Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 5.1

Особенности формирования твердой корочки непрерывнолитой сортовой заготовки

Кристаллизатор сортовой МНЛЗ представляет собой один из наиболее функционально важных узлов, определяющих рациональную работу комплекса по разливке стали и оптимальное качество непрерывнолитой заготовки. Кристаллизатор выполняет функцию приема жидкого металла, попадающего в него из промковша, а также перевода части жидкой стали в твердое состояние с приданием заготовке определенной геометрической формы.

Основным рабочим элементом кристаллизатора сортовой МНЛЗ (рисунок 5.1) является медная гильза, при помощи которой осуществляется отвод тепла от формирующейся заготовки к охлаждающей жидкости и формируется геометрическая форма заготовки. В ходе пребывания металла в кристаллизаторе от заготовки отводится 20-30% всего тепла, аккумулируемого металлом.

Общий вид кристаллизатора в сборе и его гильзы в стальном кожухе

Рисунок 5.1 – Общий вид кристаллизатора в сборе (а) и его гильзы в стальном кожухе (б)

В кристаллизаторе формируется твердая корочка заготовки, которая по выходу из кристаллизатора должна выдержать ферростатическое давление жидкого металла и механическую нагрузку, а также обеспечить теплоперенос от сердцевины к поверхности при дальнейшем охлаждении. В связи с этим появление различного рода дефектов в корочке непрерывнолитой заготовки и выбор параметров непрерывной разливки зависит от условий кристаллизации, свойств стали в интервале температур солидус и ликвидус, а также от поведения корочки в кристаллизаторе.

При переходе из жидкого состояния в твердое, сталь, как известно, подвергается усадке, т.е. уменьшению объема, что ухудшает контакт поверхности заготовки с кристаллизатором. В верхней части гильзы кристаллизатора контакт твердой корочки со стенками максимальный, так как она еще недостаточно прочна, чтобы выдержать ферростатическое давление. В дальнейшем при движении заготовки, вследствие усадки, между гильзой и корочкой образуется газовый зазор (рисунок 5.2), который негативно влияет на интенсивность охлаждения заготовки. Снижение теплового потока в кристаллизаторе может привести к подплавлению сформировавшейся корочки жидким металлом, что приведет к ее прорыву на выходе из кристаллизатора.

Для того чтобы максимально учесть влияние усадки на формирование корочки заготовки в последнее время используют гильзы кристаллизаторов с так называемым «параболическим» профилем внутренней полости, который позволяет минимизировать величину газового зазора, особенно в нижней части гильзы (рисунок 5.2 б) [357]. Особенно эта технология актуальна при высокопроизводительной разливке стали (со скоростями 5-7 м/мин), так как время пребывания металла, а, следовательно, и толщина твердой оболочки, при высоких скоростях значительно меньше, чем при обычной технологии непрерывной разливки [33]. Параболический профиль внутренней полости гильзы кристаллизатора, видимо, не может быть универсальным, поскольку он усреднено рассчитывается для определенных групп марок стали и скоростей вытяжки заготовки, т.к. величина усадки при одинаковых условиях охлаждения изменяется в зависимости от химического состава сплава.

Схема образования корки в одноконусной и параболической гильзе

Рисунок 5.2 – Схема образования корки в одноконусной (а) и параболической (б) гильзе

При использовании гильз параболического профиля при литье заготовок на высокопроизводительных МНЛЗ необходима корректировка параметров разливки даже в пределе группы стали, так как уменьшение толщины корочки вследствие снижения времени пребывания металла в кристаллизаторе требует корректировки таких параметров как: высота уровня металла в кристаллизаторе, скорость разливки и др.

Отрицательное влияние на формирование заготовки оказывает износ или деформация гильзы кристаллизатора [358]. Износ граней или углов кристаллизатора (рисунок 5.3) способствует локальному ухудшению отвода тепла от корочки к кристаллизатору.

В процессе разливки сортовой заготовки на высокопроизводительных сортовых МНЛЗ необходимо строго соблюдать совокупность таких неразрывно связанных между собой технологических параметров разливки стали как: скорость вытяжки заготовки, профиль гильзы кристаллизатора, марка и температура разливаемой стали, которые учитывают особенности формирования твердой корочки в условиях конфигурации используемой гильзы. Отклонение от номинальных параметров литья может привести к неравномерному контакту затвердевающей корочки со стенкой гильзы кристаллизатора, что способствует возникновению дефектов геометрической формы заготовки (рисунок 5.4) [359, 360]. Если же в какой-то части кристаллизатора профиль заготовки будет больше, чем внутренний профиль гильзы, происходит деформация корочки [361].

