Металлургические мини-заводы
  4.5 Зона вторичного охлаждения заготовки

Вторичное охлаждение заготовки начинается непосредственно под кристаллизатором, что обусловливается тем фактом, что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллизаторе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная.

Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), подразумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлаждение происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на воздухе. 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 заготовки. Параметры вторичного охлаждения оказывают влияние на геометрическую форму заготовки и качество макроструктуры.

Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опорных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспечивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств, воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки (электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.).

Опорные элементы направляют движение заготовки и предотвращают деформацию граней слитка под действием ферростатического 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 ликвационных полосок вблизи фронта затвердевания. Особые требования предъявляются к поддерживающим устройствам, расположенным непосредственно под кристаллизатором, где оболочка заготовки имеет еще малую толщину и высокую температуру. Наибольшее распространение в настоящее время получили роликовые секции.

На участке загиба и выпрямления непрерывнолитого металла 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 кассетой поддерживающих роликов, с подпружиненными поддерживающими роликами, с балансирной установкой верхних роликов, с балансирной установкой четырехроликовых блоков и т.п. [355].

Снижение температуры в зоне вторичного охлаждения достигается путем опрыскивания заготовки водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам, а также вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду.

Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения оставалась постоянной или медленно уменьшалась. Достаточно часто предпочтение отдается варианту, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО.

Температура поверхности непрерывнолитой заготовки устанавливается таким образом, что тепловой поток через корку слитка и теплоотвод на поверхности слитка получаются примерно одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается конечным термическим сопротивлением корки заготовки. Интенсивным охлаждением можно снизить температуру поверхности непрерывного слитка, однако, на температурный режим в корке заготовки и на суммарный теплоотвод оно оказывает лишь несущественное влияние. Принято считать, что оптимальной температурой поверхности заготовки в ЗВО является диапазон 1000 – 1100 °С. При этом выбор рационального уровня температур заготовки в ЗВО зависит от ряда факторов, включающих марку стали, метод охлаждения, тип МНЛЗ и пр. Характер отвода тепла в зоне вторичного охлаждения приведен на рис.4.26.

Продольный разрез и характер отвода тепла от заготовки во вторичной зоне охлаждения

Рис. 4.26. Продольный разрез и характер отвода тепла от заготовки во вторичной зоне охлаждения

Наиболее распространенным методом охлаждения, является пропорциональный метод управления, базирующийся на табличных данных изменения расхода воды в зависимости от скорости разливки, размеров непрерывнолитой заготовки и химического состава стали. Пропорциональный метод управления позволяет достаточно точно поддерживать необходимый температурный профиль при стационарном режиме разливки. Однако поскольку изменение расхода воды по всем зонам происходит одновременно, 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 параметром является контроль за скоростью любой точки заготовки по технологической оси машины и автономное изменения расхода воды по зонам, соответствующей так называемой приведенной скорости, различной в переходных режимах разливки для разных зон охлаждения. Для работы в режиме «online» 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 интенсивности теплоотвода применяются следующие основные методы подачи охлаждающего вещества.

Струйное охлаждение обеспечивает вторичное охлаждение 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 заданном расходе охладителя (рис. 4.27).

Факел форсунки с прямоугольным пятном распыления

Рис. 4.27. Факел форсунки с прямоугольным пятном распыления

Вода попадает на поверхность заготовки в виде капель, которые должны иметь достаточную энергию, чтобы проникнуть сквозь паровую «рубашку», образовавшуюся вследствие испарения воды. При струйном охлаждении управление расходом воды осуществляется изменением давления на выходе из сопла (рис.4.28).

Вместе с тем, этот способ охлаждения имеет ряд существенных недостатков: величина теплоотдачи не всегда увеличивается пропорционально увеличению расхода воды; капли из водяной форсунки обычно достаточно крупные, что не способствует увеличению скорости парообразования и ограничивает эффективность охлаждения; в месте воздействия водяной струи происходит термический удар, который может привести к зональной сегрегации или образованию трещин и т.д. Обычно струйное охлаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной под кристаллизатором, а также в следующей после этого зоне.

