Detecteren en controleren van insluitsels in continuaal gegoten staal voor superieure kwaliteit

Inleiding

Continue gieting van staal is een belangrijk proces voor de wereldwijde staalproductie, vanwege de inherente voordelen van energiebesparing, hoge opbrengst, operationele flexibiliteit en competitieve kwaliteit van het gegoten product. Met de vestiging van continue gieting als de belangrijkste route van staalproductie, wordt de nadruk steeds meer gericht op kwaliteitsverbetering en kostenreductie van de staalproductie door continue giettechnologie. Een van de meest strikte kwaliteitseisen vandaag is de zuiverheid van het staal. De hoge staalzuiverheidseisen vereisen strikte controle van niet-metallische insluitsels of simpelweg insluitsels tijdens het continue gietproces. Insluitsels die in het eindproduct blijven, kunnen staaleigenschappen beschadigen en de kwaliteit degraderen.

De verwijdering van insluitsels in de kokervorm van continue gieting is moeilijk, aangezien het vloeibare staal vast wordt en insluitsels minder kans hebben om uit te zweeven. De verwijdering van insluitsels en de uiteindelijke verdeling van insluitsels in het staalproduct zijn sterk afhankelijk van de eigenschappen van insluitsels, transport van insluitsels in het vloeibare staal, en de interactie tussen insluitsels en de solidifierende schil. Daarom is het begrip van de insluiting van insluitsels en hun uiteindelijke verdeling in het eindproduct belangrijk voor de controle van zuiverheid en de kwaliteit van het staalproduct.

Het oppervlaktekwaliteitsprobleem van warm- en/of koudgewalst staal is altijd een van de belangrijke zorgen, aangezien het direct gerelateerd is aan staalkwaliteit en prijs. De oppervlaktekwaliteit van gewalst staal wordt ook beïnvloed door de bedrijfsvoering van continue gieting en herverhittingsproces, aangezien insluitsels een van de belangrijkste oorzaken zijn om oppervlaktekrassen in het gewalste staal te genereren. Er zijn pogingen om de staaloppervlaktekwaliteit te verbeteren door insluitselsamenstelling en morfologie te wijzigen op basis van thermodynamische berekening. Maar deze pogingen lijken nog steeds niet voldoende om het oppervlaktekwaliteitsprobleem volledig op te lossen.

Evaluatie van insluitsels in staal

De evaluatie van insluitsels in staal is van groot belang en omvat: (i) het verkennen van de totale hoeveelheid, morfologie, grootteverdeling en ruimtelijke verdeling van insluitsels, en (ii) het identificeren van hun chemische samenstelling.

De steeds toenemende eisen voor hoogwaardige staalproducten hebben het staalproductiepersoneel steeds meer bewust gemaakt van de vereiste van de zuiverheid van het staal. Insluitsels zijn een belangrijk probleem in gegoten staal wat kan leiden tot overmatige reparatie of afkeuring. Verschillende defecten in het gewalste staalproduct kunnen gerelateerd zijn aan de insluitsels. Het mechanische gedrag van het staal wordt in grote mate gecontroleerd door de volumefractie, grootte, verdeling, samenstelling en morfologie van insluitsels en neerslagen die fungeren als spanningsverhogers. De insluitselgrootteverdeling is met name belangrijk, aangezien grote macro-insluitsels het meest schadelijk zijn voor de mechanische eigenschappen. Soms wordt een catastrofaal defect veroorzaakt door slechts een enkele grote insluitsel in een complete staalsmelting. Hoewel de grote insluitsels in aantal ver verre worden overtroffen door de kleine insluitsels, kan hun totale volumefractie groot zijn.

Ductiliteit wordt aanzienlijk verminderd door toenemende hoeveelheden oxide- of sulfides insluitsels. Ook breukzwaarte neemt af wanneer insluitsels aanwezig zijn in hoge sterkte lagere ductiliteit legeringsstalen. Vergelijkbare eigenschapsdegradatie door insluitsels wordt waargenomen in testen die langzame, snelle of cyclische vervormingssnelheden weerspiegelen, zoals Kriek, impact en vermoeidingstesten. Verder veroorzaken insluitsels holten, die kraken kunnen induceren. Grote exogene insluitsels kunnen problemen veroorzaken in de vorm van inferieure oppervlakte, slechte poliseerbaarheid, verminderde corrosieweerstand, en in uitzonderlijke gevallen, slaklijnen en laminaties.

Insluitsels verlagen ook de weerstand tegen 'waterstof geïnduceerde kraken' (HIC). De bron van de meerderheid van de vermoeidingsproblemen in staal zijn harde en spröde oxiden, met name grote alumina (Al₂O₃) deeltjes met grootte van meer dan 30 micrometer. Hoewel de solidificatiemorfologie van insluitsels belangrijk is in gegoten stalen, wordt de morfologie van insluitsels in vervormde staalproducten grotendeels gecontroleerd door hun mechanische gedrag tijdens staalverwerking, d.w.z., of ze 'hard' of 'zacht' zijn ten opzichte van de staalmatrix. Het gedrag van verschillende typen insluitsels met hun deformatie tijdens walsen is schematisch weergegeven in Fig. 1.

'Stringer' vorming, type (b) en (c) in Fig. 1, verhoogt de gerichtheid van mechanische eigenschappen, wat nadelig zwaarte en ductiliteit beïnvloedt in het bijzonder. De ergste insluitsels voor zwaarte en ductiliteit, met name in dikterichtings eigenschappen van plat-gewalste producten, zijn die die vervormen met de matrix, zoals (d) in Fig. 1. Om deze problemen te vermijden, moeten de grootte en frequentie van nadelige insluitsels zorgvuldig gecontroleerd worden. Vooral mogen geen insluitsels aanwezig zijn in het gegoten staal boven een kritieke grootte.

Karakteriseren van de insluitsels is een van de belangrijkste aspecten voor het garanderen van schoon staal. Insluitsels zijn een type defect aanwezig in staal dat de eigenschappen als poliseerbaarheid, ductiliteit en vermoeidingssterkte van het staal ernstig beïnvloedt. Daarom moeten insluitsels gecontroleerd worden voor de productie van hoogpresterend staal. Primair insluitsels worden gevormd tijdens staalbehandelingen in de ladle. De meeste hiervan worden verwijderd naar de ladleslak of op de bekleding. Echter, de rest van de insluitsels blijft nog te verwijderen door de opeenvolgende processtadia en bovendien worden nieuwe insluitsels gevormd tijdens gieten en solidificatie.

Vanwege het afnemende aantal insluitsels met toenemende grootte, poseren de verschillende grootte-intervallen verschillende problemen. Met betrekking tot poliseerbaarheid is het grote aantal kleine insluitsels schadelijker dan de grote maar gelijktijdig zeldzamere insluitsels, simpelweg door vaker voor te komen. Aan de andere kant, bij lage spanningsniveaus, kritieke kraken, die tot falen binnen de levensduur van een staalproduct kunnen leiden, groeien waarschijnlijk bij de erg grote insluitsels. Deze insluitsels zijn zeldzaam en het is moeilijk om hun voorkomensdichtheid correct te schatten. Bij intermediaire vermoeidingsspanningsniveaus, concurreren insluitsels van middelste formaten met oppervlaktedefecten als kraakinitiatiepunten.

Endogene en exogene insluitsels

Insluitsels in staal kunnen ofwel endogeen (inheems) of exogeen gevormd worden. Endogene insluitsels zijn het resultaat van legeringselementen binnenin het staal die reageren met opgeloste gas (zoals zuurstof) om vaste insluitsels in het gegoten staal te vormen. De insluitsel kan gevormd worden tijdens ontzuring, herontzuring, of solidificatie door verminderde gassoort oplosbaarheid in de vaste toestand. Exogene insluitsels komen van bronnen buiten het vloeibare staal, zoals slakinsluiting, of refractaire schade.

Endogene insluitsels

Endogene insluitsels zijn ontzuringproducten of uitgezette insluitsels tijdens afkoeling en solidificatie van het staal.

Ontzuringproducten

Alumina insluitsels in laag koolstof aluminium gedood (LCAK) staal, en silica (SiO₂) insluitsels in silicium gedood staal, die gegenereerd worden door de reactie tussen de opgeloste zuurstof en de toegevoegde aluminium en silicium ontzuringsmiddelen, zijn typische ontzuring insluitsels. Alumina insluitsels zijn dendrietvormig wanneer gevormd in een hoge zuurstofomgeving. Cluster-type alumina insluitsels van ontzuring of herontzuring, zijn typisch voor aluminium gedode stalen. Alumina insluitsels vormen gemakkelijk driedimensionale clusters door botsing en aggregatie vanwege hun hoge interfaciale energie. Individuele insluitsels in de cluster kunnen 1–5 micrometer in diameter zijn. Voor botsing, breuk of aggregatie met andere deeltjes, kunnen ze in de vorm van bloemplaat, of (geaggregeerde) polyhedrische insluitsels zijn. Alternatief koraal-achtige alumina insluitsels worden verondersteld te resulteren uit 'Ostwald-ripening' van oorspronkelijk dendrietvormige of geclusterde alumina insluitsels. Silica insluitsels zijn normaal sferisch vanwege het zijn in een vloeibare of glazen toestand in het vloeibare staal. Silica kan ook agglomereren in clusters.