Износ углов и граней гильзы кристаллизатора

Рисунок 5.3 – Износ углов (а) и граней (б) гильзы кристаллизатора

Для того чтобы спрогнозировать поведение корочки в кристаллизаторе МНЛЗ в процессе разливки стали, необходимо понимать процессы, которые происходят при затвердевании заготовки, важнейшими из которых являются процессы затвердевания и формирования кристаллической структуры. Так, на начальном этапе процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки происходит охлаждение жидкой стали до температуры начала затвердевания (температура ликвидус), а также появление зародышей твердой фазы в зонах интенсивного отвода тепла.

Следующим этапом процесса затвердевания является начало формирования кристаллической структуры. В соответствии с классической схемой формирования структуры дендритокристаллизующихся сплавов, одним из которых является сталь, форма растущих в расплаве кристаллов зависит от переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей и других параметров.

Характерное расположение диагональных трещин на поперечных темплетах сортовой заготовки

Рисунок 5.4 – Характерное расположение диагональных трещин на поперечных темплетах (квадрат 125 мм) сортовой заготовки: а – ромбичность 18 мм; б – ромбичность 20 мм

Формирование корковой зоны и зоны столбчатых кристаллов в непрерывнолитой заготовке происходит в условиях некоторого перегрева металла в жидкой сердцевине слитка (то есть, при условии, когда температура стали превышает значение температуры ликвидус) и наличия достаточно сильных конвективных потоков. Наибольший практический интерес для высокопроизводительной непрерывной разливки стали представляет зона столбчатых кристаллов, которая начинает формироваться в кристаллизаторе и во многом определяет дальнейшее качество заготовки. При высоких скоростях вытяжки эта зона развивается более интенсивно по сравнению с затвердеванием металла в изложницах, о чем свидетельствует коэффициент затвердевания К, равный соответственно 23 и 35 мм/мин0,5 [362, 363].

Увеличение скорости разливки снижает время пребывания металла в кристаллизаторе и повышает температуру поверхности корочки заготовки, что ведет к увеличению теплового потока от заготовки к гильзе. Из-за неравномерности прочностных характеристик по ширине, двухфазная область наиболее уязвима к образованию дефектов вследствие искажения корочки заготовки [88, 359, 364-367]. Так, например, при развитии ромбичности заготовки по причине несоответствия внутренней формы гильзы кристаллизатора усадке заготовки, в тупом углу слитка возникают растягивающие напряжения, разрывающие непрочную двухфазную область.

Для развития представлений о процессах и явлениях, сопровождающих формирование твердой корочки сортовой заготовки в кристаллизаторе, использовался метод физического моделирования, позволяющий контролировать теплофизические параметры системы (интенсивность теплоотвода от модели), а также визуализировать основные процессы, сопровождающие формирование твердой фазы [368-372].

Для исследования теплофизических процессов и явлений формирования твердой фазы при затвердевании на практике обычно применяют два типа моделей: «горячие» и «холодные». Для холодных моделей стремятся использовать прозрачные рабочие вещества органического и неорганического происхождения. В научной литературе [369-371, 373-375] достаточно подробно описаны опыты на нафталине, парафине, воске, салоле, тимоле, бетоле, бензофеноле, циклогексаноле, гипосульфите, камфене и др. веществах (теплофизические свойства некоторых из них приведены в таблице 5.1 [293, 376-379]). Принято считать, что такие вещества хорошо воспроизводят конфигурацию и динамику нарастания твердой фазы, процессы теплопереноса, формирование дефектов макроструктуры, а также зарождение, рост и диспергирование кристаллов. Вместе с тем, большинство из вышеперечисленных веществ (бетол, нафталин, тимол, бензофенол и т.п.) не обладают достаточной прозрачностью и требуют специальных защитных мероприятий из-за токсичности их паров и крайне неприятных запахов.