Системой струйного охлаждения оснащены многие сортовые МНЛЗ.

Типичная PV диаграмма для взаимосвязи давления и расхода воды струйных форсунок

Рис. 4.28. Типичная PV диаграмма для взаимосвязи давления и расхода воды струйных форсунок

Водовоздушное охлаждение осуществляется мельчайшими частицами воды, которые распыляются воздухом. Вода, распыленная струей воздуха на мельчайшие капли (размер капель 20-150 мкм), образует как бы поток тумана, который по форме представляет собой конус. Распыление воды происходит в основном в результате соударения двух потоков – водяного и воздушного. Распылитель представляет собой как бы две независимые форсунки – для воды и для воздуха,- струи от которых пересекаются. Оба потока выходят из распылителя в направлении поверхности непрерывнолитой заготовки и встречаются один с другим, образуя факел мелкодисперсных капель воды. Воздух при этом способе охлаждения играет двоякую роль: он обеспечивает распыление воды и сообщает каплям необходимую высокую кинетическую энергию. Характер распыления воды определяется расходом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком диапазоне параметров.

Высокая эффективность метода водовоздушного охлаждения объясняется тем, что благодаря высокой кинетической энергии с металлом одновременно контактирует большое количество распыленной воды. При одном и том же расходе воды площадь теплообмена между водой и заготовкой увеличивается: с одной стороны, вода мелко распылена и число капель очень велико, а с другой, - эти капли равномерно распределяются по поверхности заготовки, так как факел имеет устойчивую форму конуса. Вода, не испарившаяся при контакте с поверхностью заготовки, падает вниз в виде мелкого дождя, создавая зону охлаждения ближайших участков.

Устойчивое распыление воды на капли по всему факелу значительно улучшает характер охлаждения поверхности заготовки. Сам факел, несмотря на его эффективность, не является столь турбулентным, как струя воды, поэтому охлаждение металла более равномерное, без переохлаждения отдельных участков, как это бывает при охлаждении водяными струями. Кроме того, устойчивый конус факела обеспечивает равномерное распределение воды, что способствует устранению местного переохлаждения и повторного нагрева металла. Угол раскрытия конического факела для каждой форсунки точно известен, и он остается практически постоянным при любом расходе и давлении.

Новые конструкции сопел и систем водовоздушного охлаждения позволяют достичь лучшего распределения охладителя по факелу распыла, что снижает дефекты поверхности, образование трещин по кромке слитка и осевую ликвацию. Кроме этого возможно расширение существующего сортамента продукции и повышение производительности оборудования.

Важнейшими критериями при выборе форсунок являются:

  • тип форсунки, исходя из производимого сортамента и конструкций машин;
  • устойчивость параметров форсунки, в том числе и коэффициента теплоотдачи;
  • соотношение воздухвода в смеси;
  • диапазон регулирования расхода жидкой фазы;
  • характер распределения охладителя по факелу распыла;
  • способы крепления форсунок и дизайн подводящих коллекторов.

Известно, что увеличение соотношения воздухвода не является единственным и решающим фактором влияния на коэффициент теплоотдачи. Важную роль играют также угол и высота распыла. Оба эти параметра определяют площадь поверхности распыла и, тем самым, непосредственно влияют на удельную площадь орошения и удельное давление струи. Наряду с этими двумя факторами необходимо принимать во внимание соотношение расхода жидкости и сжатого воздуха, как одного из главных факторов во вторичных зонах охлаждения. Так, в зоне пленочного кипения в кратчайшее время образуется паровой слой, ухудшающий условия теплообмена. Сжатый воздух, обладая дополнительной кинетической энергией, необходимой для проникновения капель непосредственно к поверхности металла, интенсифицирует процесс охлаждения.

