Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 381

тает строгую квадратную форму. При этом толщина твердой ко-

рочки по всему поперечному сечению заготовки сохраняется по-

стоянной. Использование технологии «Convex» на промышлен-

ных МНЛЗ позволило повысить скорость разливки на сортовой

МНЛЗ металлургического завода «Trinecke Zeleziarne» (Чехия) до

6,4 м/мин (квадрат 108 мм) [49]. Уже в 1997 г. технология ис-

пользовалась в мире на

одиннадцати МНЛЗ, что в сумме соста-

вило 46 ручьев. Это составляло примерно треть от всего количе-

ства скоростных ручьев в мире.

Таким образом, процессы отвода тепла от поверхности

твердой корочки заготовки через стенки кристаллизатора имеют

определяющее значение с точки зрения динамики нарастания

твердой фазы и, как следствие, формирования поверхностных и

подповерхностных дефектов

. Для обеспечения высокой произво-

дительности МНЛЗ и требуемого качества поверхности ведущие

производители МНЛЗ стремятся к оптимизации геометрической

формы кристаллизатора, отходя от классических конструкций

кристаллизаторов. Благодаря этому для сортовых МНЛЗ достиг-

нуто повышение скорости вытяжки заготовки в 2 - 3 раза. Види-

мо, усилия в области создания оптимальной геометрической

формы кристаллизатора будут продолжаться, что

позволит раз-

ливать сталь с еще большими скоростями.

Между тем, неравномерный отвод тепла от затвердеваю-

щей заготовки вызывает неодинаковое распределение температур

в твердой корочке, что обусловливает возникновение в ней внут-

ренних напряжений, которые являются причиной деформирова-

ния заготовки в поперечном и продольном сечении. Это приводит

к развитию многочисленных поверхностных и внутренних

де-

фектов, снижающих качественные показатели и механические

382 Металлургические мини-заводы

свойства литого металла, и сокращению срока службы металло-

изделий из них.

К числу наиболее значимых дефектов, связанных с внут-

ренними напряжениями, можно отнести наружные и внутренние

продольные, поперечные и диагональные трещины, а также де-

фекты усадочного происхождения. Основными причинами разви-

тия указанных дефектов являются:

• высокая скорость кристаллизации и низкая прочность

лито-

го металла при высоких температурах;

• высокое содержание серы при низком содержании марганца

в стали, понижающее пластические свойства стали, что яв-

ляется основной причиной снижения качества непрерыв-

ных заготовок;

• загрязненность разливаемого металла неметаллическими

включениями, которые следует связывать с технологией

внепечной обработки и разливки стали;

• нестабильность заполнения кристаллизатора

жидкой ста-

лью, а также несимметричность движения потоков металла

в жидкой ванне кристаллизатора;

• нестабильность температуры разливки стали и величина

превышения температуры разливки (в промковше) над

температурой ликвидуса и неравномерность распределения

тепловых полей внутри кристаллизатора.

С точки зрения причин образования макротрещин наи-

больший интерес представляют главные параметры, влияющие на

их возникновение

: прочность, деформационная способность и

скорость деформации металла при температурах затвердевания

стали. В так называемом «эффективном» интервале кристаллиза-

ции наблюдается резко выраженный провал пластичности метал-

ла. Основной механизм пластической деформации в твердо-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 383

жидком состоянии заключается во взаимном перемещении кри-

сталлитов, причем сами кристаллиты при этом могут деформиро-

ваться. Принято считать, что верхней границей «эффективного»

интервала кристаллизации является температура переплетения и

срастания дендритов в кристаллический каркас. Последний мо-

жет образовываться и в отсутствии срастания, когда при дефор-

мировании кристаллизующегося металла происходит заклинива-

ние кристаллитов

. Нижней границей «эффективного» интервала

кристаллизации является температура реального солидуса. Эта

температура в диапазоне скоростей деформации, имеющих место

при непрерывной разливке стали, практически является границей

температурного интервала хрупкости, при переходе через кото-

рую резко изменяется механизм деформации металла, а именно

наряду с межкристаллитными смещениями интенсивно развива-

ется пластическая деформация самих кристаллитов.

Для предупреждения нарушения сплошности металла не-

обходимо, чтобы вследствие усадки стали, температурных на-

пряжений и ферростатического давления суммарные напряжения,

деформационная способность и скорость деформации не превы-

шали их критических значений, при которых наступает разрыв

металла.

На деформационные свойства стали в значительной степе-

ни влияет скорость развития деформации. С увеличением содер-

жания

углерода допускаемая скорость деформации увеличивает-

ся. Поэтому средне- и высокоуглеродистые стали имеют мень-

шую склонность к образованию трещин. Как показывают данные

различных исследователей, увеличение скорости деформации

уменьшает допустимую деформацию для всех марок стали. Де-

формация металла весьма существенно влияет также и на допус-

тимые напряжения в затвердевающей стали. Последний показа-

384 Металлургические мини-заводы

тель в значительной степени связан с наличием в стали фосфора,

серы и марганца.

