Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 6.3

Условия формирования сортовой заготовки в ЗВО

В кристаллизаторе формируется твердая корочка заготовки, которая по выходу из него несет на себе функцию оболочки, удерживающей жидкую фазу и обеспечивающей теплоперенос от сердцевины к поверхности. Поэтому возникновение различного рода дефектов в твердой корочке, а также выбор параметров разливки во многом зависят от условий кристаллизации и свойств стали в области температур, приближающихся к температуре солидус.

Основные виды кристаллических структур, образующихся при затвердевании, в масштабе, соответствующем размерам дендритов, представлены на рисунке 6.4 [461-464].

Основные виды кристаллических структур, образующихся при затвердевании непрерывнолитых заготовок

Рисунок 6.4 – Основные виды кристаллических структур, образующихся при затвердевании непрерывнолитых заготовок: а – структура равноосных дендритов; б – структура столбчатых дендритов; в – равноосная «недендритная» структура

Известно, что наиболее часто в слитках и непрерывнолитых заготовках встречается структура равноосных дендритов (рисунок 6.4 а), которые растут и формируются внутри жидко-твердой зоны и имеют практически любую направленность главных осей относительно поверхности заготовки. Характер развития зоны равноосных дендритов во многом зависит как от химического состава металла, так и от степени его перегрева над температурой ликвидус. При этом затвердевание в зоне равноосных дендритов происходит по механизму гетерогенного зарождения центров кристаллизации или по механизму дендритной мультипликации (умножения числа зародышей за счет разрушения ветвей дендритов). Процесс дендритной мультипликации усиливается при наличии конвективных и вихревых течений, а также пульсирующих перепадов давления жидкости у фронта затвердевания. Обычно в макроструктуре непрерывнолитых заготовок различают две зоны равноосных дендритных кристаллов. Одна из этих зон пролегает от поверхности на глубину нескольких миллиметров и имеет ярко выраженную мелкозернистую структуру. Другая зона равноосных дендритных кристаллов располагается в осевой зоне заготовки и размеры кристаллов в ней в десятки раз больше, чем в первой зоне.

В том случае, если процесс гетерогенного зародышеобразования не получает мощного развития, а процесс дендритной мультипликации имеет минимальное проявление (минимальное развитие процессов термогравитационной конвекции при высоком температурном градиенте), то в заготовках наблюдается преимущественно направленный рост столбчатых дендритов (рисунок 6.4 б). Известно, что протяженность зоны столбчатых дендритов и ее плотность заметно влияет на прочностные и пластические свойства заготовок. Зона столбчатых дендритных кристаллов располагается в непрерывнолитой заготовке между двумя зонами равноосных дендритных кристаллов. Окончательная протяженность дендритов определяется динамикой процесса их укрупнения, то есть, чем меньше время течения этого процесса, тем большее измельчение дендритной структуры будет достигнуто.

Если сплавы интенсивно перемешиваются в течение определенного отрезка времени начальной стадии затвердевания (как это, например, происходит в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ или при применении электромагнитного перемешивания), то дендритная мультипликация развивается в таких масштабах, что обычная дендритная структура существенно уменьшается по своей протяженности. В ряде случаев интенсивное перемешивание жидкой фазы вообще останавливает направленный рост дендритов. Вместо этого затвердевание происходит из сфероидально растущих центров. Следовательно, характерной особенностью этой зоны затвердевания можно считать наличие перед фронтом затвердевания области жидкости, содержащей в виде механической смеси большое количество мелких частиц твердой фазы. С определенной степенью условности можно говорить о зоне «недендритной» равноосной структуры [465]. Наиболее экстремальный случай развития процесса затвердевания по описанной схеме представлен на рисунке 6.4 в. Следует иметь в виду, что реологические свойства материала этой структурной зоны могут сильно отличаться от свойств материала в зонах с дендритной структурой, что позволяет достаточно точно идентифицировать эту зону на практике.

Вместе с тем, на практике достижение чистой равноосной «недендритной» структуры в сортовых непрерывнолитых заготовках представляется маловероятным. Однако, в зонах, подвергнутых мощному принудительному перемешиванию непосредственно в процессе затвердевания, многими исследователями отмечается изменение реологических свойств материала при измельчении его кристаллической структуры (например, так называемые «белые» полосы при электромагнитном перемешивании).