Uitgezette insluitsels

Deze insluitsels vormen tijdens afkoeling en solidificatie van het staal. Tijdens afkoeling wordt de concentratie van opgeloste zuurstof/stikstof/zwavel in het vloeibare hoger terwijl de oplosbaarheid van die elementen afneemt. Dus insluitsels zoals alumina, silica, aluminiumnitride (AlN), en sulfides neerslaan. Sulfiden vormen interdendrietisch tijdens solidificatie, en nucleeren frequent op oxiden al aanwezig in het vloeibare staal. Deze insluitsels zijn normaal klein (minder dan 10 micrometer in grootte).

Exogene insluitsels

Exogene insluitsels ontstaan voornamelijk uit de incidentele chemische (herontzuring) en mechanische interactie van vloeibaar staal met zijn omgeving (slakinsluiting en erosie van bekledingsrefractair). Tijdens bewerking produceren ze ratelen, wat putten en gouwen op het oppervlakte van bewerkte secties veroorzaakt, frequente breuk, alsook overmatige gereedschapslijt.

Exogene insluitsels zijn altijd praktijk gerelateerd en hun grootte en chemische samenstelling leiden frequent tot de identificatie van hun bronnen, en hun bronnen zijn hoofdzakelijk herontzuring, slakinsluiting, bekledingserosie, en chemische reacties. Deze insluitsels hebben de volgende kenmerken:

• Grote grootte – Exogene insluitsels van refractaire erosie zijn normaal groter dan die van slakinsluiting.
• Samengestelde samenstelling / multi-fase aard – Exogene insluitsels worden veroorzaakt door de fenomenen: (i) door de reactie tussen vloeibaar staal en silica, FeO, en MnO in de slak en bekledingsrefractair met de gegenereerde alumina insluitsels kunnen op hun oppervlak blijven, (ii) als exogene insluitsels bewegen, door hun grote grootte, kunnen ze ontzuring insluitsels zoals alumina op hun oppervlak insluiten, (iii) exogene insluitsels fungeren als heterogene kernplaatsen voor neerslag van nieuwe insluitsels tijdens hun beweging in vloeibaar staal, en (iv) slak of herontzuring insluitsels kunnen reageren met de bekledingsrefractairen of losgemaakt verder materiaal in het vloeibare staal.
• Vorm – Exogene insluitsels hebben normaal onregelmatige vorm, tenzij sferisch van slakinsluiting of ontzuringproduct silica. De sferische exogene insluitsels zijn normaal groot (groter dan 50 micrometer) en meestal meervoudig-fase, maar de sferische ontzuring insluitsels zijn normaal klein en enkelvoudig-fase.
• Hoeveelheid – Exogene insluitsels zijn klein in aantal vergeleken met kleine insluitsels.
• Verdeling – Exogene insluitsels hebben sporadische verdeling in het staal en zijn niet goed verdeeld als kleine insluitsels. Omdat ze normaal ingesloten worden in staal tijdens gieten en solidificatie, is hun incidentie toevallig en sporadisch. Aan de andere kant, ze zweeven gemakkelijk uit, dus concentreren ze alleen in regio's van het staalprofiel die het snelst solidifieren of in zones waarvan hun ontsnapping door zweef geïmpedeerd is. Daarom worden deze insluitsels frequent bij het oppervlak gevonden.
• Effect op staaleigenschappen – Exogene insluitsels zijn nadeliger voor staaleigenschappen dan kleine insluitsels vanwege hun grote grootte.

Een kwestie die de bron van de exogene insluitsels overstijgt is waarom zulke grote insluitsels niet snel uitvloeien zodra ze in het staal zijn. Mogelijke redenen kunnen zijn: (i) late vorming tijdens staalproductie, overdracht, of erosie in de metallurgische vaten waardoor onvoldoende tijd blijft om op te stijgen voor het binnengaan van de gietmachine kokervorm, (ii) gebrek aan voldoende overhitting, (iii) vloeistofstroom tijdens solidificatie induceert kokervorm slakinsluiting, of (iv) herinsluiting van uitgezweefde insluitsels voordat ze volledig in de slak zijn binnengedrongen.

Exogene insluitsels van herontzuring

De meest voorkomende vorm van grote macro-insluitsels van herontzuring die in het staal gevonden worden, is de alumina cluster. Lucht is de meest voorkomende bron van herontzuring, die kan optreden: (i) vloeibaar staal in de tundish mengt met lucht van zijn bovenoppervlak aan het begin van gieten door de sterke turbulentie en de oxidefilms op het oppervlakte van het stromende vloeibare worden in het vloeibare gevouwen, vormend zwakke vlakken van oxide deeltjes, (ii) lucht wordt in het vloeibare staal ingezogen bij de verbindingen tussen de ladle en de tundish, en tussen de tundish en de kokervorm, en (iii) lucht penetreert in het staal vanaf het bovenoppervlak van het staal in de ladle, tundish, en kokervorm tijdens gieten.

Tijdens dit type herontzuring worden ontzurende elementen, zoals aluminium, calcium, en silicium, etc. preferentieel geoxideerd en hun producten ontwikkelen zich tot insluitsels, normaal één tot twee ordes van grootte groter dan ontzuring insluitsels. De oplossing om dit type herontzuring te voorkomen is de blootstelling van lucht aan het gietproces te beperken. Dit kan gedaan worden: (i) door afscherming met inert gas gordijn met behulp van een staalring manifold of poroeus refractaire ring rond de verbindingen tussen de ladle en de tundish, en tussen de tundish en de kokervorm, (ii) door enige argon gas in de tundish te purgeren voor het gieten, en in het tundish oppervlak tijdens het gieten, en (iii) door argon gas injectie in de ladle te controleren om oogvorming te voorkomen.

Een andere herontzuring bron is in de slakken en bekledingsrefractairen. Door dit herontzuring mechanisme groeien insluitsels binnenin het staal naarmate ze de slak of bekledingsinterface benaderen door de reactie SiO₂/FeO/MnO + [Al] = [Si]/[Fe]/[Mn] + Al₂O₃. Dit leidt tot grotere alumina insluitsels met variabele samenstelling. Dit fenomeen beïnvloedt exogene insluitsels op verschillende manieren: (i) deze reactie kan het oppervlak van de bekleding eroderen en oneffen maken, wat het vloeistofstroompatroon nabij bekledingswanden verandert en versnelde afbraak van de bekleding kan induceren, en (ii) een grote exogene insluitsel van gebroken bekleding of ingesloten slak kan kleine insluitsels, zoals ontzuringproducten, insluiten, en ook fungeren als heterogene kern voor nieuwe neerslagen wat de samenstelling van exogene insluitsels vercompliceert.

Om herontzuring van slak en bekledingsrefractair te voorkomen, is het erg belangrijk om een lage SiO₂, FeO, en MnO gehalte te handhaven. Het is gerapporteerd dat hoge alumina of zirconia stenen met lage vrije silica gehalte meer geschikt zijn voor gebruik.

Exogene insluitsels van slakinsluiting

Elke staalproductieoperatie of overdracht van vloeibaar staal omvat turbulente menging van slak en metaal, met name tijdens overdracht tussen vaten. Dit produceert slakdeeltjes opgeschort in het staal. Slakinsluitsels, 10–300 micrometer in grootte, bevatten grote hoeveelheden CaO (kalk) of MgO (magnesia), en zijn normaal vloeibaar bij de vloeibare staaltemperatuur en dus sferisch in vorm. Gebruik van een 'H'-vormige tundish en gieten door twee ladles vermindert slakinsluiting tijdens de ladle wisselperiode. De oorzaken die slakinsluiting in het vloeibare staal tijdens het continue gietproces beïnvloeden omvatten: (i) tijdens de overdrachtoperaties van ladle naar tundish en van tundish naar kokervorm, met name voor open gieten, vortexvorming aan het bovenoppervlak van vloeibaar staal wat bij laag niveau van vloeibaar staal op verschillende manieren vermeden kan worden zoals stoppen met gieten voor de aanvang van vortexvorming, (ii) emulsificatie en slakinsluiting aan het bovenoppervlak met name onder gasroering boven een kritieke gasstroomsnelheid, (iii) turbulentie aan de meniscus in de kokervorm, en (iv) slakeigenschappen zoals interfaciale spanning en slakviscositeit.

Als voorbeeld, gietpoeder kan ingesloten worden in het vloeibare staal door: (i) turbulentie aan de meniscus (Fig. 2A), (ii) vortexvorming (Fig. 2C), (iii) geïnduceerde emulsificatie door bellen die van het staal naar de slak bewegen (Fig. 2B en 2D), (iv) inzuigen langs de mondstukwand door drukverschil (2E), (v) hoge snelheidsstroom die slak van het oppervlak afschaart (2A), en (vi) niveaufluctuaties (Fig. 2B).

