Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 1.4

Особенности применения внешних воздействий на кристаллизующуюся заготовку

Одним из эффективных методов повышения качества непрерывнолитой сортовой заготовки является электромагнитное перемешивание (ЭМП) жидкой стали [147, 148]. Механизм электромагнитного воздействия является результатом сложного взаимодействия электродинамических, магнито-гидродинамических и металлургических факторов. Индуктивная система ЭМП представляет собой статор асинхронного двигателя, ротором которого является жидкая лунка непрерывного слитка. ЭМП улучшает качество подповерхностной и осевой зоны непрерывнолитых заготовок, так как оно воздействует на формирование кристаллической структуры, перемещение неметаллических включений, химическую сегрегацию и распределение газов. На практике используются статоры с вращающимися и линейными полями. Основные электрические параметры устройств ЭМП меняются в широких пределах в зависимости от их конструкции и сечения заготовки. Характер потоков, создаваемых ЭМП, зависит от конкретных условий (сечение заготовки, место приложения воздействия, требования к результатам воздействия и т.п.). Магнитодинамические потоки, создаваемые ЭМП, состоят из одного или нескольких замкнутых контуров.

По совокупности получаемых эффектов и специфике используемых приемов воздействия на всей протяженности технологической длины непрерывнолитой заготовки можно условно выделить следующие наиболее характерные зоны (рисунок 1.15):

  • зона кристаллизатора (MEMS – mold electromagnetic stirrer) или непосредственно расположенная под кристаллизатором;
  • зона вторичного охлаждения (SEMS – strand electro-magnetic stirrer), удаленная от нижнего торца кристаллизатора на расстояние нескольких метров (то есть, зона формирования столбчатых кристаллов);
  • зона объемной кристаллизации или зумпфовая зона (FEMS – final electromagnetic stirrer).

Схематическое представление возможных точек приложения электромагнитного перемешивания

Рисунок 1.15 – Схематическое представление возможных точек приложения ЭМП: MEMS – кристаллизатор; SEMS – зона вторичного охлаждения заготовки; FEMS – зумпфовая зона

В целом положительный эффект ЭМП на процессы формирования непрерывнолитой заготовки посредством принудительных восходящих вдоль фронта затвердевания конвективных потоков следует связывать со следующими явлениями:

  • улучшение условий выноса из металла газовых пузырьков, макро- и микро- неметаллических включений вследствие их «запутывания» в растущих дендритах;
  • подавление негативных явлений, связанных с внедрением в жидкую ванну струи металла за счет изменения характера движения его потоков в кристаллизаторе и создания эффекта электромагнитного торможения;
  • 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.

В конечном счете, вышеперечисленные положительные эффекты обеспечивают повышение качества поверхности и корковой зоны непрерывнолитой заготовки, предотвращая при этом возможный прорыв металла под кристаллизатором. При расположении электромагнитного индуктора под кристаллизатором в большинстве случаев положительное влия-ние на качество заготовки несколько уменьшается.

Наиболее существенными негативными проявлениями, сопровождающими наложение электромагнитного воздействия в кристаллизаторе, принято считать [149-150]:

  • 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.

Использование электромагнитного перемешивания на сортовых МНЛЗ получило наибольшее распространение при воздействии на металл, находящийся в кристаллизаторе. В будущем, видимо, будет происходить расширение количества устройств для ЭМП, поскольку представляется наиболее вероятным повышение требований к качеству при увеличении производительности машин за счет скорости вытяжки заготовки.

В последние 10-15 лет для подавления осевой пористости и ликвации все большее применение получает метод «мягкого» обжатия (“soft reduction”) непрерывнолитой заготовки в конце цикла затвердевания. Сущность этого метода заключается в том, что непрерывнолитая заготовка подвергается дополнительному обжатию (на несколько миллиметров) в нижней части ЗВО, где доля жидкой фазы составляет 30-50%. Этот метод нашел достаточно широкое применение при разливке сортовых заготовок высокого качества [151-154]. Влияние качества и химического состава, скорости вытяжки заготовки, режимов вторичного охлаждения и сечения заготовки обусловливают изменение рабочих параметров «мягкого» обжатия. Максимальный эффект подавления осевой ликвации достигается при минимальном колебании параметров разливки в условиях обеспечения минимального выпучивания заготовки в зоне обжатия. Это достигается путем постоянного контроля соприкосновения поверхности пинч-роликов с поверхностью заготовки.

