких изделий наносят специальное антиокислительное покрытие.

Основные требования к погружным стаканам включают:

• обеспечение необходимой пропускной способности жидкой стали при заданной скорости разливки;

• равномерное распределение теплового потока в кристаллизаторе;

• содействие быстрому плавлению защитного шлака;

• облегчение всплытия неметаллических включений и предотвращение их захвата;

• предотвращение сильного колебания уровня металла в кристаллизаторе;

• удобство установки и эксплуатации.

Одной из главных проблем эксплуатации является засорение внутренней поверхности стакана оксидом алюминия, особенно при разливке алюминиево-раскисленных сталей, сталей с высоким содержанием алюминия, титана или редкоземельных элементов. Основные продукты засорения — α-Al₂O₃ и его соединения с FeO. Эти отложения образуются в результате реакций между продуктами раскисления стали и компонентами огнеупорного материала, а затем спекаются при высокой температуре.

Для борьбы с засорением разработаны два основных направления:

1. Материальные решения

• использование композитных материалов CaO-ZrO₂-C, способствующих образованию низкоплавких алюминатов, которые уносятся потоком стали;

• применение материалов Al₂O₃-BN-C, поскольку нитрид бора плохо смачивается жидкой сталью и препятствует прилипанию частиц Al₂O₃.

2. Конструкционные решения

• стаканы с кольцевыми пористыми вставками для продувки аргоном;

• стаканы с локальными газопроницаемыми вставками;

• конструкции со щелевой подачей аргона;

• ступенчатые конструкции для стабилизации потока и снижения осаждения включений.

Еще одной проблемой является интенсивная эрозия зоны шлаковой линии, где погружной стакан контактирует одновременно со сталью и защитным шлаком. Основными механизмами разрушения являются окисление графита и растворение оксида циркония в шлаке. Для повышения стойкости применяются следующие меры:

• повышение плотности и чистоты электроплавленого ZrO₂;

• оптимизация содержания углерода (обычно 15–20%);

• использование высококачественного чешуйчатого графита;

• нанесение защитных покрытий или использование защитных колец из ZrB₂;

• изменение положения контакта со шлаком путем регулирования уровня промежуточного ковша.

Особый интерес вызвала разработка китайской исследовательской группы под руководством профессора Ли Хунся. Ученые впервые установили, что частицы оксида алюминия в расплавленной стали могут обладать электрическим зарядом при высоких температурах. На основе этого открытия была предложена новая теория миграции включений к стенкам стакана под действием электростатических сил.

Используя междисциплинарный подход (физика, электрохимия, дефектная химия, материаловедение и металлургия), исследователи разработали инновационную технологию подавления образования наростов и удаления крупных неметаллических включений. Новая технология уже проходит промышленную апробацию и демонстрирует перспективные результаты для производства высококачественных сталей, включая автомобильные и подшипниковые стали.

Эксперты отмечают, что дальнейшее внедрение этих решений может значительно повысить стабильность непрерывной разливки, улучшить качество стали и увеличить эффективность металлургического производства.