Таблица 5.1 – Некоторые физические и теплофизические свойства стали и рабочих веществ для физического моделирования затвердевания непрерывнолитой заготовки

Некоторые физические и теплофизические свойства стали и рабочих веществ для физического моделирования затвердевания непрерывнолитой заготовки

Наиболее универсальным из веществ, получивших распространение при моделировании процессов затвердевания в последнее время, следует считать камфен (2,2-диметил-3-метилен-бициклогептан). Это вещество оптически прозрачно в жидком и твердом состоянии, имеет низкую температуру плавления, а также не оказывает какого-либо вредного воздействия на человека и не требует специальных условий хранения и сложных технологий предэкспериментальной обработки. Камфен, как и сталь, является дендритокристаллизующимся веществом, что позволяет моделировать процессы дендритного роста кристаллов и явления, происходящие в двухфазной зоне[371, 380, 381].

При исследовании динамики роста твердой корочки и ее деформации в кристаллизаторе современной сортовой МНЛЗ решались следующие задачи: определение наиболее характерных стадий процесса затвердевания сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ; количественная оценка параметров продвижения фронта затвердевания; исследование влияния параметров охлаждения на трещинообразование в твердой корочке; изучение динамики процесса деформации затвердевшей корочки при взаимодействии с кристаллизатором, качественная и количественная оценка деформации корочки в зависимости от величины сжимающего воздействия.

Лабораторная установка для моделирования процессов, сопровождающих формирование заготовки в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ, приведена на рисунке 5.5.

Физическая модель выполнена в масштабе 1:2 по отношению к моделируемому объекту – непрерывнолитой сортовой заготовке сечением 100x100 мм.Температура заливки камфена составляла 38 ± 0,5oС. Среднее значение температуры воды для охлаждения стенок модели составляло 18-20 oС. С целью предотвращения влияния теплоотвода через стекло и мениск расплавленного камфена на процесс затвердевания высота модельного слоя жидкости была принята равной 20 мм. Процесс затвердевания наблюдался визуально и фиксировался с помощью цифровой видеокамеры.

Расплав камфена затвердевает в модели кристаллизатора, которая изготовлена из алюминиевого сплава, что обеспечивает высокую интенсивность отвода тепла. Внутри модели кристаллизатора вмонтированы медные трубки диаметром 5 мм, через которые с определенным расходом пропускается охлаждающая вода. К нижней части модели приклеено прозрачное стекло, которое позволяет визуализировать процессы затвердевания при пропускании света через жидкую ванну. При такой схеме интенсивность теплоотвода через водоохлаждаемые стенки модели на несколько порядков выше, чем через мениск моделирующего вещества и прозрачное стекло.

Общая схема лабораторной установки для моделирования процесса затвердевания заготовки в кристаллизаторе

Рисунок 5.5 – Общая схема лабораторной установки для моделирования процесса затвердевания заготовки в кристаллизаторе: 1 – фиксирующая рама; 2 – осветительные лампы; 3 – фиксаторы для поддержания кристаллизатора; 4 – кристаллизатор; 5 – отверстия, для пропускания охлаждающей воды; 6 –твердый слой камфена, образовавшийся при затвердевании; 7 – жидкий объем моделирующего вещества; 8 – прозрачное оргстекло с низкой теплопроводностью; 9 – видеокамера

В модели предусмотрена возможность регулирования расхода охлаждающей воды для каждой грани в отдельности и измерения расхода посредством расходомера. Газовый зазор между кристаллизатором и затвердевающей корочкой моделировался посредством наклеивания на внутреннюю сторону стенки или угла модели теплоизолирующей прокладки определенной толщины.

Компенсация различий в теплофизических параметрах стали и камфена осуществлялась путем регулирования интенсивности режимов отвода тепла таким образом, чтобы выполнялось условие тождественности произведения критерия Био (Bі) и критерия фазового перехода (N) (Bі•N=іdem). Временной масштаб моделирования определяли исходя из идентичности критерия Фурье (Fo = іdem) в соответствии с формулой