Химический состав стали во многом определяет свойства в

интервале температур кристаллизации. Так, присутствие углеро-

да и серы оказывает заметное влияние на склонность к трещино-

образованию [352 - 354]. С повышением содержания углерода c

0,1 до 0,18 % прочность стали возрастает почти линейно. При со-

держании углерода 0,18 - 0,20 % сталь обладает максимальной

прочностью и аномально низкими пластическими характеристи-

ками. Собственно в этом диапазоне содержания углерода сталь

по фронту затвердевания не обладает способностью к пластиче-

ской деформации. При дальнейшем увеличении содержания уг-

лерода прочность стали постепенно уменьшается. Увеличение

содержания серы от 0,025 % до 0,045 % уменьшает предел проч-

ности при растяжении,

причем особенно заметное снижение

прочности имеет место в пределах изменения содержания серы

от 0,025 до 0,030 %.

Хотя максимальное значение предела прочности при рас-

тяжении и имеет место при концентрации углерода примерно

0,18 %, сталь с таким содержанием углерода особенно склонна к

образованию трещин. Это позволяет предположить, что пластич-

ность (способность к пластической деформации) оказывает

большее влияние на склонность стали к трещинообразованию,

чем прочность, так как при содержании углерода 0,18 - 0,20 %

сталь по фронту затвердевания практически не обладает способ-

ностью к пластической деформации.

Многочисленные экспериментальные исследования, рас-

смотренные, например, в работе [352], показывают, что допусти-

мая полная деформация сильно зависит от соотношения Mn/S.

Для Mn/S ≤ 25 при разрыве образцов

(диапазон температур 1000-

1250°С) значения относительного сужения составляют менее 10

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 385

%, при Mn/S ≈ 60 значение относительного сужения возрастают

до 40 %, а при Mn/S ≈ 100 и 200 – соответственно до 60 % и 90 %.

Непрерывное увеличение пластичности стали с увеличением от-

ношения содержания марганца к сере позволяет сделать заклю-

чение об изменяющемся составе сульфидов и о другом месте их

выделения при более высокой концентрации марганца. Образо-

вание легкоплавкого

сульфида железа, обогащенного марганцем,

подавляется преимущественным образованием сульфида марган-

ца, который выделяется не по границам зерен.

В целом же приведенные данные позволяют говорить о

возможности повышения качества внутренней структуры непре-

рывнолитой заготовки путем повышения значения отношения

Mn/S. В настоящее время большинство ведущих металлургиче-

ских компаний мира рекомендуют обеспечивать отношение Mn/S

≥

60-70 при разливке рядовых сталей на сортовую и блюмовую

заготовку.

Формирующаяся в кристаллизаторе твердая оболочка заго-

товки подвергается разнообразным деформирующим воздействи-

ям. Независимо от причины деформации в оболочке заготовки

возникают напряжения, которые при достижении критических

значений вызывают образование трещин по фронту затвердева-

ния. Трещины заполняются находящимся перед фронтом затвер-

девания обогащенным

расплавом и самозалечиваются. Не исклю-

чено, что в трещину засасывается также обогащенный расплав из

междендритного пространства.

В целом термонапряженное состояние корочки затверде-

вающей заготовки определяется тремя основными факторами:

прочностными и пластичными свойствами стали при высоких

температурах; линейной и объемной усадкой стали и скоростью

образования зазора между оболочкой заготовки и стенкой кри

386 Металлургические мини-заводы

сталлизатора; интенсивностью теплового потока и внутренними

напряжениями в твердой оболочке формирующейся заготовки

после образования зазора.

При этом основными видами дефектов, которые сопутст-

вуют вышеперечисленным факторам, являются: выпуклость заго-

товки; продольные поверхностные ужимины (по более широким

граням); ромбичность для заготовки квадратного сечения; подпо-

верхностные (в местах нахождения ужимин) диагональные и

перпендикулярные поверхности

трещины и т.п. Снижения веро-

ятности образования вышеперечисленных дефектов удается дос-

тигнуть за счет специальных конструктивных мероприятий, вы-

полненных на базе соответствующих теоретических расчетов и

статистической обработки данных применительно к конкретной

МНЛЗ.

4.5. ЗОНА ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАГОТОВКИ

Вторичное охлаждение заготовки начинается непосредст-

венно под кристаллизатором, что обусловливается тем фактом,

что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллиза-

торе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная.

Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), под-

разумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлажде-

ние происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на

воз-

духе. Функционально зона вторичного охлаждения является

крайне важной с точки зрения качества заготовки. Это, в первую

очередь, относится к предотвращению формирования различного

рода термических внутренних напряжений в твердом каркасе за-

готовки. Параметры вторичного охлаждения оказывают влияние

на геометрическую форму заготовки и качество макроструктуры.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 387

Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опор-

ных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспе-

чивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств,

воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки

(электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.).

