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

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 401

рактера движения потоков металла в кристаллизаторе

(электромагнитное торможение);

•

улучшение условий теплопередачи от «горячей» жидкой

сердцевины к границе раздела фаз (в том числе и усредне-

ние жидкой ванны металла по температуре);

•

подавление волновых процессов, развивающихся на по-

верхности металла в кристаллизаторе из-за динамических

воздействий, связанных с движением струи металла.

Наиболее существенными негативными проявлениями, со-

провождающими наложение электромагнитного воздействия в

кристаллизаторе, принято считать:

•

образование полос отрицательной ликвации («белых» по-

лос на серном отпечатке), которые уменьшают химическую

однородность заготовки и могут приводить к повышенно-

му образованию трещин при прокатке;

•

увеличение износа погружных стаканов, находящихся в

зоне влияния электромагнитного перемешивания.

Расположение электромагнитного индуктора в зоне рос-

та столбчатых кристаллов имеет своей целью обеспечение

улучшения качества непрерывнолитой заготовки в зоне столбча-

тых (дендритных) кристаллов за счет их измельчения и уплотне-

ния. Помимо этого, наличие восходящих конвективных потоков

обеспечивает определенное повышение чистоты металла

в этой

зоне.

Наложение электромагнитного перемешивания в зоне

формирования столбчатых кристаллов может препятствовать

формированию различного рода перемычек между противопо-

ложными фронтами затвердевания, что, в конечном счете, обес-

печит значительное подавление дефектов усадочного (порис-

тость) и ликвационного характера. При электромагнитном пере-

402 Металлургические мини-заводы

мешивании (особенно в турбулентном режиме) условия форми-

рования дендритов могут существенно изменяться (рис. 4.32 а).

Это, в первую очередь, будет относиться к тем дендритам, кото-

рые выступают за фронт затвердевания в жидкую фазу. Соответ-

ственно, при такой обработке линия фронта затвердевания будет

выравниваться, а формирующаяся кристаллическая структура –

уплотняться (рис. 4.32 б).

а) б)

Рис. 4.32. Схематическое представление механизма воздейст-

вия электромагнитного перемешивания в зоне столб-

чатых кристаллов а) и характера перехода зоны

столбчатых кристаллов в равноосную зону после окон-

чания воздействия б)

Даже не останавливаясь на глубоком анализе результатов

воздействия электромагнитного перемешивания в зоне роста

столбчатых кристаллов, следует отметить, что они во многом за-

висят от места приложения и интенсивности воздействия, содер-

жания углерода в стали, степени перегрева стали, скорости дви-

жения и направленности принудительных конвективных потоков

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 403

и пр. Так, измельчение столбчатых кристаллов при электромаг-

нитном перемешивании достигается в достаточно широком диа-

пазоне интенсивности воздействия (при создании вертикальных

восходящих потоков). Однако этот эффект сопровождается, как

правило, образованием полосы «белой» (по серному отпечатку)

ликвации, которая при увеличении интенсивности воздействия

проявляется все более ярко.

Учитывая тот факт, что в литературе

отсутствуют серьез-

ные практические доказательства того, что такие «белые» ликва-

ционные полосы не оказывают отрицательного влияния на каче-

ство непрерывнолитой заготовки, следует, видимо, признать вы-

сокую вероятность негативных проявлений (внутренние трещи-

ны) при прокатке такого металла. В ряде исследований приводят-

ся рекомендации по ограничению значений энергетических па-

раметров индуктора (например,

силы тока) в зависимости от ин-

декса проявления «белой» полосы. Однако такие данные не могут

носить универсального характера из-за различий в конструкции

индуктора и в условиях разливки.

С другой стороны, эффект электромагнитного перемеши-

вания оказывает влияние на формирование заготовки в достаточ-

но малом (по сравнению с общим временем затвердевания) вре

менном интервале. Поэтому при выходе из зоны действия элек-

тромагнитного перемешивания оказывается вполне вероятным

восстановление нормальных закономерностей роста зоны столб-

чатых кристаллов, что снижает однородность кристаллической

структуры.

Таким образом, наложение электромагнитного перемеши-

вания в зоне роста столбчатых кристаллов может иметь как пози-

тивные, так и негативные проявления. Интенсивность наложения

воздействия

во многом ограничивается процессом формирования

404 Металлургические мини-заводы

«белых» ликвационных полос, которые снижают физическую и

химическую однородность заготовки. Конечный результат обра-

ботки будет определяться рациональным выбором режимов и ме-

стом приложения воздействия с учетом конкретных условий раз-

ливки. Поэтому в зависимости от этих условий место приложе-

ния воздействия может варьировать в значительных пределах.