При этом динамика процессов затвердевания достаточно легко оценивается по значению коэффициента затвердевания k, поскольку толщина твердой корочки для заданного времени затвердевания определяется в ходе физического моделирования. Толщина корочки затвердевшего вещества измерялась при помощи фотографий, полученных из видеосъемки эксперимента. Исследования выполнялись последовательно в несколько этапов, что предполагало возможность дифференцированной количественной оценки основных параметров, характеризующих процесс наращивания твердой корочки в кристаллизаторе. На первом этапе исследований оценивалось влияние интенсивности охлаждения на динамику формирования твердой корочки. Для этих целей две соседние грани кристаллизатора охлаждались водой с расходом 0,818 л/мин каждая, а две другие в одном случае с расходом 0,409 л/мин., а в другом – 0,080 л/мин. Как показали наблюдения, на первом этапе (начало затвердевания) величина коэффициента затвердевания k непрерывно возрастает до достижения определенного значения, которое зависит от интенсивности теплоотвода. В дальнейшем величина этого коэффициента остается примерно одинаковой в достаточно большом временном интервале. Можно принять, что на этом участке процесс наращивания твердой корочки характеризуется высокой степенью стабильности. Поэтому сравнительные оценки динамики процессов формирования твердой корочки выполнялись именно в этом временном интервале. Результаты экспериментов представлены на рисунке 5.6.

Динамика продвижения фронта затвердевания и изменения коэффициента затвердевания в зависимости от режима охлаждения модели

Рисунок 5.6. Динамика продвижения фронта затвердевания (а) и изменения коэффициента затвердевания (б) в зависимости от режима охлаждения модели: а, г –интенсивность охлаждения угла и грани модели 0,818 л/мин; б, д – интенсивность охлаждения угла и грани модели 0,409 л/мин; в, е – интенсивность охлаждения угла и грани модели 0,080 л/мин

Так, при уменьшении расхода жидкости на охлаждение стенок модели на 50% толщина твердой корочки моделирующего вещества в середине грани уменьшается соответственно на 6,0-6,5%, а коэффициент затвердевания – на 14,0-14,5%. При тех же условиях для угла модели толщина корочки снизилась на 17,5-18,0%, а коэффициент затвердевания – на 21,0-21,5%. В случае же уменьшения расхода жидкости до 0,08 л/мин толщина затвердевшего слоя уменьшилась соответственно на 14,0-15,0% и 17-18%, а коэффициент затвердевания – на 18-19% и 19-20%.

Принимая во внимание, что в практике непрерывной разливки может наблюдаться отделение некоторой части твердой корочки от внутренней поверхности гильзы (в силу искажения профиля или износа отдельных участков поверхности гильзы), на втором этапе исследований были выполнены оценки влияния газового зазора на динамику затвердевания заготовки и трещинообразование в корочке.

В экспериментах рассматривались две наиболее вероятные ситуации: образование газового зазора в углу кристаллизатора и образование газового зазора вдоль грани кристаллизатора. Для имитации уменьшения интенсивности теплоотвода при отхождении твердой корочки заготовки в углу (или середине грани) модели кристаллизатора наклеивался определенный слой теплоизоляционного материала. В ходе экспериментов слой теплоизоляционного материала варьировался по толщине (1 и 2 мм), что обеспечивало эффект изменения интенсивности теплоотвода.

Установлено, что эффект уменьшения интенсивности теплоотвода в значительной степени проявляется на начальных этапах формирования твердой корочки (до толщины 6-8 мм). При моделировании явления уменьшения интенсивности теплоотвода в углу заготовки отмечено существенное отставание темпа продвижения фронта затвердевания при наличии теплоизоляционных прокладок на толщинах твердой корочки до 5-6 мм. В дальнейшем темп наращивания корочки для всех случаев примерно выравнивается, что подтверждается близкими значениями коэффициента затвердевания k. Между тем, как видно из приведенных на рисунке 5.7 фотографий, характерной особенностью процесса формирования твердой корочки в местах с уменьшенным теплоотводом (теплоизоляционные прокладки) является образование большого количества мелких трещин, которые располагаются вдоль направления отвода тепла. Расположение этих трещин носит достаточно локальный характер – по периметру зоны расположения теплоизолирующих прокладок. При этом трещины представляют собой тонкие разрывы сплошности твердой корочки, тянущиеся, видимо, вдоль границ дендритных кристаллов на глубину 5-8 мм. Количество трещин на единицу длины периметра твердой корочки возрастает с увеличением толщины теплоизолирующей прокладки. Это, вероятно, можно рассматривать как подтверждение того факта, что наиболее вероятным механизмом происхождения этих трещин являются внутренние напряжения в твердой корочке, которые формируются вследствие неравномерного ее охлаждения и усадки. При этом растрескивание происходит в тех областях твердой корочки, которые охлаждаются менее интенсивно и имеют меньшую величину линейной усадки в сравнении с областями твердой корочки, затвердевающими с более высокой скоростью.