Опорные элементы направляют движение заготовки и пре-

дотвращают деформацию граней слитка под действием ферроста-

тического давления. Непосредственно под

кристаллизатором, где

оболочка заготовки имеет небольшую толщину и прочность, ее

деформация может приводить к прорывам металла, а в нижних

зонах вторичного охлаждения – к образованию трещин и ликва-

ционных полосок вблизи фронта затвердевания. Особые требова-

ния предъявляются к поддерживающим устройствам, располо-

женным непосредственно под кристаллизатором, где оболочка

заготовки имеет еще малую толщину

и высокую температуру.

Наибольшее распространение в настоящее время получили роли-

ковые секции.

На участке загиба и выпрямления непрерывнолитого ме-

талла на криволинейных МНЛЗ, кроме выполнения функции

поддержания заготовки, на ролики добавляется функция правки

заготовки. Известны различные схемы участков выпрямления

слябов: со стационарной установкой роликов, с плавающей кас-

сетой поддерживающих роликов,

с подпружиненными поддер-

живающими роликами, с балансирной установкой верхних роли-

ков, с балансирной установкой четырехроликовых блоков и т.п.

[355].

Снижение температуры в зоне вторичного охлаждения

достигается путем опрыскивания заготовки водой или водовоз-

душной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам, а

388 Металлургические мини-заводы

также вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую

среду.

Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна вы-

бираться таким образом, чтобы температура поверхности заго-

товки в процессе ее перемещения оставалась постоянной или

медленно уменьшалась. Достаточно часто предпочтение отдается

варианту, при котором температура поверхности медленно сни-

жается по всей длине ЗВО.

Температура поверхности непрерывнолитой

заготовки ус-

танавливается таким образом, что тепловой поток через корку

слитка и теплоотвод на поверхности слитка получаются пример-

но одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода огра-

ничивается конечным термическим сопротивлением корки заго-

товки. Интенсивным охлаждением можно снизить температуру

поверхности непрерывного слитка, однако, на температурный

режим в корке заготовки и на суммарный теплоотвод

оно оказы-

вает лишь несущественное влияние. Принято считать, что опти-

мальной температурой поверхности заготовки в ЗВО является

диапазон 1000 – 1100 °С. При этом выбор рационального уровня

температур заготовки в ЗВО зависит от ряда факторов, вклю-

чающих марку стали, метод охлаждения, тип МНЛЗ и пр. Харак-

тер отвода тепла в зоне вторичного охлаждения приведен

на

рис._4.26.

Наиболее распространенным методом охлаждения, являет-

ся пропорциональный метод управления, базирующийся на таб-

личных данных изменения расхода воды в зависимости от скоро-

сти разливки, размеров непрерывнолитой заготовки и химическо-

го состава стали. Пропорциональный метод управления позволя-

ет достаточно точно поддерживать необходимый температурный

профиль при стационарном режиме разливки. Однако

поскольку

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 389

Температуры (динамика)

Температура поверхности

Температура на оси

Температура внутри заготовки

z,м

20181614121086420

T,°С

1 500

1 200

900

600

300

Рис. 4.26. Продольный разрез и характер отвода теп-

ла от заготовки во вторичной зоне охлаж-

дения

390 Металлургические мини-заводы

изменение расхода воды по всем зонам происходит одновремен-

но, то при изменении скорости появляются переохлажденные или

перегретые участки заготовки.

Свести к минимуму перегрев и переохлаждение позволяет

динамическая модель управления ЗВО. Существуют различные

алгоритмы динамической модели управления. Но базовым пара-

метром является контроль за скоростью любой точки заготовки

по технологической оси машины

и автономное изменения расхо-

да воды по зонам, соответствующей так называемой приведенной

скорости, различной в переходных режимах разливки для разных

зон охлаждения. Для работы в режиме «on-line

» используются

регрессивные уравнения, полученные на основе математического

моделирования процессов кристаллизации. Продолжительность

вторичного охлаждения (длина ЗВО) выбирается из соображений

того, что в случае его прекращения температура поверхности не

будет уже затем существенно увеличиваться.

Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по

длине ЗВО предусматривается несколько участков с различной

интенсивностью отвода тепла. Для достижения

требуемой интен-

сивности теплоотвода применяются следующие основные методы

подачи охлаждающего вещества.

Струйное охлаждение обеспечивает вторичное охлажде-

ние струями воды, которые подаются через круглофакельные,

плоскофакельные или форсунки с прямоугольной формой факела.

Последний вид форсунок разработан фирмами «Lechler» и

«Spraing Systems» и находит все большее распространение. Он

выгодно отличается от плоскофакельных форсунок наличием

двух углов раскрытия и большим проходным отверстием при за-

данном расходе охладителя (рис. 4.27).