В качестве иллюстрации на рис.4.29 приведены коэффициенты теплоотдачи некоторых форсунок фирмы “Lechler GmbH” (Германия), являющейся одним из лидеров в производстве форсунок в мире.

Рис. 4.29. Зависимость коэффициента теплоотдачи форсунок 100.259 и 11/90-40-40 при давле-нии воздуха 2 бар от давления воды

В рассматриваемом случае при давлении воды 4 бар для форсунки 11/90-40-40 наблюдается прекращение поступления воздуха в смеситель форсунки (воздух вытесняется жидкостью) и с этого момента начинается уменьшение коэффициента теплоотдачи. В свою очередь применение современных форсунок серии 100.259 (Master-Cooler), позволяет устойчиво работать, в данном случае при максимальном давлении жидкости до 5,5 бар, что обеспечивает эффективное охлаждение поверхности заготовки.

Форсунки этой серии обеспечивают стабильную работу агрегата и исключают прорывы металла. Они специально сконструированы для получения максимальных значений коэффициентов теплоотдачи в диапазоне давлений 5 - 6 бар. При этом необходимо отметить, что коэффициенты теплоотдачи водовоздушной форсунки, которая недостаточно запитана сжатым воздухом, будут ниже, чем у традиционных однофазных.

Последние результаты в области исследования и разработки двухкомпонентных распыляющих систем привели к созданию форсунок с минимальным расходом воздуха и одновременно с широким диапазоном регулирования. При постоянном давлении воздуха 2,5 бар возможно достижение соотношения 1:23. Это соотношение в 2-3 раза больше, чем у однофазных форсунок.

Новейшие агрегаты ведущих предприятий США, Европы и Азии используют водовоздушные форсунки со сниженным расходом сжатого воздуха во всем диапазоне регулирования. При этом сохраняется необходимое соотношение «воздух-вода» в смеси при максимальном давлении воды и скорости разливки.

В последнее время все большее внимание уделяется проблеме водовоздушного охлаждения сортовых заготовок квадратного и круглого сечения. В этом случае плоскоструйные распылители являются далеко не оптимальным решением. Это особенно проявляется в условиях высокой вероятности образования поверхностных и подповерхностных трещин. Эти типы дефектов усиливаются при прохождении заготовки под форсункой с интенсивным охлаждением. В последующий момент происходит разогрев затвердевшей корочки, и соответственно, термическое расширение, приводящее к образованию внутренних интенсивных напряжений и появлению трещин.

В свою очередь плоскоконусный или полноконусный овальный тип распыла имеет более мягкое охлаждение и охватывает большую площадь. Как правило, полноконусные двухфазные форсунки имеют нестабильный угол распыла и неравномерное распределение охладителя по факелу. Характерен для них высокий расход воздуха и чувствительность к засорению, по причине малых проходных сечений. Полноконусные овальные форсунки часто представляют собой плоскоструйный распылитель с несколькими шлицами, что может означать только определенный компромисс, а не полное решение проблемы.

Новое поколение полноконусных и овальных полноконусных двухфазных форсунок фирмы “Lechler GmbH” позволяет эффективно охлаждать сортовые и слябовые заготовки. Схематически распределение охлаждающей среды при использовании овальных полноконусных двухфазных форсунок представлено на рис. 4.30. Диапазон регулирования лежит в пределах 1:14 при давлении воздуха 2 бар и области давлений воды от 1 до 10 бар. Номинальный угол распыла полноконусных форсунок лежит в пределах 60 - 90 градусов. Такие форсунки могут располагаться, как вертикально (блюм), так и горизонтально (круглая заготовка) к поверхности. Свободное проходное сечение примерно в 3 раза больше, чем у предыдущих конструкций.

В целом вторичное охлаждение заготовки распыленной водой улучшает теплопередачу, обеспечивает более интенсивный рост затвердевшей корки, более равномерное охлаждение заготовки, позволяет примерно на 15 - 20 % повысить скорость ее вытягивания и т.п. При этом основной технологической задачей является выбор рациональных режимов охлаждения, а для конструкторов приоритетом является оптимизация конструкции форсунок.