De interfaciale spanning tussen het staal en het vloeibare gietpoeder bepaalt de hoogte van de staalmeniscus, en de gemak van fluxinsluiting. Specifiek een interfaciale spanning van 1,4 newton per meter (N/m) voor een kalk-silica-alumina slak in contact met zuiver ijzer levert een meniscushogte van ongeveer 8 mm. De interfaciale spanning wordt gereduceerd tot een lage waarde door oppervlakte-actieve soorten zoals zwavel of door een interfaciale uitwisselingsreactie zoals de oxidatie van aluminium in staal door ijzeroxide in de slak. De zeer lage interfaciale spanning geassocieerd met een chemische reactie kan spontane turbulentie aan de interface leveren, door het Marangoni effect. Zulke turbulentie kan een emulsie aan de interface creëren, wat ongewenste slakbellen in het staal creëert.

Exogene insluitsels van erosie/corrosie van refractaire bekleding

Erosie van refractairen, wat omvat goed blokzand, losse vuil, gebroken refractaire bakstenen, en keramische bekledingsdeeltjes, is een zeer veelvoorkomende bron van grote exogene insluitsels die typisch vast zijn en gerelateerd aan de materialen van de ladle en tundish zelf. Deze zijn normaal groot en onregelmatig gevormde materialen. Exogene insluitsels kunnen fungeren als plaatsen voor heterogene nucleatie van alumina, of aggregeren met andere inheemse insluitsels. Het voorkomen van refractaire erosieproducten of mechanisch geïntroduceerde insluitsels kan de kwaliteit van anderszins zeer schoon staal volledig belemmeren.

In sommige studies om het erosieproces te onderzoeken, is gerapporteerd dat 'geglazuurde refractairen' en 'reactielagen aan het oppervlak van stenen' gevormd worden met vloeibaar staal bij 1.550–1.600 °C. De verstoppingen van grote insluitsels op het oppervlak van de bekleding kunnen ook in het vloeibare staal vrijgekomen.

Bekledingserosie treedt normaal op in gebieden van turbulente stroom, met name gecombineerd met herontzuring, hoge gietttemperaturen, en chemische reacties. De parameters die de bekledingserosie sterk beïnvloeden worden hieronder beschreven.

• Sommige staalkwaliteiten zijn vrij corrosief (zoals hoge mangaan en kwaliteiten die nauwelijks gedood zijn en hoge oplosbare zuurstofgehalten hebben) en aanvallen bekledingsstene.
• Herontzuringreacties, zoals waarbij het opgeloste aluminium in het vloeibare staal silica in de bekledingsrefractair reduceert, genererend ijzeroxide-gebaseerde insluitsels die zeer reactief zijn en de bekledingsmaterialen benatten, leidend tot erosie van bekledingsrefractair in gebieden van hoge vloeistof turbulentie.
• Steensamenstelling en kwaliteit hebben een aanzienlijk effect op staalkwaliteit. In één van de fabrieken zijn drie typen materialen (hoge alumina, Al₂O₃-SiC-C, en MgO-C met een slijtagesnelheid van 1 mm/hitting, 0,34 mm/hitting, 0,16 mm/hitting respectievelijk) aangenomen aan de slaklijn, waar de refractair geneigd is om beschadigd te worden door erosieve tundish flux en slak, en de MgO-C steen toont de hoogste duurzaamheid onder de drie. Mangaan oxide valt preferentieel de silica bevattende delen van de refractair aan. Zeer hoge zuiverheid alumina en zirconia korrels kunnen aanval door mangaan oxide weerstaan.
• Snelle refractaire erosie van hoge mangaan stalen kan beperkt worden door: (i) gebruik van zeer hoge zuiverheid alumina of zirconia refractairen, (ii) minimaliseren van zuurstof door het staal volledig te doden met een sterke ontzuringsmiddel zoals aluminium of calcium, en luchtabsorptie te voorkomen. Silica-gebaseerde tundish bekledingen zijn slechter dan magnesia-gebaseerde gespoten bekledingen. Hoge alumina refractairen worden voorgesteld als de meest veelbelovende. Het incorporeren van calciumoxide in de mondstukrefractair kan helpen door alumina insluitsels aan de wand te verflessen, zolang CaO diffusie naar de interface snel genoeg is en mondstukerosie geen probleem is. Mondstukerosie kan tegengegaan worden door mondstukrefractaire samenstelling te controleren (bijv. vermijden van natrium, kalium, en silicium onzuiverheden), of het bekleden van de mondstukwanden met zuivere alumina, boornitride, of ander weerstandsmateriaal. De refractair aan het oppervlak van de afschermingswanden moet gekozen worden om reacties met het staal die insluitsels en verstopping creëren te minimaliseren.
• Overmatige snelheid van vloeibaar staal beïnvloedt bekledingserosie langs de wanden in de tundish, zoals de inlaatzone. Een pad kan gebruikt worden om de bodem van de tundish te beschermen tegen erosie, alsook het stroompatroon te controleren. Het is voorgesteld dat vloeibare staalsnelheden boven 1 meter per seconde gevaarlijk zijn met betrekking tot erosie.
• Overmatig contact of vultijd en hoge temperatuur verergeren erosieproblemen. Tijdens lange houderperiode in de ladle, kunnen de grotere insluitsels uitvloeien in de ladleslak. Echter, hoe langer het staal in contact is met de ladle bekleding, hoe meer de neiging voor ladle erosieproducten. Oplossingen zijn gebaseerd op het ontwikkelen van hoog stabiele refractairen voor een gegeven staalkwaliteit, het ontwikkelen van dichte slijtvaste refractaire inserts voor hoge stroomgebieden, en het voorkomen van herontzuring.

Exogene insluitsels van chemische reacties

Chemische reacties produceren oxiden van insluitselmodificatie wanneer calciumbehandeling onjuist uitgevoerd wordt. Het identificeren van de bron van deze insluitsels is niet altijd gemakkelijk, aangezien insluitsels die calciumoxide bevatten bijvoorbeeld ook kunnen afstammen van ingesloten slak.

Insluitselagglomeratie en verstopping

De agglomeratie van vaste insluitsels kan op elk oppervlak optreden geholpen door oppervlakte spannings effecten, inclusief op refractaire en beloppervlakken. De hoge contacthoek van alumina in vloeibaar staal (134–146 graden) moedigt een insluitsel aan zich aan refractair te hechten om contact met staal te minimaliseren. Hoge temperaturen van 1.530 °C laten sinteren van alumina toe. Grote contacthoek en grotere insluitselgrootte bevorderen de agglomeratie van insluitsels. Door botsing en agglomeratie neigen insluitsels in staal ertoe te groeien met toenemende tijd en temperatuur. Insluitselgroei door botsing, agglomeratie, en coagulatie in gietblok is het onderwerp van diverse studies geweest, waarin de numerieke simulatie van insluitselnucleatie beginnend bij ontzuringstoevoeging en groei door botsing en diffusie van nano-grootte tot micro-grootte gerapporteerd wordt.

De fundamenten van alumina sinteren in clusters nodig hebben verder onderzoek, hoewel sommige studies fractale theorie hebben gebruikt om de clustermorfologie (kenmerken) te beschrijven. Het meest voor de hand liggende voorbeeld van insluitselagglomeratie op het oppervlak van bekledingsrefractairen is mondstukverstopping tijdens continue gieting van vloeibaar staal.

Effect van vloeistofstroom en solidificatie op insluitsels

Insluitselverdeling in continue gieting van staal wordt beïnvloed door de vloeistofstroom, warmteoverdracht, en solidificatie van het vloeibare staal. Een populaire index voor insluitselinsluiting is de kritieke vooruitstotende snelheid van de solidificatiefront, wat beïnvloed wordt door verschillende parameters zoals insluitselvorm, dichtheid, oppervlakte-energie, thermische geleiding, afkoelsnelheid (solidificatiesnelheid), en uitstekende condities van de solidificatiefront. Het is gerapporteerd dat insluiting gecontroleerd wordt door slee- en interfaciale krachten (Van der Waals kracht). Het is voorgesteld dat hoe sneller de solidificatiesnelheid, hoe hoger de kans op insluiting. De kans op insluiting neemt af met toenemende solidificatietijd, minder segregatie, kleinere uitsteeksels op de solidificatiefront. De dendrietarmafstanden hebben een groot effect op de insluiting van insluitsels en zijn gerelateerd aan de fenomenen van duwen, insluiten; of insluiting.

Continue gietoperaties, insluitsels en schoon staal

Continue gietoperaties controleren staalzuiverheid. Een systematische studie van insluitselverwijdering heeft gevonden dat ladle behandeling de insluitsels verlaagt met ongeveer 65–75%, de tundish verwijdert insluitsels met ongeveer 20–25%, hoewel herontzuring soms heeft plaatsgevonden, en de kokervorm verwijdert insluitsels met ongeveer 5–10%. Tundish bedrijfsvoering heeft een groot effect op de staalzuiverheid. De belangrijke factoren in tundish operaties die effect hebben op de staalzuiverheid zijn tundish diepte en capaciteit, gietovergangen, tundish bekledingsrefractair, tundish flux, argon gas roeren, en tundish stroomcontrole.

Bovenslakken

De bovenslakken in de ladle en tundish bieden verschillende functies zoals: (i) isolatie van het vloeibare staal zowel thermisch (om overmatig warmteverlies te voorkomen) als chemisch (om luchtinsluiting en herontzuring te voorkomen), en (ii) absorptie van de insluitsels om additionele staalverfijning te bieden. Een veelvoorkomende tundish flux is verbrande rijsthuls, wat goedkoop is, een goede isolator, en goede dekking biedt zonder korstvorming. Echter, rijsthuls is hoog in silica (rond 80% SiO₂), wat gereduceerd kan worden tot een bron van insluitsels. Ze zijn ook heel stofvormend en met hun hoge koolstofgehalte (rond 10% C), kunnen ze ultra laag koolstof staal besmetten.