Эффект образования трещин в твердой корочке в случае локального уменьшения теплоотвода хорошо проявляется и при установке теплоизолирующих прокладок вдоль одной из граней. На рисунке 5.8 представлен характерный результат моделирования, при котором на горизонтальной грани устанавливалась теплоизоляционная прокладка, а на вертикальной – нет. Так, при толщине твердой корочки 4,5 мм и 6,0 мм (охлаждение без теплоизоляторов) уменьшение ее толщины посередине грани (с изоляционным слоем) составило соответственно 2,25 и 1,4 раза. В дальнейшем фронт затвердевания продвигался примерно с одинаковой скоростью для всех исследуемых случаев, что, вероятно, объясняется увеличением термического сопротивления отводу тепла через твердую корочку.

Характерный вид твердой корочки заготовки после затвердевания в кристаллизаторе

Рисунок 5.7 – Характерный вид твердой корочки заготовки после затвердевания в кристаллизаторе: а – без теплоизолятора; б – с теплоизоляторами толщиной 1 мм, установленными в углу кристаллизатора; в – с теплоизоляторами толщиной 2 мм, установленными в углу кристаллизатора

Эффект образования трещин в процессе формирования твердой корочки с изолятором, установленном на грани кристаллизатора

Рисунок 5.8 – Эффект образования трещин в процессе формирования твердой корочки с изолятором, установленном на грани кристаллизатора

В целом выполненные на физической модели исследования позволили установить, что в случае локального изменения величины интенсивности теплоотвода от твердой корочки заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ в ней может образовываться большое количество трещин, локально расположенных по периметру заготовки в местах с меньшей интенсивностью теплоотвода [360].

Причиной растрескивания твердой корочки, следует считать затрудненную усадку участка моделирующего вещества возле грани (рисунок 5.9), к которой прикреплен теплоизолятор, за счет более медленного ее охлаждения, а также низкую прочность и пластичность твердой корочки в области температур затвердевания [382].

При этом трещины зарождаются в зонах корочки с меньшей усадкой. Можно предположить, что они формируются на междендритных границах вследствие появления в них растягивающих напряжений, формирующихся за счет повышенной усадки в соседних зонах. Для уточнения причин появления трещин в затвердевающем веществе в условиях ограниченной усадки, вызванной разностью скоростей охлаждения разных частей модели, было выполнено исследование особенностей формирования кристаллов расплава камфена при моделировании затвердевания стали в кристаллизаторе.

Схема появления растягивающих напряжений при затрудненной усадке моделирующего вещества

Рисунок 5.9 – Схема появления растягивающих напряжений при затрудненной усадке моделирующего вещества: 1 - модель кристаллизатора; 2 - моделирующее вещество, 3 - теплоизолятор; 4 - трещины; 5 - вектор действия растягивающих напряжений

Это позволило выполнить идентификацию характера дефектов дендритной структуры, влияющих на прочность затвердевающего каркаса, при формировании непрерывнолитой заготовки в кристаллизаторе высокопроизводительной сортовой МНЛЗ.

Процесс формирования твердой корочки вещества на физической модели фиксировался при помощи цифрового фотоаппарата в режиме макросъемки, что позволило визуализировать образование кристаллов и особенности формирования дендритной структуры. Для изучения динамики роста кристаллов из полученных фотографий (рисунок 5.10) составлялись видео фильмы.

Пример макросъемки дендритных кристаллов камфена

Рисунок 5.10 – Пример макросъемки дендритных кристаллов камфена: 1 - жидкая фаза; 2 - двухфазная область; 3 - твердая фаза с плотной структурой

В процессе исследования особенностей роста кристаллов в кристаллизаторе высокопроизводительной сортовой МНЛЗ было выявлено пять основных схем формирования дендритных структур моделирующего вещества:

