Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №19

Влияние титано-алюминиевых покрытий на теплоотвод и стойкость кристаллизаторов мнлз

Гогаев К.А., Куберский С.В., Семирягин С.В.

Сформулированы общие требования к покрытиям кристаллизаторов МНЛЗ. Определены основные свойства покрытий из TiAl, Ti3Al, Al3Ti, а также их комбинаций с хромом наносимых на поверхность меди с целью управления теплоотводом в верхней зоне кристаллизатора для повышения его стойкостии качества непрерывнолитых слитков. Даны рекомендации по целесообразности применения покрытий и совершенствованию технологии их нанесения.

Ключевые слова:кристаллизатор, покрытие, хром, никель, титан, алюминий, свойства, теплоотвод, качество.

Непрерывная разливка как промышленный метод формообразования заготовки является высокоэффективной и быстро развивающейся технологией в системе производства и разливки металла, которая продолжает интенсивно совершенствоваться в конструкционном и технологическом плане [1]. Основными направлениями развития этого способа получения заготовок является повышение качества металлопродукции, а также снижение ее энерго- и ресурсоемкости

Решающее влияние на качество формирующейся корочки непрерыв нолитого слитка оказывает тепловое сопротивление от кристаллизующегося металла к охлаждающей воде в верхней части кристаллизатора МНЛЗ [2-4]. При этом 70-80% общего теплового сопротивления приходится на участок «поверхность слитка – материал рабочей стенки», которому характерно наличие сопротивления газового зазора, слоя смазки и покрытия стенки кристаллизатора. При этом величина газового зазора и толщина слоя смазки являются в эксплуатации наименее стабильными параметрами.

Из практики непрерывной разливки известны способы управления теплоотводом в кристаллизаторе путем создания волнистой рабочей по- верхности гильзы [5], выполнения канавок на поверхности стенки плоского кристаллизатора [4], а также изготовления гильзы из менее теплопро- водного материала [3]. Основным недостатком использования менее теплопроводных материалов является возможность более интенсивного ко- робления кристаллизаторов вследствие роста термических напряжений, а создание канавок или волнистости существенно увеличивает затраты на изготовление, обработку и ремонт кристаллизаторов. Поэтому одним из наиболее перспективных способов управления тепловым потоком в верхней части кристаллизатора может быть нанесение на его рабочую поверхность менее теплопроводного покрытия, которое имеет регламентированную либо изменяющуюся по высоте толщину.

Тепловой поток в верхней части кристаллизатора при высокоскоростной разливке стали достигает 9 МВт/м2, а при разливке меди 2 МВт/м2 [2]. По данным работы [4] снижение теплового потока в районе мениска при критической скорости литья для среднеуглеродистой стали на 30% снижает индекс продольных трещин в 5 раз.

В таблице 1 представлено термическое сопротивление различных материалов и покрытий используемых для современных кристаллизаторов в сравнении с медной пластиной толщиной 15 мм, термическое сопротивление которой принято за 100%.

Таблица 1 – Теплопроводность и термического сопротивления различных материалов

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что применение хромового покрытия практически не оказывает влияния на термическое сопротивление стенки вследствие небольшой его толщины, которая обычно составляет 100-200 мкм, а при увеличении слоя начинает растрескиваться [6, 7]. Термическое сопротивление низколегированных медных сплавов (например, хромо-циркониевой бронзы) также несущественно отличается от меди. Значительно повышает термическое сопротивление применение томпака или графита, однако кристаллизаторы из томпака обладают низкой стойкостью к термическим напряжениям [2], а кристаллизаторы с графитовыми вставками имеют ограниченное применение (медь и ее сплавы, чугун). Никелевое покрытие существенно повышает термическое сопротивление, но является сравнительно дорогим и смачивается как сталью, так и медью. Идеальным решением была бы разработка покрытия, обладающего теплопроводностью 40-80 Вт/(м*К), не смачиваемого сталью и медью, которое возможно было бы наносить толщиной 1-2 мм, причем иметь возможность варьировать толщину по высоте стенки.

С учетом вышеизложенного, можно утверждать, что проблема подбора материала покрытия для кристаллизаторов, обладающего гораздо большим термическим сопротивлением чем медь и имеющего высокую износостойкостью при меньшем коэффициенте линейного расширения на сегодняшний день представляется достаточно актуальной. Разработка нового покрытия, удовлетворяющего приведенным выше эксплуатационным характеристикам и технологии его нанесения, позволит технологам и конструкторам получить принципиально новый инструмент по эффективному управлению тепловыми потоками в кристаллизаторе.

Для решения задачи по оптимизации и управлению теплоотводом в кристаллизаторе были разработаны новые виды покрытий состава TiAl, Ti3Al и Al3Ti и произведено их нанесение на медную основу в виде пластин размером 20x30 мм и толщиной 5 мм. Полученные образцы были исследованы с целью изучения возможности опытно-промышленного их использования для покрытия стенок кристаллизаторов МНЛЗ (МПНЛЗ). Результаты определения основных технологических параметров новых покрытий представлены в таблицах 2 и 3. Химический состав медной основы определялся оптико-эмиссионным методом на спектрометре «Spectrolab-M». Электропроводность основы определялась вихретоковым методом на приборе «SIGMATEST 2.069» при частоте тока 60 кГц. Далее по известной номограмме Видемана-Франца (рис. 1) производился пересчет электропроводности в теплопроводность [8]. Твердость покрытия и основы определялась на твердомере «Zwick 10» по методу Виккерса.