Basische fluxes (CaO-Al₂O₃-SiO₂ gebaseerd, en silica minder dan 10%) zijn theoretisch veel beter dan rijsthuls tijdens de verfijning van LCAK stalen, en gecorreleerd met lagere zuurstof in de tundish. Bijvoorbeeld, in een studie, is de totale zuurstof gedaald van het bereik van 25 ppm (delen per miljoen) en 50 ppm naar het bereik van 19 ppm en 35 ppm met de basiciteit van de flux toenemend van 0,83 tot 11. In een van de staalfabrieken, gebruik van basische fluxes, is de totale zuurstof in kokervorm gerapporteerd lager, en staalproductdefect gedaald. Echter, waarschijnlijker is de basische flux ineffectief omdat het gemakkelijk een korst aan het oppervlak vormt, door zijn snellere smeltsnelheid en hoge kristallisatietemperatuur. Deze korst resulteert in de evolutie van een open slakvrij oog rond de ladle afscherming tijdens gieten, wat niet alleen een overmatig gebied voor herontzuring biedt, maar ook een significante stralingswarmteverlies en ongemak voor de operators op het werkplatform toestaat. Ook basische fluxes hebben normaal lagere viscositeit. Daarom zijn ze gemakkelijker ingesloten. Om deze problemen te vermijden, heeft een staalfabriek een tweelaags flux gebruikt, met een laag smeltpunt basische flux aan de onderkant om de insluitsels te absorberen, en een bovenlaag van rijsthuls gebaseerde flux om isolatie te bieden. Dit heeft de totale zuurstof verlaagd van 22,5 ppm tot 16,5 ppm.

Tundish diepte, capaciteit en stroomcontrole apparaten

Het tundish stroompatroon moet ontworpen worden om de verblijftijd van vloeibaar staal en deeltjes te verhogen, 'short circuiting' te voorkomen en insluitselverwijdering te bevorderen. Tundish stroom wordt gecontroleerd door zijn geometrie, niveau, inlaat (afscherming) ontwerp, en stroomcontrole apparaten zoals impact pads, weirs, dams, baffles, en filters. Diepe tundish met een grote capaciteit vergroot de verblijftijd van vloeibaar staal en deeltjes en moedigt dus insluitselverwijdering aan. Diepe tundish ontmoedigt ook vortexvorming, wat meer tijd voor ladle overgangen geeft voordat slakinsluiting een kwestie wordt. Tundish grootte voor LCAK staal is wereldwijd de afgelopen 20 jaar geleidelijk toegenomen, typisch bereikend 60–80 ton met ongeveer 1,8 meter diepte in het geval van een plaat continue gietmachine.

Als correct uitgelijnd, en misschien samen met weir(s) en dam(s), kan een gietpad de staalzuiverheid verbeteren, met name tijdens ladle wissels. Als voorbeeld, het toevoegen van het gietpad in één van de staalfabrieken heeft alumina tijdens ladle overgangen verlaagd van 48 ppm tot 15 ppm. In een andere staalfabriek, is totale zuurstof gedaald van 26 ppm (met een gekogeld pad) tot 22 ppm (met een hubcap pad). In nog een andere staalfabriek, is staalzuiverheid verbeterd door 77 gaten in hun dam te boren, waardoor het fungeert als een deeltjesfilter. In nog een andere staalfabriek, een vergelijkbare techniek bestaande uit baffles gecombineerd met een initiële tundish afdekking heeft de gemiddelde totale zuurstof in de tundish tijdens steady state gieten verlaagd van 39 +/- 8 ppm tot 24 +/- 5 ppm.

Keramische filters en CaO filters zijn zeer effectief bij het verwijderen van insluitsels. Echter, hun kosten en effectieve bedrijfstijd voor verstopping maken hun gebruik normaal verbodelijk. Inert gas injecteren in de tundish vanaf de bodem verbetert de menging van het vloeibare staal, en bevordert de botsing en verwijdering van insluitsels. In één van de staalfabrieken, door deze technologie toe te passen, is totale zuurstof met succes verlaagd tot 16 ppm in tundish. Echter, het gevaar van deze technologie is dat enige insluitsel-beladen bellen die de tundish ontvluchten en ingesloten worden in de strand, ernstige defecten veroorzaken. Het is gerapporteerd dat oxide oppervlakte fractie (0,001%) van staal in tundish met 25% afneemt door deze techniek vergeleken met die zonder deze techniek.

Gietovergangen

Gietovergangen treden op aan het begin van een gietreeks, tijdens ladle wissels en mondstukvervangingen, en aan het einde van gieten. Deze overgangen zijn verantwoordelijk voor de meerderheid van de zuiverheidsdefecten. Insluitsels worden frequent gegenereerd tijdens overgangen en kunnen lang persisteren, dus veel staal besmetten. De sliver defect index aan het begin van de eerste hitting is 5 keer hoger dan die in het midden van de eerste hitting en meer dan 15 keer die van opvolgende hittings. Tijdens deze onstabiele gietperiodes zijn slakinsluiting en luchtabsorptie meer geneigd plaats te vinden, wat herontzuringproblemen induceert. Een 'zelf-openende' ladle opent van zichzelf zonder de mondstuk te hoeven lanceren. Lanceren vereist verwijdering van de afscherming en dit laat herontzuring toe, met name tijdens de eerste 650–1.200 mm van het gieten. Gelanceerde-open hittings hebben totale zuurstofniveaus die ongeveer 10 ppm hoger zijn dan zelf-open hittings. Zorgvuldig inpakken van het ladle openingszand helpt bij het bereiken van de zelf-openende ladle. Ladle zand is ook een bron van herontzuring vanwege hoge silica gehalte.

Een verbetering tijdens ladle overgangen is om de stroom van vloeibaar in de kokervorm te stoppen tot de tundish gevuld is en gas door de stopper te borrelen om insluitselvloeving te bevorderen. Een andere verbetering is om nieuwe ladles te openen met ondergedompelde afscherming. Met deze maatregel is totale zuurstof in een van de staalfabrieken gedaald van 41 +/- 14 ppm tot 31 +/- 16 ppm met meer consistente kwaliteit door de hele reeks.

Als voorbeeld, in een van de staalfabrieken, is totale zuurstof in tundish tijdens overgangen 50–70 ppm, vergeleken met slechts 25–50 ppm in steady state. In andere staalfabrieken is het verschil slechts 3 ppm. Een van de staalfabrieken heeft overgangen gerapporteerd met totale zuurstof van slechts 19,2 ppm relatief tot 16 ppm in steady state, terwijl een andere staalfabriek totale zuurstof van 27 +/- 5 ppm tijdens overgangen en 24 +/- 5 ppm tijdens steady gieten rapporteerde. In nog een andere staalfabriek, is de stikstofopname in tundish 5–12 ppm tijdens de startperiode van het gieten wat daalt tot 0–2 ppm na ongeveer 12 minuten gieten (steady casting staat).

Bij het einde van het gieten van een ladle, kan ladleslak de tundish binnengaan, door de vortex gevormd in het vloeibare staal nabij de ladle uitgang. Dit fenomeen vereist dat een beetje staal in de ladle gehouden wordt bij sluiten (bijv. vier ton 'hiel'). Daarnaast daalt de tundish diepte na ladle sluiting, wat de normale tundish stroom verstoort en slakvortexvorming, slakinsluiting, en verhoogde totale zuurstof in de kokervorm kan produceren.

Afscherming, argonbescherming en afdichting

Staalafscherming van ladle tot de kokervorm omvat ladle schuifpoort afscherming, ladle collector mondstuk, ladle afschermingsverbinding, tundish putblok, en bovenplaat van de tundish schuifpoort. Afschermingsontwerpvariaties zijn van groot belang in de operaties van de tundish-naar-kokervorm overdracht van vloeibaar staal. Gebruik van een geoptimaliseerd afschermingssysteem verlaagt herontzuring tijdens overdrachtsoperaties aanzienlijk. Bijvoorbeeld, gebruik van een ladle afscherming heeft stikstofopname verlaagd van 24 ppm tot 3 ppm relatief ten opzichte van open gieten in een van de staalfabrieken. In een andere staalfabriek, het vervangen van de tundish gietdoos door een ladle afscherming en dammen heeft stikstofopname (ladle naar tundish) verlaagd van 7,5 ppm tot 4 ppm, en ook slakinsluiting tijdens overgangen verlaagd. In nog een andere staalfabriek, het verbeteren van het afschermingssysteem van ladle naar tundish heeft de stikstofopname verlaagd van 14 ppm tot 3 ppm.