Расположение коллекторов и форсунок на круглой заготовке

Рис.4.30. Расположение коллекторов и форсунок на круглой заготовке

Для повышения качества непрерывнолитой продукции в последние десятилетия все более широко применяют методы электромагнитного воздействия, обеспечивающие перемешивание жидкой фазы заготовки. По совокупности получаемых эффектов и специфике используемых приемов воздействия на всей протяженности технологической длины непрерывнолитой заготовки можно условно выделить следующие наиболее характерные зоны (рис. 4.31): зона кристаллизатора (1) или непосредственно расположенная под кристаллизатором (2); зона столбчатых кристаллов, которая удалена от нижнего торца кристаллизатора на расстояние нескольких метров (3); зона объемной кристаллизации (4).

При выборе режимов и характера приложения электромагнитного воздействия необходимо принимать во внимание тот факт, что при непрерывной разливке в достаточно широких пределах изменяется целый ряд параметров: химический состав стали, температура разливки (в том числе и температура перегрева над линией ликвидус), скорость разливки стали, сечение заготовки, режимы качания кристаллизатора, способ подвода стали в кристаллизатор, режимы вторичного охлаждения, требования к кристаллической структуре и химической однородности и пр.

Схематическое представление расположения возможных точек приложения электромагнитного воздействия

Рис. 4.31. Схематическое представление расположения возможных точек приложения электромагнитного воздействия: 1 - кристаллизатор; 2 – непосредственно под кристаллизатором; 3 – зона роста столбчатых кристаллов; 4 – зона объемной кристаллизации

Наиболее характерной особенностью распределения скоростей конвективных потоков при электромагнитном перемешивании является их максимальное значение непосредственно у источника воздействия с последующим уменьшением интенсивности перемешивания по мере приближения к оси заготовки. Максимальная скорость принудительных потоков при электромагнитном перемешивании регулируется посредством напряженности электромагнитного поля и может достигать значений нескольких метров в секунду. При этом в зависимости от условий воздействия в жидкой фазе могут формироваться как ламинарные течения, так и турбулентные потоки и вихревые зоны. Однако ограничения по скорости движения принудительных потоков будут сформулированы из соображений обеспечения химической и физической однородности заготовки.

Основной эффект электромагнитного воздействия в кристаллизаторе, видимо, следует связывать с изменением гидродинамической обстановки в жидкой ванне кристаллизатора под влиянием принудительных конвективных потоков.

Обобщая имеющиеся в литературе данные относительно направленности принудительных конвективных потоков в кристаллизаторе в условиях наложения электромагнитного воздействия, следует отметить, что превалирующее число исследователей считает целесообразным обеспечивать организацию движения восходящих потоков вдоль фронта затвердевания. Вертикальное перемешивание создает возможность повысить качество поверхности непрерывной заготовки за счет выноса определенного количества неметаллических включений из подповерхностных слоев к зеркалу металла. В целом положительный эффект электромагнитного воздействия на процессы формирования непрерывнолитой заготовки посредством принудительных восходящих вдоль фронта затвердевания конвективных потоков, видимо, следует связывать со следующими явлениями:

  • улучшение условий выноса из металла газовых пузырьков, макро- и микро- неметаллических включений;
  • подавление отрицательных явлений, связанных с внедрением в жидкую ванну струи металла за счет изменения характера движения потоков металла в кристаллизаторе (электромагнитное торможение);
  • улучшение условий теплопередачи от «горячей» жидкой сердцевины к границе раздела фаз (в том числе и усреднение жидкой ванны металла по температуре);
  • подавление волновых процессов, развивающихся на поверхности металла в кристаллизаторе из-за динамических воздействий, связанных с движением струи металла.