  • 1. Схема упорядоченного роста дендритов (рисунок 5.11 а), при которой основное количество кристаллов находится на небольшом расстоянии друг от друга, их оси первого порядка расположены параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности, а оси второго порядка пересекаясь, образуют плотный каркас.
  • 2. Область кристаллической структуры, где главные оси дендритов параллельны направлению теплоотвода, однако расположены на существенном расстоянии друг от друга, что обуславливает формирование областей глубокого проникновения жидкой фазы (30-40% от толщины затвердевшей оболочки) (рисунок 5.11 б).
  • 3. Схема роста дендритных кристаллов, отличающаяся от предыдущих двух тем, что оси первого порядка некоторых кристаллов формируются перпендикулярно продвижению фронта кристаллизации, а главные оси рядом растущих дендритов образуют с поверхностью модели острый угол (рисунок 5.11 в). При этом останавливается рост части дендритов, главные оси которых сталкиваются с вторичными или первичными осями пряморастущих кристаллов, следствием чего является отставание в затвердевании части жидкой фазы в междендритном пространстве толщиной, равной 20-30% от толщины твердой фазы слитка.
  • 4. Схема кристаллической структуры, в которой некоторые рядом расположенные дендриты растут под небольшим углом в разные стороны друг от друга (рисунок 5.11 г). Это приводит к локальному проникновению жидкой фазы вглубь плотной кристаллической оболочки на 40-60%.
  • 5. Схема роста кристаллов, при которой оси первого порядка растущих рядом дендритов образуют между собой тупой угол (рисунок 5.11 д). В процессе развития такой кристаллической структуры пространство между дендритами, растущими в противоположенные стороны, начинает заполнятся разрастающимися осями второго и третьего порядка, образующими менее прочную кристаллическую оболочку.

Наиболее предпочтительным вариантом формирования корочки заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ является традиционная схема роста дендритов (рисунок 5.11 а), так как в этом случае обеспечивается наибольшая прочность твердого каркаса из-за отсутствия в нем включений жидкой фазы. Однако, как показало физическое моделирование, образование кристаллической структуры заготовки по периметру происходит неравномерно и может включать в себя различные комбинации схем дендритных структур, отличающихся от «классической». В этом случае, между некоторыми расположенными рядом кристаллами остается значительное количество жидкости (40-60%) (рисунок 5.11 б, в, г, д), что способствует локальному ухудшению прочности корочки в этой области. Соответственно, это может стать причиной зарождения и образования трещины при появлении в этой зоне механических или температурных напряжений.

Дефекты дендритной структуры непрерывнолитой сортовой заготовки

Рисунок 5.11 – Дефекты дендритной структуры непрерывнолитой сортовой заготовки

В целом смоделированный в данной главе механизм формирования дендритной структуры сортовой заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ хорошо согласуется с процессами, наблюдаемыми в промышленных условиях. Полученные результаты физического моделирования позволяют сделать вывод о том, что зарождение трещин в корочке заготовки происходит между главными осями кристаллов, чему способствует формирование дефектов в дендритной структуре вследствие отклонения направления роста кристаллов от нормального по отношению к поверхности гильзы.

Принимая описанную выше схему формирования твердой корочки заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ, можно предположить, что в углах заготовки, которые отошли от поверхности гильзы кристаллизатора, может наблюдаться возникновение некоторого количества микротрещин, которые, по сути, локально разупрочняют твердый каркас. При этом вследствие развития внутренних напряжений, формирующихся в твердом каркасе в процессе затвердевания, углы заготовки, в которых имеется повышенное количество трещин, проявляют склонность к макродеформации. В результате этого заготовка в поперечном сечении изменяет свою конфигурацию, образуя либо ромб, либо трапецию, либо более сложную геометрическую фигуру. При этом, как видно из рисунка 5.12, в углах заготовки могут образовываться диагональные макротрещины, которые делают непрерывнолитую заготовку некондиционной.

В целом рассмотренные явления трещинообразования в твердой корочке непрерывнолитой заготовки находятся в прямой взаимосвязи с условиями разливки и тепловой работы кристаллизатора. Безусловно, в значительной степени они могут быть предотвращены в случае, если поверхность заготовки будет плотно прилегать к внутренней поверхности гильзы кристаллизатора на всем пути ее движения. Соответственно, при создании оптимальной конфигурации внутренней полости гильзы кристаллизатора необходимо учитывать особенности динамики развития усадки твердой корочки, как по поперечному сечению заготовки, так и по высоте кристаллизатора. Принимая во внимание тот факт, что трещины начинают зарождаться в твердой корочке заготовки уже в верхней части слитка, представляется целесообразным предусматривать конструкционную конусность гильзы в верхней ее части несколько большую, чем усадочная конусность для этой зоны заготовки.