Фотографии микрошлифов и толщины покрытия представлены на рисунках 2 и 3. Фотографирование производилось с помощью инвертированного микроскопа отраженного света «Axiovert 40MAT» со встроенной цифровой фотокамерой.

Таблица 2 – Основные параметры разработанных покрытий для кристаллизаторов

Таблица 3 – Химический состав медной основы

теплопроводность, электропроводность, соотношение Видемана-Франца

Рисунок 1 – Номограмма для определения теплопроводности материалов по их электропроводности и электрическому сопротивлению (соотношение Видемана-Франца ) принимается условно – I, соблюдается – II

покрытие, микроструктура

Рисунок 2 – Микроструктура покрытий (увеличение x200)

титан, алюминий, микроструктура

Рисунок 3 – Толщина покрытий (увеличение x100)

Анализ данных таблицы 3 позволяет сделать вывод о непригодности разработанных покрытий для нанесения на горячие стенки медных пластин кристаллизаторов, ввиду низкой их твердости. Минимальное значение применяемых для этих целей покрытий должно составлять 400-600 HV. Вместе с тем покрытие имеет достаточно низкую теплопроводность, в том числе за счет пористой структуры, что позволяет использовать его для решения не менее актуальной задачи по управлению теплоотводом в верхней части кристаллизатора.

С целью повышения твердости поверхностного слоя поверх покрытия титан-алюминий было нанесено хромовое покрытие. Нанесение покрытия производилось в стандартном хромовом электролите при температуре 55°С и плотности тока 25А/дм2. Фотографии структуры полученных покрытий с замером их толщины представлены на рисунках 4 и 5, а результаты определения основных характеристик покрытия сведены в таблицу 4.

титан, хром, микроструктура

Рисунок 4 – Значения толщины хромового покрытия (увеличение x500)

титан, алюминий, микроструктура

Рисунок 5 – Значения толщины титано-алюминиевого покрытия (увеличение x100)

Данные таблицы 4 свидетельствуют о том, что дополнительное покрытие образцов хромом позволило не только повысить твердость поверхностного слоя до требуемой, но и существенно снизить шероховатость. Таким образом, полученные покрытия открывают перспективы управления теплоотводом в кристаллизаторе за счет нанесения их с регулируемой по высоте толщиной. Кроме того, необходимо отметить, что термическое сопротивление медной стенки с покрытием TiAl-Cr на 50% выше чем у меди, покрытой хромом. Изготовление кристаллизаторов с таким покрытием в самой теплонагруженной его зоне – в районе мениска позволит снизить температуру медной стенки, что, в свою очередь, будет способствовать увеличению срока эксплуатации одного из важнейших элементов конструкции МНЛЗ (МПНЛЗ).

Таблица 4 – Свойства образцов, дополнительно покрытых хромом

Для нижней части кристаллизатора хромовое покрытие поверх титано-алюминиевого неприемлемо, вследствие малой толщины хромового покрытия и низкой твердости покрытия алюминий-титан. В ходе дальнейших исследований для этого участка кристаллизатора будет опробована технология предусматривающая нанесение покрытия с вкраплениями до 50% абразива (по технологии износостойкого никелевого покрытия [9]), либо нанесение покрытия в окислительной атмосфере при котором абразив (Al2O3), будет формироваться непосредственно из материала покрытия в окружении титановой связки.

Библиографический список

  1. Смирнов А.Н. Пятьдесят лет непрерывной разливке стали на Украине / А.Н. Смирнов // – «Электрометаллургия», 2010. – №9. – С. 11-17.
  2. Кац А.М. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов / А.М. Кац, А.Г. Шадек // – М.: Металлургия, 1983. – 208 с.
  3. Кац А.М. Анализ деформации рабочих стенок кристаллизатора / А.М. Кац // – Цветные металлы, 1983. – №12. – C. 55-58.
  4. Либерман А.Л. Управление теплоотводом в кристаллизаторе – путь улучшения качества непрерывнолитых заготовок / А.Л.Либерман // И. П. Бардин и отечественная металлургия. – М.: Наука, 1983. С. 112-120.
  5. А.с. (СССР) №1617760 Способ изготовления медной гильзы с волнистой рабочей поверхностью / Г.И. Николаев, В.Б. Ганкин, П.М. Плющенков и др.
  6. Лейрих И.В. Особенности разрушения покрытий гильз кристаллизаторов высокоскоростных сортовых МНЛЗ / И.В. Лейрих, А.Н. Смирнов, Е.Ю. Жибоедов, Е.Н. Любименко // – Электрометаллургия, 2007. – №4. – С. 29-32.
  7. Куклев А.В. Российский опыт применения покрытий на медных стенках слябовых кристаллизаторов / А.В. Куклев, Ю.М. Айзин, А.А. Макрушин и др. // – Сталь, 2007. – №3. – С. 17-18.
  8. Николаев А.К. Применение жаропрочных медных сплавов в кристаллизаторах непрерывного литья слитков / А.К. Николаев, Г.В. Ашихмин // – Цветная металлургия, 2003. – №11. – C. 28-36.
  9. Ямпольский А.М. Краткий справочник гальванотехника / А.М. Ямпольский, В.А. Ильин // – Изд. 3-е, перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1981. – 269 с.
  Доклад №19
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