Наиболее существенными негативными проявлениями, сопровождающими наложение электромагнитного воздействия в кристаллизаторе, принято считать:

  • образование полос отрицательной ликвации («белых» полос на серном отпечатке), которые уменьшают химическую однородность заготовки и могут приводить к повышенному образованию трещин при прокатке;
  • увеличение износа погружных стаканов, находящихся в зоне влияния электромагнитного перемешивания.

Расположение электромагнитного индуктора в зоне роста столбчатых кристаллов имеет своей целью обеспечение улучшения качества непрерывнолитой заготовки в зоне столбчатых (дендритных) кристаллов за счет их измельчения и уплотнения. 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 противоположными фронтами затвердевания, что, в конечном счете, обеспечит значительное подавление дефектов усадочного (пористость) и ликвационного характера. При электромагнитном перемешивании (особенно в турбулентном режиме) условия форми-рования дендритов могут существенно изменяться (рис. 4.32 а). Это, в первую очередь, будет относиться к тем дендритам, которые выступают за фронт затвердевания в жидкую фазу. Соответственно, при такой обработке линия фронта затвердевания будет выравниваться, а формирующаяся кристаллическая структура – уплотняться (рис. 4.32 б).

Схематическое представление механизма воздействия электромагнитного перемешивания в зоне столбчатых кристаллов

Рис. 4.32. Схематическое представление механизма воздействия электромагнитного перемешивания в зоне столбчатых кристаллов а) и характера перехода зоны столбчатых кристаллов в равноосную зону после окончания воздействия б)

Даже не останавливаясь на глубоком анализе результатов воздействия электромагнитного перемешивания в зоне роста столбчатых кристаллов, следует отметить, что они во многом зависят от места приложения и интенсивности воздействия, содержания углерода в стали, степени перегрева стали, скорости движения и направленности принудительных конвективных потоков и пр. Так, измельчение столбчатых кристаллов при электромагнитном перемешивании достигается в достаточно широком диапазоне 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 серьезные практические доказательства того, что такие «белые» ликвационные полосы не оказывают отрицательного влияния на качество непрерывнолитой заготовки, следует, видимо, признать высокую вероятность негативных проявлений (внутренние трещины) при прокатке такого металла. В ряде исследований приводятся рекомендации по ограничению значений энергетических параметров индуктора (например, силы тока) в зависимости от индекса 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 перемешивания оказывает влияние на формирование заготовки в достаточно малом (по сравнению с общим временем затвердевания) временном интервале. Поэтому при выходе из зоны действия электромагнитного перемешивания оказывается вполне вероятным восстановление нормальных закономерностей роста зоны столбчатых кристаллов, что снижает однородность кристаллической структуры.

Таким образом, наложение электромагнитного перемешивания в зоне роста столбчатых кристаллов может иметь как позитивные, так и негативные проявления. Интенсивность наложения воздействия во многом ограничивается процессом формирования «белых» ликвационных полос, которые снижают физическую и химическую однородность заготовки. Конечный результат обработки будет определяться рациональным выбором режимов и местом приложения воздействия с учетом конкретных условий разливки. Поэтому в зависимости от этих условий место приложения 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 характера (рис. 4.33). По существу в этой зоне происходит объемная кристаллизация на базе частиц твердой фазы, находящихся в расплаве. Как правило, такая кристаллизация сопровождается появлением твердого каркаса, который по мере его роста становится все более прочным и его составляющие ветви препятствуют подпитке жидкостью донных объемов жидкотвердой 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 потоков. Наиболее рациональным технологическим приемом представляется формирование принудительных циркуляционных потоков, 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 повысить качество поверхности и подповерхностных слоев заготовки, улучшить чистоту стали по неметаллическим включениям, улучшить показатели внутренней кристаллической структуры заготовки, подавить ликвационные дефекты и пористость. Однако, для достижения такого широкого спектра положительных качественных эффектов приложения электромагнитного перемешивания в каком-либо отдельном месте на технологической длине заготовки оказывается недостаточным. Поэтому на практике довольно широко используется система нескольких электромагнитных индукторов (мультиэлектромагнитное перемешивание), расположенных вдоль технологической оси заготовки. Преимуществами такого воздействия являются более равномерный подвод внешней энергии к жидкой фазе, уменьшение интенсивности воздействия в каждом месте его приложения (снижение вероятности появления «белых» ликвационных полос) и т.п. Основным же недостатком этой системы является резкое возрастание расходов на обработку.