Afscherming van de ladle-naar-tundish stroom in een van de staalfabrieken heeft de opgeloste aluminiumverlies verlaagd van 130 ppm tot 70 ppm en de totale zuurstof toename met 12 ppm verlaagd. Bij gieten zonder afschermingen, wat gangbaar is bij billet gieten, is de turbulentie van de gietstroom erg belangrijk. Een gladde stroom insluit veel minder zuurstof dan een turbulente of 'touwachtige' stroom. Voor de productie van een gladde stroom tussen de tundish en de kokervorm in deze operaties, moeten de meetmondstukranden onderhouden worden en hoge snelheidsstroom in de tundish over de mondstukken vermeden worden. Een beschermende tundish afdekking met zorgvuldig afgedichte randen helpt ook de totale zuurstof te verlagen van 41,5 ppm tot 38 ppm.

Een verscheidenheid aan inert gas afschermingssystemen is nu beschikbaar. Totale zuurstof in het gegoten product (LCAK staal) kan verlaagd worden van 48,5 ppm tot 28,5 ppm door afscherming tussen de ladle en de tundish, en tot 23 ppm door deze afscherming plus argon afdichting. Het is zeer belangrijk om de verbindingen in de afschermingen zorgvuldig af te dichten, zowel om de zuiverheid te verbeteren als om verstopping te voorkomen. Het verbeteren van het bajonetsysteem tussen de ladle mondstuk en ladle afscherming verlaagt de stikstofopname daar van 8 ppm tot minder dan 1 ppm. Het verstevigen van de ondergedompelde inlaatmondstuk (SEN) houder en het verhogen van het onderhoud heeft de initiële stikstofopname verlaagd van 1,8 ppm tot 0,3 ppm in een van de staalfabrieken.

Inert gas kan het staal beschermen tegen lucht herontzuring op verschillende manieren. Om luchtinsluiting aan het begin van een giet te bestrijden, kan de tundish gepergd worden met inert gas (om de lucht te verdringen) vóór ladle opening, wat zowel de totale zuurstof als de stikstofopname tijdens opstart verlaagt. Argon injectie om de afschermingen onder druk te zetten kan helpen om het vloeibare staal te beschermen tegen lucht herontzuring door enige verbindingen of lekkages. Richtlijnen voor minimale argon gasstroom om positieve druk binnenin de mondstuk te garanderen, moeten worden gemaakt. Bovendien, het vloeden van de verbindingen met argon gas zorgt ervoor dat eventuele lekkages inert gas en geen lucht aspireren.

Argon injecteren in de tundish stopper staaf en verbeterde afdichting in een staalfabriek heeft stikstofopname van tundish naar gegoten product verlaagd van 5 ppm tot 1,8 ppm, totale zuurstof in het gegoten product verlaagd van 31 ppm tot 22 ppm, de grootte van alumina clusters in het gegoten product verkleind, en verstopping verminderd. Ergens anders, argon injectie door de stopper staaf verlaagde het aantal insluitsels gedetecteerd door de Mannesmann insluitsel detectie door analyse surfboards (MIDAS) methode met 25–80%. Injectie van argon gas purge door bovenplaat van de schuifpoort verlaagde de hoeveelheid 50–100 micrometer gesizeerde insluitsels van 3 per vierkante centimeter tot 0,6 per vierkante centimeter, en verlaagde 100–200 micrometer macro-insluitsels van 1,4 per vierkante centimeter tot 0,4 per vierkante centimeter.

Verstopping en nieuwe technieken bij SEN

Het mondstuk is een van de weinig controleparameters die relatief goedkoop te veranderen is, doch een diepe invloed heeft op het stroompatroon en dus op de kwaliteit van het gegoten product. Mondstukparameters omvatten boorgrootte, poorthoek en openinggrootte, mondstukwanddikte, poortvorm (rond, vierkant, of ovaal), aantal poorten (bifurceerd of multiport), mondstukbodemontwerp (put, plat, of hellend), en onderdompeling diepte. Zowel te grote als te kleine onderdompeling diepte verhoogt problemen met longitudinale kraken en transversale depressies.

Een van de studies heeft het voorkomen van korund (Al₂O₃) dat de booroppervlakte van mondstukken bedekt gebruikt voor aluminium gedood staal gietblokken vroeg in 1949 gevonden. Een andere studie heeft gevonden dat mondstukblokkering optrad met hoge aluminium niveaus (0,0036%) en dat mondstukdoorsnede dendrietvormige groei van alumina van de mondstukwand naar de boor onthulde. Nog een andere studie heeft verstoppingen van aluminium, zirconium, titanium, en de zeldzame aarden waargenomen.

Mondstukverstoppingen worden veroorzaakt door herontzuring, of door de accumulatie van vaste oxiden of sulfiden, zoals alumina en calcium sulfide (CaS) in het staal. Naast het interfereren met het productieproces, is tundish mondstuk/SEN verstopping nadelig voor staalzuiverheid om verschillende redenen: (i) losgemaakte verstoppingen raken ofwel in het staal vast, ofwel veranderen de flux samenstelling, wat in beide gevallen tot defecten leidt, (ii) verstoppingen veranderen het mondstukstroompatroon en straalkenmerken die het mondstuk verlaten, wat de stroom in de kokervorm verstoort, leidend tot slakinsluiting en oppervlaktedefecten, en (iii) verstopping interfereert met kokervorm niveaucontrole, aangezien het stroomcontrole apparaat (stopper staaf of schuifpoort) probeert te compenseren voor de verstopping.

De remedie voor het mondstukverstoppingsprobleem omvat het verbeteren van staalzuiverheid door ladle praktijken te verbeteren, het implementeren van gladde en niet-reagerende refractairen, en het controleren van vloeistofstroom door het mondstuk voor het garanderen van een glad stroompatroon. Het veranderen van een drie-plaat schuifpoort systeem naar een stopper staaf systeem heeft verstopping verminderd in een van de staalfabrieken. Verschillende praktijken kunnen gebruikt worden om verstopping te minimaliseren. Naast het nemen van algemene maatregelen om insluitsels te minimaliseren, kan verstopping door refractaire erosie tegengegaan worden door mondstukrefractaire samenstelling te controleren (bijv. vermijden van natrium, kalium, en silicium onzuiverheden), of het bekleden van de mondstukwanden met zuivere alumina, boornitride, of ander weerstandsmateriaal. Er zijn verschillende nieuwe technieken bij SEN die gerapporteerd zijn om het vloeistofstrooimpatroon en insluitselverwijdering te verbeteren, zoals: (i) zwier-mondstuk techniek, (ii) trap mondstuk techniek, (iii) multi-poorten mondstuk, en (iv) ovaal offset boor throttle plaat.

Zwier-mondstuk techniek

Een vast blad geplaatst aan de upstream kant van de SEN induceert een zwierstroom in het mondstuk. De centrifugaalkracht gegenereerd door de zwierstroom in het mondstuk kan het vloeibare staal gelijkmatig verdelen over zijn twee uitlopen. Aangezien vloeibare staalstroom met centrifugaalkracht de maximumsnelheid heeft in de buurt van de wand binnenin het mondstuk, neigt het ertoe uit het bovenste deel van de uitloop te stromen. Daarom kan de snelheidsverdeling die neigt om hogere waarden te hebben richting het lagere deel van de uitloop met een conventioneel mondstuk uniform worden. Het is gerapporteerd dat door gebruik van deze zwiermondstuk voor continue gieting, het defectverhouding van eindproducten (rollen) is gedaald tot 25% van de conventionele mondstukken, en giet snelheid is gestegen met 30%. De kosten zijn alleen 20% hoger dan de kosten van het conventionele en dus goedkoper dan het gebruik van een 'elektromagnetische rem'. Dit zwierstrooimpatroon kan ook gegenereerd worden door 'elektromagnetische roering' aan het mondstuk, wat ook de solidificatiestructuur van het gegoten staal kan verbeteren.

Trap mondstuk

Het stroompatroon aan uit-poorten van conventionele SEN is onevenmatig of bevooroordeeld vanwege de schuifpoort van SEN. Dit bevooroordeelde stroompatroon (zwierstroom aan uit-poorten van SEN) verhoogt de inslag van de straal, en verergerd dus insluitselverwijdering naar bovenoppervlak. Door gebruik van binnenste annulaire trappen, kan het bevooroordeelde stroompatroon in de kokervorm verzwakt worden. De berekening suggereert dat de verwijderingsfractie van 50 micrometer insluitsels naar het bovenoppervlak van de kokervorm 2% is met de conventionele SEN, maar stijgt tot 7% met het gebruik van de getrapte SEN.

Ovaal offset boor throttle plaat

In het conventionele systeem resulteert poortdrosseling in een sterk scheef en bevooroordeelde stroom in het tundish-naar-kokervorm stroomkanaal zowel upstream als downstream van de poort. Deze effecten hebben de offset boor systeem aanzienlijk verminderd. Het offset poort ontwerp haalt het vloeistof meer centraal uit de tundish put mondstuk. Daarom is het systeem minder gevoelig voor enige opbouw op de wanden van de put mondstuk, wat de bruikbare levensduur van de tundish put mondstuk verlengt en dus, langere tundish reeksen toestaat. In de praktijk is ook gevonden dat verstopping binnen de platen van de offset boor poort aanzienlijk verminderd is vergeleken met de conventionele poort.