Расположение электромагнитного индуктора в зумпфовой

зоне

(то есть зоне объемной кристаллизации) имеет своей целью

обеспечение улучшения качества непрерывнолитой заготовки в

части подавления дефектов ликвационного и усадочного харак-

тера (рис. 4.33). По существу в этой зоне происходит объемная

кристаллизация на базе частиц твердой фазы, находящихся в рас-

плаве. Как правило, такая кристаллизация сопровождается появ-

лением твердого каркаса

, который по мере его роста становится

все более прочным и его составляющие ветви препятствуют под-

питке жидкостью донных объемов жидко-твердой ванны, что

способствует развитию осевой пористости. Соответственно, для

улучшения условий затвердевания последних (донных) объемов

непрерывнолитой заготовки представляется целесообразным

принудительное разрушение формирующегося каркаса, которое

оказывается возможным при возбуждении конвективных пото-

ков. Наиболее рациональным технологическим приемом пред-

ставляется формирование принудительных циркуляционных по-

токов, которые располагались бы в плоскости, перпендикулярной

оси заготовки, так как в этом случае обеспечивается интенсивное

перемешивание металла во всем сечении.

В целом электромагнитное перемешивание позволяет по-

высить качество поверхности и подповерхностных слоев заготов-

ки, улучшить чистоту стали по неметаллическим

включениям,

улучшить показатели внутренней кристаллической структуры за-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 405

а) б) в) г)

Рис. 4.33. Схематическое представление характера развития

усадочных и ликвационных дефектов в непрерывноли-

той заготовке: а – высокая температура разливки, низ-

кое содержание углерода, сечение заготовки – квадрат

80 мм; б – высокая температура разливки, высокое со-

держание углерода, сечение заготовки – квадрат 80 мм;

в – высокая температура разливки, высокое содержание

углерода, сечение заготовки

– квадрат 250 мм; г – высо-

кая температура разливки, высокое содержание углеро-

да, сечение заготовки – прямоугольник

готовки, подавить ликвационные дефекты и пористость. Однако,

для достижения такого широкого спектра положительных каче-

ственных эффектов приложения электромагнитного перемешива-

ния в каком-либо отдельном месте на технологической длине за-

готовки оказывается недостаточным. Поэтому на практике до-

вольно широко используется система нескольких электромагнит-

ных индукторов (мультиэлектромагнитное перемешивание), рас-

406 Металлургические мини-заводы

положенных вдоль технологической оси заготовки. Преимущест-

вами такого воздействия являются более равномерный подвод

внешней энергии к жидкой фазе, уменьшение интенсивности

воздействия в каждом месте его приложения (снижение вероят-

ности появления «белых» ликвационных полос) и т.п. Основным

же недостатком этой системы является резкое возрастание расхо-

дов на обработку.

Неуклонное повышение требований

к качеству непрерыв-

нолитой заготовки в осевой зоне стимулировало в последнее де-

сятилетие развитие принципов так называемого «мягкого» об-

жатия непрерывнолитой заготовки в конце затвердевания с це-

лью подавления осевой пористости и ликвации [356 - 358]. В анг-

лоязычной литературе этот метод получил название “soft reduc-

tion”. Однако на практике в настоящее время существует,

по

меньшей мере, несколько оригинальных технических решений

для реализации этого метода.

По существу задача реализации метода «мягкого» обжатия

непрерывнолитой заготовки должна включать в себя следующие

основные компоненты:

•

определение места приложения усилия обжатия (соотно-

шения между количеством жидкой и твердой фазы в мо-

мент обжатия);

•

определение закона приложения обжатия (обжатие в один

или же несколько этапов);

•

определение способа приложения усилия обжатия к по-

верхности заготовки.

Первоначально метод «мягкого» обжатия предполагал де-

формацию заготовки с помощью роликов в зоне ее выравнива-

ния. Этот вариант представляется достаточно привлекательным с

точки зрения простоты реализации. Однако на самом деле, как

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 407

показали исследования, существует несколько серьезных препят-

ствий для эффективной реализации этой схемы:

•

обжатие заготовки происходит в строго фиксированных

точках, что требует самого точного контроля температуры

разливки и режимов охлаждения, поскольку в противном

случае происходит смещение положения точки окончания

зоны жидкой фазы, а эффект обработки нивелируется;

•

обжатие заготовки требует значительных усилий, величина

которых резко возрастает с увеличением доли твердой фа-

зы, однако при большой доле жидкой фазы эффект дина-

мического обжатия оказывается крайне незначительным

из-за простого перетекания металла, - это практически

полностью исключает подавление осевой ликвации и край-

не слабо влияет на уменьшение пористости;

•

обжатие заготовки с помощью нескольких пар роликов при

определенных условиях может вызывать выпучивание за-

готовки между роликами (а также по бокам), что иниции-

рует течение (перетекание) жидкости в этой зоне; такая

деформация заготовки стимулирует развитие осевой лик-

вации и появление дополнительных ликвационных полос.