Рис. 4.33. Схематическое представление характера развития усадочных и ликвационных дефектов в непрерывнолитой заготовке: а – высокая температура разливки, низкое содержание углерода, сечение заготовки – квадрат 80 мм; б – высокая температура разливки, высокое содержание углерода, сечение заготовки – квадрат 80 мм; в – высокая температура разливки, высокое содержание углерода, сечение заготовки – квадрат 250 мм; г – высокая температура разливки, высокое содержание углерода, сечение заготовки – прямоугольник

Неуклонное повышение требований к качеству непрерывнолитой заготовки в осевой зоне стимулировало в последнее десятилетие развитие принципов так называемого «мягкого» обжатия непрерывнолитой заготовки в конце затвердевания с целью подавления осевой пористости и ликвации [356 - 358]. В англоязычной литературе этот метод получил название “soft reduction”. 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 (соотношения между количеством жидкой и твердой фазы в момент обжатия);
  • определение закона приложения обжатия (обжатие в один или же несколько этапов);
  • определение способа приложения усилия обжатия к поверхности заготовки.

Первоначально метод «мягкого» обжатия предполагал деформацию заготовки с помощью роликов в зоне ее выравнивания. Этот вариант представляется достаточно привлекательным с точки зрения простоты реализации. Однако на самом деле, как показали исследования, существует несколько серьезных препятствий 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 фазы, однако при большой доле жидкой фазы эффект динамического обжатия оказывается крайне незначительным из-за простого перетекания металла, - это практически полностью исключает подавление осевой ликвации и крайне слабо влияет на уменьшение пористости;
  • обжатие заготовки с помощью нескольких пар роликов при определенных условиях может вызывать выпучивание заготовки между роликами (а также по бокам), что инициирует течение (перетекание) жидкости в этой зоне; такая деформация заготовки стимулирует развитие осевой ликвации 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 вероятность образования внутренних трещин по границам дендритов. С другой стороны, приложение обжатия по двум граням (как бы-ло рассмотрено выше) обязательно вызовет изгиб (выпучивание) 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 выраженный характер [359]. Для повышения эффективности «мягкого» обжатия на верхней и нижней гранях заготовки, формирующейся в кристаллизаторе, предусмотрены выпуклости размером 4 мм каждая. Приложенное в нижней части зоны вторичного охлаждения 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 превысят критическое значение с точки зрения трещинообразования. Если обжатие приложено слишком поздно, то результат аналогичен прокатке твердой заготовки, с небольшим уменьшением центральной 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 напряжения 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 размеров заготовки, металлургических условий, марок стали и требований к качеству металлопродукции этот метод может быть реализован различными способами. Оптимизация этих способов, видимо, еще не произошла в силу ограниченного объема исследований. Между тем, предпосылкой для успешной обработки заготовки методом «мягкого» обжатия является:

  • наличие данных об оптимальном соотношении твердой и жидкой фазы в месте приложения усилия обжатия применительно к конкретным условиям;
  • определение величины оптимальных значений степени обжатия, значений прилагаемых усилий и динамики приложения усилия обжатия;
  • наличие системы, способной в реальном масштабе времени определять профиль затвердевания в зависимости от скорости литья, марки сталей, условий первичного и вторичного охлаждения и перегрева металла в промковше;
  • наличие системы, позволяющей оперативно корректировать точку приложения усилия обжатия в зависимости от изменения условий разливки.
  4.5 Зона вторичного охлаждения заготовки
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