Meerdere uit-poorten

Het is bekend dat de oppervlaktesnelheid van de kokervorm een groot effect heeft op slakinsluiting en bovenoppervlaktefluctuaties. Verschillende defecten zijn gerelateerd aan de oppervlaktesnelheid van de kokervorm. Dus het verlagen van de oppervlaktesnelheid is erg belangrijk om de staalzuiverheid te verbeteren. Deze taak kan gericht worden door het gebruik van meerdere uit-poorten bij SEN. Toevoeging van een bodemgat bij SEN verlaagt de impuls van de zijstroom, zodat het mogelijk is om een goede staalstroom en meniscusconditie zelfs onder hoge doorvoer te krijgen die beter gestabiliseerd is.

Kokervorm en bedrijfsvoering van continue gietmachine

Het continue giet kokervorm gebied is de laatste verfijningstap waar insluitsels ofwel veilig verwijderd worden in de bovenslaklaag of ze geraakt worden in de solidifierende schil om permanente defecten in het staalproduct te vormen. Mcpherson heeft de woorden 'kokervorm metallurgie' in 1985 gebruikt om het belang van de kokervorm te benadrukken voor het verbeteren van staalzuiverheid. Het kokervorm stroompatroon is zeer belangrijk voor het vermijden van defecten aangezien het deeltjestransport en verwijdering naar de bovenslak of insluiting door de solidifierende schil beïnvloedt.

Bovenoppervlaktecontrole

Te veel stroom richting het bovenoppervlak genereert oppervlaktedefecten, door transiënten, turbulentie aan de meniscus, en insluitselproblemen van slakinsluiting. Echter, het te veel verminderen van oppervlaktestromen kan ook problemen genereren. Deze omvatten oppervlaktedefecten door het meniscusgebied te stagnant te laten worden, en een hogere fractie van inkomende insluitseldeeltjes die diep worden gestuurd voordat ze in de slak kunnen worden verwijderd. Daarom moet een balans gevonden worden om de stroomparameters te optimaliseren om defecten te vermijden.

De meest voor de hand liggende bron van oppervlaktedefecten is de opvang van vreemde deeltjes in de solidifierende schil aan de meniscus. Als de staalstraal te diep gericht is of te weinig overhitting heeft, dan heeft het vloeibare oppervlak zeer weinig beweging en wordt te koud. Dit kan leiden tot bevriezing van de staalmeniscus, wat de vorming van meniscushaken verergerdt. Dit stelt insluitsels en bellen in staat om opgevangen te worden, de laatste vormend speldgaten net onder het oppervlak van het gegoten product. Als voorbeeld, het verlagen van de oppervlaktesnelheid onder 0,4 meter/seconde (m/s) is gemeten om oppervlakte speldgatdefecten te verhogen. Om deze problemen te vermijden, moet het stroompatroon ontworpen worden om een kritieke minimumsnelheid over het bovenoppervlak te overschrijden, wat geschat wordt op ongeveer 0,1–0,2 m/s.

Slakinsluiting is minder waarschijnlijk met diepere mondstukonderdompeling en langzamere giet snelheid. Om afscharen van slak op deze manier te vermijden, moet de oppervlaktesnelheid onder een kritieke waarde gehouden worden. Deze kritieke snelheid is gemeten in water-olie modellen als functie van viscositeit en andere parameters. Insultring is moeilijker voor ondiepere slaklagen, hogere slakviscositeit, en hogere slakoppervlaktespanning.

Een maximum limiet van de argon gas injectie stroomsnelheid in het mondstuk is gerapporteerd als functie van de giet snelheid, waarboven kokervorm slakinsluiting plaatsvindt. Toenemende giet snelheid neigt transiënte turbulente fluctuaties te verhogen, en verergerd de mate van stroompatroon asymmetrieën. Dit verergerd op zijn beurt nadelige oppervlakte turbulentie en niveafluctuaties. Het verbeteren van interne zuiverheid vereist frequent het beperken van de maximum giet snelheid, om potloodpijp defecten te vermijden. Lagere giet snelheid en het vermijden van variaties in giet snelheid verlagen allebei de snelheid van slivers. Preciezer gezegd, is het belangrijk om de vloeibare massa stroomsnelheid te verlagen om de straalsnelheid die het mondstuk verlaat te controleren.

Vloeistofstrooipatroon

Het kokervorm stroompatroon wordt gecontroleer door instelbare parameters zoals mondstukgeometrie, mondstukonderdompeling diepte, argon gas injectie snelheid, en de toepassing van elektromagnetische krachten. Het hangt ook af van parameters die normaal niet aangepast kunnen worden om het stroompatroon te accommoderen, zoals de positie van het stroomcontrole apparaat (schuifpoort of stopper staaf), mondstukverstopping, giet snelheid, strand breedte, en strand dikte. Al deze parameters samen vormen een systeem dat ontworpen moet worden om een optimaal stroompatroon te produceren voor een gegeven operatie.

Bellen, die in het mondstuk en de kokervorm geïnjiceerd worden, hebben vijf effecten gerelateerd aan de controle van de staalkwaliteit. Deze effecten zijn: (i) helpen mondstukverstopping te verminderen, (ii) helpen beïnvloeden en controleren van het stroompatroon in de kokervorm, (iii) genereren van ernstige bovenoppervlakte fluctuaties, zelfs emulsificatie als gasstroomsnelheid te groot is, (iv) insluitsels vangen terwijl ze in het vloeibare staal stromen, en (v) bellen ingesloten vaste oxide deeltjes gevangen door gesolidificeerde schil leiden uiteindelijk tot oppervlakte slivers of interne defecten.

Normaal neigt lage gasstroom naar dubbele-rol stroompatroon, terwijl een hoge argon stroomsnelheid enkel-rol stroom induceert. Dit fenomeen is bestudeerd zo vroeg als 1983. Voor het handhaven van een stabiel dubbele-rol stroompatroon, wat frequent optimaal is, moet de argon veilig onder een kritiek niveau gehouden worden. Overmatige argon injectie kan transiënte variaties van de straalen die de kokervorm binnengaan genereren, asymmetrie in de kokervormholte introduceren, en oppervlakte turbulentie verhogen. Argongasbellen kunnen ook in het solidifierende staalprofiel vastlopen om blaasdefecten te vormen, zoals potloodpijp in het eindproduct.

Het is waargenomen dat insluitselinsluiting varieert van kant tot kant, wat een link suggereert met variaties in de transiënte stroomstructuur van de lagere recirculatiezone, en het asymmetrische stroompatroon (Fig. 3), wat geïnduceerd kan worden door mondstukverstopping, door turbulentie, en door overmatige argon gas injectie. Het is met name belangrijk om de vloeibare staalniveau in de kokervorm, poeder voedsnelheid, giet snelheid, gas injectie snelheid, schuifpoort opening, en mondstukpositie (uitlijning en onderdompeling) bijna constant te houden.

Elektromagnetische krachten kunnen op een aantal manieren op het vloeibare staal toegepast worden om het stroompatroon in de strand aanzienlijk te veranderen. Het is gerapporteerd dat elektromagnetische roering van buitenste strengen de staalzuiverheid kan verbeteren, totale zuurstof in het gegoten product verlaagd van 30 ppm tot 20 ppm. Een ander voorbeeld is de elektromagnetische rem (EMBR), die de straal buigt en de inslagdiepte verkort, om de waarschijnlijkheid van opvang door de gesolidificeerde schil diep in de strand te verlagen.

Gietmachine kromming

Continue gietmachines met gebogen kokervorm zijn bekend om meer deeltjes in te sluiten dan rechte (verticale) kokervorm gietmachines (Fig. 3), aangezien de deeltjes geleidelijk omhoog bewegen richting de binnenstraal terwijl ze spiralen met het vloeibare in de lagere recirculatiezone. De meerderheid van de deeltjes wordt gevangen 1–3 m onder de meniscus, onafhankelijk van giet snelheid, wat overeenkomt met een specifieke afstand door de stranddikte. Frequent concentreren insluitsels aan het oppervlak en één achtste tot één vierde van de dikte vanaf de bovenkant van de binnenstraal oppervlak. De verticale buigende gietmachine heeft minder insluitsels en speldgaten, die dieper verdeeld zijn, ten opzichte van de gebogen gietmachine. Deeltjesinsluitingsdefecten zoals potloodpijp kunnen verminderd worden als ten minste de bovenste 2,5 m sectie van de gietmachine recht (verticaal) is.

Insluitsel detectiemethoden

De hoeveelheid, grootteverdeling, vorm en samenstelling van insluitsels moeten gemeten worden in alle stadia van de staalproductie. Meettechnieken variëren van directe methoden, die nauwkeurig maar duur zijn, tot indirecte methoden, die snel en goedkoop zijn, maar alleen betrouwbaar zijn als relatieve indicatoren. De insluitsel detectiemethoden worden soms verdeeld in twee categorieën: (i) off-line methoden, en (ii) online methoden.

Directe methoden

Er zijn verschillende directe methoden om staalzuiverheid te evalueren. Deze methoden worden hieronder beschreven.

Insluitsel evaluatie van vaste staalsecties

Verschillende traditionele methoden evalueren direct insluitsels in een twee-dimensionale doorsnede door gesolidificeerde productmonsters. De laatste vijf van de hieronder beschreven methoden voegen de mogelijkheid toe om de samenstelling van de insluitsels te meten.

