Новые технологии предотвращения засорения погружных стаканов и удаления крупных включений при непрерывной разливке стали 

В процессе непрерывной разливки стали погружной стакан (Submerged Entry Nozzle, SEN) является одним из важнейших функциональных огнеупорных элементов. Он выполняет сразу несколько ключевых задач: предотвращает вторичное окисление и азотирование стали, регулирует поток жидкой стали в кристаллизатор, снижает разбрызгивание металла и способствует всплытию неметаллических включений. От стабильности работы и срока службы погружного стакана напрямую зависят качество заготовок, эффективность непрерывной разливки и стабильность всего металлургического процесса.

Однако в производстве высококачественных сталей, таких как автомобильная листовая и подшипниковая сталь, проблема образования наростов и засорения погружных стаканов оксидом алюминия (Al₂O₃) остаётся одной из наиболее серьёзных технологических трудностей. Засорение приводит к нарушению потока стали в кристаллизаторе, отрыву наростов, вовлечению шлака и образованию крупных неметаллических включений, что существенно ухудшает качество литой заготовки. В тяжёлых случаях это может вызвать преждевременный выход стакана из строя и остановку разливки.

Исследования показывают, что засорение погружных стаканов зависит от множества факторов, включая химический состав стали, способ раскисления, температуру и длительность разливки, а также материал и конструкцию самого огнеупора. Особенно серьёзно проблема проявляется при разливке алюминиевых раскисленных сталей, сталей с высоким содержанием алюминия, титана или редкоземельных элементов. Основными компонентами засоряющих отложений являются α-Al₂O₃ и его смеси с FeO.

Для решения данной проблемы в металлургии разработаны различные методы предотвращения засорения погружных стаканов. Они условно делятся на два направления: совершенствование материалов и оптимизация конструкции.

Материальные решения включают создание специальных антизасоряющихся футеровок на внутренней поверхности стакана. Например, применение композиционных материалов на основе CaO-ZrO₂-C позволяет взаимодействовать с Al₂O₃ с образованием низкоплавких алюминатов кальция, которые легче уносятся потоком стали и не накапливаются на стенках. Кроме того, используются материалы на основе Al₂O₃-BN-C, поскольку нитрид бора плохо смачивается сталью, что значительно снижает адгезию оксидных включений.

Конструкционные решения предусматривают использование различных систем продувки аргоном. Среди них:

• погружные стаканы с кольцевыми газопроницаемыми вставками;

• конструкции с локальными пористыми элементами;

• щелевые системы подачи газа;

• ступенчатые конструкции стаканов, способствующие более равномерному распределению потоков стали и уменьшению осаждения включений.

Подача аргона через пористые элементы создаёт газовую плёнку на внутренней поверхности стакана, которая препятствует контакту стали и включений с огнеупорным материалом и тем самым предотвращает образование наростов.

Особое внимание уделяется зоне шлакового пояса погружного стакана, где наблюдается наиболее интенсивная коррозия. Основные механизмы разрушения здесь связаны с окислением и растворением графита в стали, а также растворением ZrO₂ шлаком. Для повышения стойкости этой зоны применяются высокочистые электроплавленные циркониевые материалы, оптимизированный гранулометрический состав, высококачественный чешуйчатый графит и специальные добавки. Практика показывает, что оптимальное содержание углерода в материале составляет около 15–20 %, что обеспечивает баланс между термостойкостью и коррозионной стойкостью.

Дополнительные меры включают увеличение толщины шлаковой зоны, нанесение защитных покрытий, применение защитных колец из материалов типа ZrB₂, а также изменение положения погружного стакана относительно уровня шлака в процессе разливки.

Значительный научный прорыв в данной области был достигнут исследовательской группой профессора Ли Хунся. Учёные предложили новый подход к решению проблемы засорения погружных стаканов, основанный на изучении электрических свойств оксидных включений при высоких температурах. Исследования показали, что частицы Al₂O₃ в жидкой стали обладают электрическим зарядом, что влияет на их миграцию и осаждение на стенках огнеупора.

На основе междисциплинарных исследований, объединяющих физику, электрохимию, материаловедение и металлургию, была разработана новая теория механизма образования наростов, учитывающая электростатические силы взаимодействия между включениями и поверхностью стакана. Это позволило предложить инновационные технологии подавления образования наростов и эффективного удаления крупных неметаллических включений.

Промышленные испытания новых решений показали значительное снижение степени засорения погружных стаканов, стабилизацию потока стали в кристаллизаторе и заметное уменьшение количества крупных включений в литой заготовке. Эти технологии открывают новые перспективы для повышения эффективности непрерывной разливки и производства высококачественных сталей.