Характерное расположение диагональных трещин на поперечных темплетах сортовой заготовки

Рисунок 5.12 – Характерное расположение диагональных трещин на поперечных темплетах сортовой заготовки (квадрат 125 мм): а – ромбичность 18 мм; б – ромбичность 16 мм

На практике же определенный внутренний профиль гильзы используется для широкого спектра марок сталей, имеющих различный коэффициент линейной и объемной усадки. Кроме того, на величину скорости вытяжки заготовки могут накладываться дополнительные технологические ограничения. В то же время в процессе разливки может изменяться скорость литья (например, вследствие износа внутренней полости стакана-дозатора или падения уровня металла в промковше в ходе замены сталеразливочных ковшей), а также положение уровня металла в кристаллизаторе. Все это может приводить к существенному отклонению профиля твердой корочки заготовки от внутреннего профиля гильзы, что создает условия для образования внутренних напряжений и повышенного износа локальных участков гильзы кристаллизатора.

При физическом моделировании процессов и явлений, сопровождающих формирование твердой корочки заготовки в кристаллизаторе высокопроизводительной сортовой МНЛЗ, в условиях, когда конусность гильзы увеличивается быстрее, чем скорость усадки затвердевающей корочки, решались следующие основные задачи: исследование динамики поведения затвердевшей корочки при взаимодействии с кристаллизатором, качественная и количественная оценка характера деформации корочки в зависимости от величины сжимающего воздействия, определение условий возникновения внутренних трещин в твердой корочке и пр.

Используемая для исследований лабораторная установка, отличалась от рассмотренной ранее, тем, что для моделирования явления сжимающего воздействия на затвердевающую корочку со стороны гильзы одна из граней модели была выполнена подвижной (рисунок 5.13).

Для изучения деформации корочки в условиях, когда конусность гильзы увеличивается быстрее, чем величина усадки затвердевающего металла, особый интерес представляют 3 основные этапа формирования корочки заготовки: начало нарастания твердой корочки (до 3-4 мм) на поверхности в верхней части гильзы, которую, в большинстве случаев, изготавливают с большой конусностью [85]; средняя часть кристаллизатора (по высоте), где конусность примерно совпадает с величиной усадки (толщина корочки 4-8 мм); нижняя часть гильзы (толщина корочки 8-14 мм и более), в которой величина конусности гильзы варьируется в зависимости от концепции производителя и может быть как больше, так и меньше величины усадки.

При выполнении всех трех этапов моделирования был принят одинаковый расход воды для охлаждения модели, который составлял 1,125 л/мин на каждую грань. Величина деформации твердого каркаса определялась как максимальное расстояние от стенки модели кристаллизатора до внешней поверхности затвердевшей корочки модельного вещества. Величина перемещения стенки модели, имитирующая увеличение конусности гильзы кристаллизатора, во всех трех случаях равнялась пяти миллиметрам, а скорость перемещения составляла 0,083 мм/с [383].

Общая схема лабораторной установки для моделирования процесса деформации корочки заготовки в кристаллизаторе

Рисунок 5.13 – Общая схема лабораторной установки для моделирования процесса деформации корочки заготовки в кристаллизаторе: 1 – клапан регулирования подачи охлаждающей воды; 2 – термометр; 3 – расходомер; 4 – стекло; 5 – медная трубка; 6 – механизм перемещения грани модели

На первом этапе моделирования деформации подвергалась корочка модельного вещества толщиной 2,5 мм. При перемещении стенки вглубь модели на расстояние один миллиметр никаких значимых изменений в поведении затвердевшего каркаса вещества не наблюдалось. Дальнейшее поведение объекта моделирования выглядело следующим образом: сжимающее воздействие равное 2 мм вызывало резкую деформацию участка корочки длиной около 28-30 мм до уровня 1 мм в районе угла модели. Однако последующее перемещение стенки еще на 1 мм незначительно повлияло на деформацию корочки. Перемещение грани модели до расстояния 5 мм вызвало почти линейное увеличение деформации корочки, значение которой в конце моделирования составило 4 мм (рисунок 5.14). После проведения эксперимента кристаллическая структура деформированной корочки не отличалась от структуры недеформированного затвердевшего модельного вещества.