• Metallografische microscopische observatie (MMO) – MMO methode kan alleen de twee-dimensionale doorsnede van een insluitsel onthullen, hoewel insluitsels drie-dimensionaal van aard zijn.
• Beeldanalyse (IA) – Deze verbetering van MMO verbetert de oogwaarneming door gebruik te maken van hoge snelheid computerevaluatie van video-gescande microscopische beelden om donkere en lichtere gebieden te onderscheiden op basis van een grijswaarde afsnijwaarde.
• Zwavelprint – Het is een populaire en goedkope macro-grafische methode die macro-insluitsels en kraken onderscheidt door zwavelrijke gebieden te etsen. Het heeft dezelfde kwesties als de andere twee-dimensionale methoden.
• Scanning elektronenmicroscopie (SEM) – Deze methode onthuld duidelijk de drie-dimensionale morfologie en de samenstelling van elke insluitsel. Samenstelling kan ook gemeten worden met 'electron probe micro analyzer' (EPMA). Echter, uitgebreide monsterbereiding is nodig om de insluitsel(s) te vinden en bloot te leggen.
• Optische emissiespectrometrie met puls discriminatie analyse (OES-PDA) – De optische emissiespectrometrie (OES) methode analyseert elementen opgelost in vloeibaar staal. Insluitsels veroorzaken hoge intensiteit vonkpieken (relatief tot het achtergrondsignaal van de opgeloste elementen), die geteld worden om de PDA (puls discriminatie analyse) index te geven.
• Laser micro-probe massa spectrometrie (LAMMS) – In deze methode worden individuele deeltjes bestraald door een gepulste laserstraal, en de laagste laserintensiteit boven een drempelwaarde van ionisatie wordt geselecteerd voor zijn karakteristieke spectrum patronen vanwege hun chemische toestanden. Pieken in LAMMS spectra zijn geassocieerd met elementen, gebaseerd op vergelijking met referentiemonsterresultaten.
• X-stralen foto-elektron spectroscopie (XPS) – Deze methode gebruikt x-stralen om de chemische toestand van individuele insluitsels groter dan 10 micrometer in kaart te brengen.
• Auger elektronen spectroscopie (AES) – Deze methode gebruikt elektronenstralen om de samenstelling van kleine gebieden nabij het oppervlak van platte monsters in kaart te brengen.
• Kathodoluminescentie microscopie – Onder de microscoop wordt het staal- of bekledingsmonster segment gestimuleerd door een kathodestraal (energetische elektronenstraal), om kathodoluminescentie (CL) te induceren. De kleur van CL hangt af van het metaaliontype, elektrisch veld, en spanning, wat insluitsels detecteerbaar maakt.

Insluitsel evaluatie in driedimensionale staalmatrix

Verschillende methoden meten direct insluitsels in de driedimensionale staalmatrix. De eerste vier van deze scannen door het monster met ultrasoon of x-stralen. De laatste vier van deze volumetrische methoden scheiden eerst de insluitsels van het staal.

• Conventionele ultrasone scanning (CUS) – In deze methode emiteert de transducer (typisch piezoelektrisch) een geluidsdrukgolf die overgebracht wordt in het monster met behulp van een koppelgel. De geluidsgolven planten zich door het monster fort, reflecteren aan de achterwand en keren terug naar de transducer. De grootte van de initiële invoerpuls en de gereflecteerde signalen worden vergeleken op een oscilloscoop om de interne kwaliteit van het monster aan te geven. Belemmerende objecten in het pad van het geluid verstrooien de golfenergie. Deze non-destructieve methode detecteert en telt insluitsels groter dan 20 micrometer in gesolidificeerde staalmonsters.
• Mannesmann insluitsel detectie door analyse surfboards (MIDAS) – In MIDAS methode worden de staalmonsters eerst gewalst om de porositeit te verwijderen en vervolgens ultrasoon gescand om zowel de vaste insluitsels als samengestelde vaste insluitsels/gasporiën te detecteren. Deze methode is nu hernoemd als de 'liquid sampling hot processing' (LSHP) methode.
• Scanning akoestische microscopie (SAM) – In deze methode wordt een kegelvormig volume van continuaal gegoten product gescand met een spirale detector, zoals een vast ultrasoon systeem, wat automatisch insluitsels detecteert op elke locatie in het gebied van het monsteroppervlak, inclusief van oppervlak tot centrumlijn van het product.
• X-stralen detectie – Door deze methode worden insluitselbeelden gedetecteerd door hun veroorzakende variatie in de demping van x-stralen doorgestuurd door het vaste staal. Een insluitselverdeling kan geconstrueerd worden door een monster in verschillende wafers te verdelen en elk te onderwerpen aan conventionele x-stralen om penetrameter radiografieën te printen voor beeldanalyse.
• Chemische ontbinding (CD) – In de CD methode wordt zuur gebruikt om het staal op te lossen en de insluitsels deels te extraheren. De insluitselmorfologie en samenstelling kan gedetecteerd worden door een andere methode zoals SEM, of volledig geëxtraheerd door het complete staalmonster op te lossen. De drie-dimensionale aard van insluitsels kan onthuld worden door deze methode. Het nadeel is dat het zuur FeO, MnO, CaO, en MgO in de insluitsels oplost. Daarom is deze methode goed om alleen alumina en silica insluitsels te detecteren.
• Slijm (elektrolyse) techniek – Deze methode heet ook 'potentiostatische ontbindingstechniek'. Een relatief groot (200 gram tot 2 kilogram) staalmonster wordt opgelost door elektrische stroom door het staalmonster geïmmerserd in een ferri-chloride of ferri-sulfaat oplossing te laten lopen. Deze methode wordt gebruikt om de individuele, intacte insluitsels te onthullen. Een nadeel van deze methode is dat cluster insluitsels mogelijk in afzonderlijke deeltjes uiteenvallen na extractie uit staal.
• Elektronenstraal (EB) smelten – In deze methode wordt een monster van aluminium gedood staal gesmolten door een elektronenstraal onder vacuüm. Insluitsels zweeven naar het bovenoppervlak en vormen een vlot op de vloeibare monster. De normale EB index is de specifieke oppervlakte van de insluitselvlot. Een verbeterde methode (EB-EV – 'extreme value') is ontwikkeld om de insluitselgrootteverdeling te schatten.
• Koude kors (CC) smelten – Insluitsels worden eerst geconcentreerd aan het oppervlak van het gesmolten monster als in de EB smelten. Na afkoeling wordt het monsteroppervlak dan opgelost, en de insluitsels uit de stof gefilterd. Deze methode verbetert EB smelten door een groter monster te smelten en in staat te zijn om silica te detecteren.
• Fractionele thermische decompositie (FTD) – Wanneer temperatuur van een staalmonster zijn smeltpunt overschrijdt, kunnen insluitsels onthuld worden op het oppervlak van het vloeibare en gedecomposeerd. Insluitsels van verschillende oxiden worden selectief gereduceerd bij verschillende temperaturen, zoals alumina-gebaseerde oxiden bij 1.400 °C of 1.600 °C, of refractaire insluitsels bij 1.900 °C. De totale zuurstofinhoud is de som van de zuurstofinhouden gemeten bij elke verhitingsstap.
• Magnetische deeltjes inspectie (MPI) – Deze methode heet ook magnetische lekkage veld inspectie en kan insluitsels groter dan 30 micrometer in staalplaatproducten lokaliseren. De testprocedure bestaat uit het genereren van een homogeen veld binnenin het staalblad dat parallel is aan het bladoppervlak. Als een inhomogeniteit (zoals een insluitsel of een poort) aanwezig is, dwingt het verschil in magnetische gevoeligheid het magnetische fluxveld om te buigen en zich uit te strekken buiten het oppervlak van het blad. Het hoofdnadeel van deze methode is slechte resolutie van insluitsels die dicht bij elkaar zijn.

Insluitselgrootteverdeling na insluitsel extractie

Verschillende methoden kunnen driedimensionale insluitselgrootteverdelingen vinden na het extraheren van de insluitsels uit het staal met een geschikte eerder beschreven methode.

• Coulter teller analyse – In deze methode worden deeltjes die in de sensor stromen door zijn minuscule gat gedetecteerd omdat ze de elektrische geleidbaarheid over een kloof veranderen. De methode meet de grootteverdeling van insluitsels geëxtraheerd door slijm en in water opgeschort.
• Foto-verstrooiingsmethode – Foto-verstrooiingssignalen van insluitsels (die geëxtraheerd zijn uit een staalmonster met een andere methode zoals slijm), worden geanalyseerd om de grootteverdeling te evalueren.
• Laser diffractie deeltjesgrootte analyzer (LDPSA) – Deze lasertechniek kan de grootteverdeling van insluitsels evalueren die geëxtraheerd zijn uit een staalmonster met een andere methode zoals slijm.

Insluitsel evaluatie van vloeibaar staal

Er zijn verschillende benaderingen die gebruikt kunnen worden om de insluitselhoeveelheid en de grootteverdeling in het vloeibare staal te detecteren.