Режим разливки с «мягким» обжатием представляет особо эффективное средство для устранения нежелательных усадочных и ликвационных явлений и, следовательно, повышения качества непрерывнолитых заготовок. Это достигается за счет уменьшения толщины заготовки в зоне завершения кристаллизации в результате приложения внешних усилий до величины нормальной термической усадки, что позволяет выровнять резкий перепад объемов и предотвратить всасывание сегрегированного остаточного расплава. В идеальном случае толщина заготовки должна уменьшаться настолько, чтобы полностью выровнять возникающее различие между корочкой и сердцевиной. На практике в определенных местах заготовку обжимают, прикладывая большие усилия. Это может привести к разрыву или растрескиванию кристаллизующейся корочки на границе твердой и жидкой фаз между дендритами или границами первичных зерен. Эти внутренние трещины оказывают негативное влияние на качество продукции. Трещины также заполняются обогащенным ликватами расплавом, что в большей степени способствует ухудшению механических свойств непрерывнолитой заготовки при ее дальнейшей обработке и использовании. При увеличении нагрузки на корочку происходит дальнейший рост ликвационных трещин, но уже без заполнения их расплавом (открытые трещины) [155, 156].

Важным фактором для успешной реализации режима «мягкого» обжатия является знание точного положения и оптимальной длины области завершения кристаллизации. Принимая во внимание причины образования лунок и макросегрегации в средней части заготовки, «мягкое» обжатие должно начинаться при критическом размере зумпфа и заканчиваться до фазы завершающей кристаллизации [157-159].

Так как критический диаметр зумпфа и положение фазы завершения кристаллизации невозможно измерить прямым методом, условия разливки и установочные параметры для соответствующего режима «мягкого» обжатия определяются опытным путем и по возможности точно выдерживаются на постоянном уровне для каждой серии плавок. Особенно трудно добиться необходимого уровня точности для заготовок малого сечения. Как правило, для сортовых заготовок величина обжатия составляет не более 8-10 мм, при 2-3 парах обжимающих валков.

Возможности метода «мягкого» обжатия для снижения ликвации в осевой зоне заготовки ограничены способностью корочки к удлинению на границе твердой и жидкой фаз. Так как повышенная нагрузка на корочку в зоне фронта затвердевания приводит к образованию внутренних трещин, величина отдельных стадий деформации не должна превышать максимально допустимого значения. Усилить эффект «мягкого» обжатия удается посредством оптимизации геометрической формы внутренней полости кристаллизатора, придавая, например, выпуклые формы тем граням заготовки, которые деформируются [160-166]. Таким образом, мировой рынок сортовой заготовки развивается в направлении повышения требований к ее качеству, как на макро-, так и на микроуровне. Большинство производителей сортовой заготовки отдают предпочтение прямому получению сортовых заготовок на высокоскоростных сортовых МНЛЗ. При этом преимущество отдается заготовкам меньшего сечения (максимально приближенным к размерам сечения конечного продукта), поскольку в условиях ускоренного затвердевания в меньшей степени развиваются ликвационные и усадочные процессы.

Благодаря последним достижениям в области непрерывной разливки, на практике созданы все необходимые предпосылки для производства сортовой заготовки в сталеплавильных цехах с высокой единичной мощностью основных агрегатов. Это достигается путем использования многоручьевых сортовых МНЛЗ с высокой скоростью вытяжки заготовки в совокупности с применением агрегатов типа «ковш-печь», обеспечивающих требуемое качество жидкого металла и ритмичность его подачи на МНЛЗ. Экономический потенциал такой технологической схемы весьма велик.

Следует ожидать, что в ближайшие 10-15 лет прогресс в непрерывной разливке сортовой заготовки будет достигаться на базе традиционных решений и конструкций МНЛЗ за счет проведения небольших, но глубоких и тонких конструкционных и технологических трансформаций в совокупности с повышением уровня автоматизации работы машины.

Что же касается других способов получения сортовой заготовки, рассмотренных в настоящей главе, то, на наш взгляд, достаточно трудно говорить о рецептах, гарантирующих успех в области производства конкурентоспособной металлопродукции, поскольку в последние годы наблюдаются тенденции динамично развивающегося роста цен на электроэнергию, нефть, газ, металлолом, железорудное сырье и т.п.

  Раздел 1.4
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