График изменения величины деформации корочки модельного вещества от перемещения грани модели: толщина корочки

Рисунок 5.14 – График изменения величины деформации корочки модельного вещества от перемещения грани модели: толщина корочки: 1–2,5 мм; 2–5 мм; 3–9 мм

На втором этапе моделирования исследовалось воздействие деформации на затвердевшую корочку толщиной 5 мм. В этом случае твердая фаза не подвергалась деформации вплоть до величины перемещения стенки равной 2 мм, однако, после преодоления этого рубежа участок корочки протяженностью 35 мм отошел от стенки модели в районе угла сразу на 0,2 мм. В процессе моделирования наблюдалось снижение реакции корочки на сжимающую силу, как и в первом случае, при перемещении грани от 3,2 до 3,9 мм. В дальнейшем изменение величины деформации корочки в зависимости от перемещения грани модели принимает линейный характер и в конце эксперимента установилось равным 2,7 мм. Структура затвердевшей корочки, как и в предыдущем случае, в месте приложения деформационного усилия не отличалась от мест, не подверженных сжатию.

Третий этап моделирования предусматривал изучение поведения твердой корочки толщиной 9 мм со стенкой кристаллизатора в условиях несоответствия скорости усадки заготовки увеличению конусности гильзы. Как и в первых двух случаях, реакция заготовки на перемещение грани модели отсутствовала до величины деформации равной 3 мм, после чего по центру грани от поверхности модели отошла часть корочки шириной 38-40 мм. Особенностью этого этапа моделирования стало формирование в корочке большого количества мелких трещин толщиной 0,3-0,5 мм и длинной 2-4 мм (приблизительно 10-15 шт/см длины грани), ориентированных параллельно направлению роста дендритных кристаллов и, по-видимому, сформировавшихся между ними. В соответствии с визуальными наблюдениями эти трещины образовались в зоне близкой к поверхности заготовки непосредственно в процессе деформации (рисунок 5.15) [384, 385].

В целом рассмотренный механизм деформации твердой корочки заготовки в кристаллизаторе достаточно хорошо согласовывается с процессами, наблюдаемыми в реальных сортовых заготовках. Например, в практике непрерывной разливки весьма характерным дефектом является «ужимина» вдоль угла заготовки (рисунок 5.16 б). На наш взгляд, происхождение этого дефекта достаточно легко идентифицировать, сравнивая профиль поперечного сечения заготовки с профилем корочки модельного сплава.

В целом полученные качественные результаты изучения процесса роста твердой корочки в кристаллизаторе могут быть использованы при проектировании внутреннего профиля гильз для разливки сортовой заготовки с высокими скоростями.

Образование трещин в твердой корочке модельного вещества после деформации

Рисунок 5.15 – Образование трещин в твердой корочке модельного вещества (при толщине 9 мм) после деформации

Фотография корочки модельного вещества в месте деформации при наложении на нее сжимающего воздействия и аналогичного профиля темплета непрерывнолитой сортовой заготовки сечением 125 мм

Рисунок 5.16 – Фотография корочки модельного вещества в месте деформации при наложении на нее сжимающего воздействия (а) и аналогичного профиля темплета непрерывнолитой сортовой заготовки сечением 125 мм (б)

Прежде всего, следует отметить, что для обеспечения максимального отвода тепла в верхней половине гильзы целесообразно выполнять эту область с конусностью превышающей конусность заготовки, обусловливаемую явлением усадки. Для верхней части нижней половины гильзы наиболее предпочтительным является примерное совпадение конусности внутренней полости гильзы и величины усадки заготовки. При этом конусность гильзы может быть несколько больше. Для нижней части гильзы предлагается использовать конусность, несколько меньше, чем усадка заготовки. Это обеспечит минимизацию износа стенок гильзы вследствие истирания.

Что же касается величины конусности в углах гильзы кристаллизатора, то, принимая во внимание явление образования продольных ужимин вдоль углов заготовки, наиболее предпочтительной представляется несколько меньшая конусность, чем по граням заготовки. Принцип выбора величины конусности при этом должен предполагать, что углы заготовки выходят из прямого контакта с поверхностью заготовки в нижней половине гильзы.

Дополнительным фактором, который может оказывать влияние на условия формирования твердой корочки заготовки при фиксированной конфигурации гильзы, может рассматриваться положение уровня металла в кристаллизаторе. Например, при увеличении скорости вытяжки заготовки (или повышении температуры заливки стали) разливку целесообразно вести на максимально допустимом по высоте уровне, величина которого обусловливается возможностями оборудования для поддержания уровня стали в кристаллизаторе. Соответственно, при снижении скорости вытяжки заготовки ниже номинального уровень стали в кристаллизаторе следует понизить таким образом, чтобы профиль твердой корочки заготовки обеспечивал его прилегание к поверхности гильзы.

  Раздел 5.1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