• Ultrasonische technieken voor vloeibaar systeem – Deze methode vangt de reflecties van ultrasone pulsen om on-line insluitsels in het vloeibare staal te detecteren.
• Vloeibaar metaal zuiverheidsanalyzer (LIMCA) – Deze on-line sensor gebruikt het principe van de 'Coulter teller' om insluitsels direct in het vloeibare staal te detecteren. Deze methode wordt normaal gebruikt voor aluminium en andere metalen, en is nog steeds in ontwikkeling voor staal.
• Confocale scanning laser microscoop – Deze nieuwe in-situ methode kan het gedrag van individuele insluitsels waarnemen die bewegen op het oppervlak van het vloeibare staal, inclusief hun nucleatie, botsing, agglomeratie, en duwen door interfaces. Het gedetecteerde alumina insluitsel clusteringsproces op een vloeibaar oppervlak door deze methode is getoond in Fig. 4.
• Elektromagnetische visualisatie (EV) – Dit Lorentz-kracht gebaseerde detectiesysteem wordt gebruikt om insluitsels te versnellen naar het bovenste vrije oppervlak van het monster van vloeibare metalen en hoog geleidende opake vloeistoffen. De techniek heeft betere resolutie dan andere on-line methoden.

Indirecte methoden

Vanwege de kosten, tijdvereisten, en bemonsteringsmoeilijkheden van directe insluitselmetingen, wordt staalzuiverheid normaal in staalfabrieken gemeten met totale zuurstof, stikstofopname, en andere indirecte methoden.

Totale zuurstofmeting

De totale zuurstof in het staal is de som van de vrije zuurstof (opgeloste zuurstof) en de zuurstof gecombineerd als insluitsels. Vrije zuurstof of 'actieve' zuurstof kan relatief gemakkelijk gemeten worden met zuurstofsensoren. Het wordt voornamelijk gecontroleerd door evenwichtsthermodynamica met ontzurende elementen, zoals aluminium. Aangezien de vrije zuurstof niet veel varieert, bijvoorbeeld 3–5 ppm bij 1.600 °C voor aluminium gedood staal. De totale zuurstof is een redelijke indirecte maat voor de totale hoeveelheid oxide insluitsels in het staal, aangezien er een kleine populatie van grote insluitsels in het staalmonster is. Dus, de totale zuurstofinhoud vertegenwoordigt werkelijk het niveau van kleine oxide insluitsels alleen. De totale zuurstof gemeten van vloeibare monsters correleert ruwweg met de incidentie van slivers in het product. In het bijzonder worden tundish monsters normaal genomen om de zuiverheid voor de gegoten staal dispositionering aan te geven.

Een van de staalfabrieken vereist de totale zuurstof in de tundish monsters minder dan 30 ppm om verzending van koudgewalste plaat zonder speciale inspectie te garanderen. De algemene conclusies getrokken uit de data van de totale zuurstofniveaus in LCAK staal bij elke verwerkingsstap in verschillende staalfabrieken zijn: (i) totale zuurstof in LCAK staal is met de jaren gestaag gedaald, naarmate nieuwe technologie geïmplementeerd wordt, (ii) fabrieken met RH (Ruhrstahl Heraeus) degassingsunit bereiken lagere totale zuurstof (10–30 ppm) dan fabrieken met ladle gas roeren (35–45 ppm), en (iii) de totale zuurstof daalt normaal na elke verwerkingsstap zoals 40 ppm in de ladle, 25 ppm in de tundish, 20 ppm in de kokervorm, en 15 ppm in het gegoten product. Fig. 5 toont de relatie tussen totale zuurstof in tundish en sliver defect index.

Stikstofopname

Het verschil in stikstofgehalte tussen staalproductievaten is een indicator van de lucht ingesloten tijdens overdrachtsoperaties. Daarom dient stikstofopname als een ruwe indirecte maat voor totale zuurstof, staalzuiverheid, en kwaliteitsproblemen van herontzuring insluitsels. Bijvoorbeeld, een staalfabriek beperkt stikstofopname van ladle naar tundish tot minder dan 10 ppm voor kritische schone staaltoepassingen. De zuurstofopname is altijd veelvuldig hoger dan de gemeten stikstofopname, vanwege zijn snellere absorptiekinetiek aan de lucht-staal interface. Fig. 3 toont de relatie tussen stikstofopname en totale zuurstof. Bovendien is stikstofopname sneller wanneer de zuurstof- en zwavelgehalten laag zijn. Daarom is voor de reductie van de stikstofopname, ontzuring het best uitgevoerd na tappen. Fabrieksmetingen bevestigen dit, aangezien stikstofopname gereduceerd is van 10–20 ppm voor ontzuring tijdens tappen tot 5 ppm na tappen.

De algemene conclusie getrokken uit de data van minimale stikstofopname en stikstofgehalten gemeten in LCAK staal bij elke verwerkingsstap (behalve tundish en kokervorm) voor verschillende staalfabrieken is dat de stikstof in LCAK staal gegoten producten rond 30–40 ppm is bij de meerderheid van de staalfabrieken. Het wordt voornamelijk gecontroleerd door de staalproductieconverter of elektrische oven operatie, maar wordt ook beïnvloed door secundaire staalproductie en afschermingsoperaties. Echter, de stikstofopname daalt met de jaren, door nieuwe technologieën en verbeterde operaties. Stikstofopname kan normaal gecontroleerd worden op 1–3 ppm van ladle tot de kokervorm. Met optimale overdrachtsoperaties om luchtinsluiting te minimaliseren, kan deze opname tijdens steady state gieten verlaagd worden tot minder dan 1 ppm.

Concentratiemeting

Voor LCAK stalen geeft het opgeloste aluminiumverlies ook aan dat herontzuring heeft plaatsgevonden. Echter, deze indicator is een minder nauwkeurige maat dan stikstofopname, aangezien aluminium ook geoxideerd kan worden door de slak. De siliciumopname, mangaanopname kunnen ook gebruikt worden om het herontzuringproces te evalueren.

Bekledingsrefractaire observatie

Analyse van de bekledingsrefractaire samenstellingsevolutie voor en na operaties kan gebruikt worden om insluitselabsorptie aan de bekleding en de bekledingserosie te schatten. Ook, de oorsprong van een complexe oxide insluitsel kan herleid worden tot bekledingsrefractaire erosie door de minerale en elementfracties in de slak met de insluitselsamenstelling te matchen.

Slaksamenstelling meting

Analyse van de slaksamenstellingsevolutie voor en na operaties kan geïnterpreteerd worden om insluitselabsorptie aan de slak te schatten. Ook, de oorsprong van een complexe oxide insluitsel kan herleid worden tot slakinsluiting door de minerale en elementfracties in de slak met de insluitselsamenstelling te matchen. Echter, deze methoden zijn niet gemakkelijk vanwege de bemonsteringsmoeilijkheden en aangezien veranderingen in het thermodynamisch evenwicht in aanmerking genomen moeten worden.

Tracer studies voor bepaling exogene insluitsels van slak en bekledingserosie

Tracer oxiden kunnen toegevoegd worden aan slakken en bekledingen in ladle, tundish, kokervorm, of gietblok trompet, en topcompound. Typische insluitsels in het staal worden dan geanalyseerd door SEM en andere methoden. Als de tracer oxiden in deze insluitsels gevonden worden, dan kan de bron van deze insluitsels besloten worden.

Ondergedompeld inlaatmondstuk (SEN) verstopping

Korte SEN levensduur door verstopping is soms een indicator van slechte staalzuiverheid. De samenstelling van een typische verstopping tijdens LCAK staal continue gieting bestaat uit Al₂O₃ – 51,7%, Fe – 44%, MnO – 2,3%, SiO₂ – 1,4%, en CaO – 0,6%, wat aantoont dat mondstukverstoppingen frequent veroorzaakt worden door een gelijktijdige opbouw van kleine alumina insluitsels en bevroren staal. Daarom is SEN verstoppingfrequentie een andere ruwe methode om staalzuiverheid te evalueren.

Eindproduct testen

De ultieme maat van zuiverheid is om destructieve mechanische testen te gebruiken om vormbaarheid, dieptrekken, en/of buigeigenschappen van het eindplaatproduct te meten, of vermoeidingslevensduur van testmonsters of productmonsters. Andere staalplaatstesten omvatten de HIC test en magnetoscopie. Een ander voorbeeld is de insluitsel inspectiemethode in ultra-sonische vermoeidingstest. Deze testen zijn nodig om feiten onthullen zoals het potentiële voordeel van zeer kleine insluitsels (minder dan 1 micrometer), die niet geteld moeten worden tegen zuiverheid.

Uit het bovenstaande is te zien dat er geen enkele ideale methode is om staalzuiverheid te evalueren. Sommige methoden zijn beter voor kwaliteitsmonitoring, terwijl anderen beter zijn voor probleemonderzoek. Daarom is het nodig om verschillende methoden te combineren om een nauwkeurigere evaluatie van staalzuiverheid in een gegeven operatie te geven.

Aangezien exogene insluitsels kunnen afstammen van een combinatie van verschillende bronnen, zijn methoden voor hun preventie niet waarschijnlijk simpel. Het is alleen door de juiste combinatie van al deze bronnen en verwijderingsmechanismen dat de incidentie van grote insluitsels in de stalen gereduceerd kan worden. Voor de detectie van de exogene insluitsels in staal, zijn de methoden die geschikt zijn: ultrasone scanning, microscopische observatie, zwavelprint, slijm (elektrolyse), X-stralen, SEM, slaksamenstelling analyse, en refractaire observatie.