Применение метода «мягкого» обжатия для динамического

воздействия на

внутренние объемы блюмов и сортовых заготовок

имеет определенные особенности. Это следует связывать, прежде

всего, с геометрической формой заготовки. Во-первых, твердый

каркас затвердевающего блюма, безусловно, имеет значительно

большую жесткость, чем у сляба, что существенно увеличивает

требуемое усилие обжатия. Это, в свою очередь, повышает веро-

ятность образования внутренних трещин по границам

дендритов.

С другой стороны, приложение обжатия по двум граням (как бы-

ло рассмотрено выше) обязательно вызовет изгиб (выпучивание)

408 Металлургические мини-заводы

двух других граней. Это выпучивание в значительной степени

может изменить условия движения металла в жидкой сердцевине

и снизить до минимума эффект подавления осевой ликвации.

Исследования, выполненные применительно к заготовкам

сечением 150×150 мм и 160×160 мм, показали, что в заготовках,

подвергнутых «мягкому» обжатию, ликвация носит менее выра-

женный характер [359]. Для повышения эффективности «мягко-

го

» обжатия на верхней и нижней гранях заготовки, формирую-

щейся в кристаллизаторе, предусмотрены выпуклости размером 4

мм каждая. Приложенное в нижней части зоны вторичного охла-

ждения обжатие обеспечивает получение квадратного профиля

заготовки. Если обжатие приложено слишком рано, то жидкая

сердцевина в точке приложения обжатия будет настолько велика,

что напряжения, возникающие на фронте

кристаллизации превы-

сят критическое значение с точки зрения трещинообразования.

Если обжатие приложено слишком поздно, то результат аналоги-

чен прокатке твердой заготовки, с небольшим уменьшением цен-

тральной пористости, но не действует на ликвацию.

Достаточно важное значение при «мягком» обжатии имеет

диаметр обжимающих валков. Например, увеличение диаметра

валка в 4 раза приводит к росту

обжимающей компоненты на-

пряжения только на 10%. Однако, растягивающая компонента

деформации вырастает при этом значительно больше, что создает

дополнительные условия для трещинообразования.

На основании известных практических данных, видимо,

можно говорить о том, что для различных геометрических разме-

ров заготовки, металлургических условий, марок стали и требо-

ваний к качеству металлопродукции этот метод

может быть реа-

лизован различными способами. Оптимизация этих способов, ви-

димо, еще не произошла в силу ограниченного объема исследо-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 409

ваний. Между тем, предпосылкой для успешной обработки заго-

товки методом «мягкого» обжатия является:

•

наличие данных об оптимальном соотношении твердой и

жидкой фазы в месте приложения усилия обжатия приме-

нительно к конкретным условиям;

•

определение величины оптимальных значений степени об-

жатия, значений прилагаемых усилий и динамики прило-

жения усилия обжатия;

•

наличие системы, способной в реальном масштабе времени

определять профиль затвердевания в зависимости от ско-

рости литья, марки сталей, условий первичного и вторич-

ного охлаждения и перегрева металла в промковше;

•

наличие системы, позволяющей оперативно корректиро-

вать точку приложения усилия обжатия в зависимости от

изменения условий разливки.

4.6.ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИНИ-ЗАВОДОВ ДЛЯ ПО-

ЛУЧЕНИЯ ПЛОСКОГО ПРОКАТА И ЛИСТА

В течение последних 10-15 лет в мировой металлургии

полностью оформилась и утвердилась концепция мини металлур-

гических заводов для получения плоского проката. Этому в мак-

симальной степени способствует быстрое развитие машин для

непрерывной разливки стали на тонкий сляб или непосредствен-

но на полосу, в максимальной степени адаптированных к совре-

менным требованиям к

качеству металлопродукции. При этом

выход годного листа повышается в среднем на 7-8% в сравнении

с прокаткой из толстого непрерывнолитого сляба.

410 Металлургические мини-заводы

Можно считать, что новый этап развития мини-заводов на-

чался в 1989 г., когда в Крофордсвилле (США) компания «Nucor»

ввела в эксплуатацию завод, оснащенный электродуговыми пе-

чами и МНЛЗ для получения сляба толщиной 50 мм. При этом

слябы передавались непосредственно на стан горячей прокатки.

Этот процесс получил название CSP (Compact Strip Production), а

разработка предложена

компанией «Schloeman-Siamag» (Герма-

ния) [21]. На рис.4.34 представлена общая схема разливки стали

на тонкослябовой МНЛЗ.

Рис.4.34. Принципиальная схема разливки стали на

тонкие слябы

Как видно из представленной схемы, для реализации раз-

ливки на тонкие слябы необходимо решить следующие задачи:

•

оптимизировать геометрическую форму промковша и ста-

билизировать перемещение в нем металла в ходе разливки;