Кроме рассмотренных типовых видов кристаллических структур, в макроструктуре любой заготовки следует, видимо, также различать зоны, с так называемыми «переходными» или «смешанными» структурами [463]. Наиболее уязвимой, с точки зрения резкого изменения уровня механических свойств, представляется, на наш взгляд, область структурного перехода от зоны столбчатых дендритных кристаллов к зоне равноосных дендритов. С теплофизической точки зрения эта переходная зона соответствует моменту времени, в который скорость отвода тепла через твердую корочку уменьшается до таких величин, что она примерно соответствует скорости выделения тепла свободно плавающими перед фронтом затвердевания твердыми кристаллами. Протяженность этой зоны во многом зависит от условий затвердевания заготовки в целом.

Неравномерный отвод тепла от затвердевающей заготовки вызывает неодинаковое распределение температур в твердой корочке, что обусловливает формирование в ней внутренних напряжений, которые являются причиной деформирования заготовки в поперечном и продольном сечении. Это приводит к развитию многочисленных поверхностных и внутренних дефектов, снижающих качественные показатели и механические свойства литого металла, и к сокращению срока службы металлоизделий из них.

К числу наиболее значимых дефектов, связанных с внутренними напряжениями, можно отнести наружные и внутренние продольные, поперечные и диагональные трещины, а также дефекты усадочного происхождения. Основными причинами развития указанных дефектов являются:

  • высокая скорость кристаллизации и низкая прочность литого металла при высоких температурах;
  • высокое содержание серы при низком содержании марганца в стали, понижающее пластические свойства стали, что является основной причиной снижения качества непрерывнолитых заготовок [466];
  • загрязненность разливаемого металла неметаллическими включениями, которые следует связывать с технологией внепечной обработки и разливки стали;
  • нестабильность заполнения кристаллизатора жидкой сталью, а также несимметричность движения потоков металла в жидкой ванне кристаллизатора;
  • нестабильность температуры разливки стали и величины превышения температуры разливки (в промковше) над температурой ликвидус и неравномерность распределения тепловых полей внутри кристаллизатора.

Практика непрерывной разливки стали и непрерывное повышение требований, предъявляемых к качеству заготовки, способствует стимулированию развития общих представлений о природе и механизмах развития тех или иных групп дефектов. С точки зрения причин образования трещин наибольший интерес представляют главные параметры, влияющие на их возникновение: прочность, деформационная способность и скорость деформации металла при температурах затвердевания стали. Для предупреждения нарушения сплошности металла необходимо, чтобы, вследствие усадки стали, температурных напряжений и ферростатического давления, суммарные напряжения, деформационная способность и скорость деформации не превышали их критических значений, при которых наступает разрыв металла.

На деформационные свойства стали в значительной степени влияет скорость развития деформации [467]. С увеличением содержания углерода допускаемая скорость деформации увеличивается. Поэтому, средне- и высокоуглеродистые стали имеют меньшую склонность к образованию трещин. Как показывают данные различных исследователей, увеличение скорости деформации уменьшает допускаемую деформацию для всех марок сталей. Деформация металла весьма существенно влияет также и на допускаемые напряжения в затвердевающей стали. Последний показатель в значительной степени связан с наличием в стали фосфора, серы и марганца.

Известно, что для сталей различного химического состава механические их свойства в районе температуры ликвидус не сильно отличаются друг от друга [468]. Вместе с тем присутствие углерода и серы оказывает заметное влияние на склонность к трещинообразованию. С повышением содержания углерода c 0,1 до 0,18% прочность стали возрастает почти линейно. При содержании углерода 0,18-0,20% происходит резкое снижение прочности. Собственно в этом диапазоне содержаний углерода сталь по фронту затвердевания не обладает способностью к пластической деформации. При дальнейшем увеличении содержания углерода прочность стали постепенно уменьшается. Увеличение содержания серы от 0,020% до 0,045% уменьшает временное сопротивление разрыву, причем особенно заметное снижение прочности имеет место в пределах изменения содержания серы 0,020-0,030%.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что при Mn/S 25 при разрыве образцов значение относительного сужения составляет менее 10%, при Mn/S = 60 это значение возрастает до 40%, а при Mn/S = 100 и 200 – соответственно до 60% и 90%. Непрерывное увеличение пластичности стали с увеличением величины отношения содержания марганца к сере позволяет сделать заключение об изменяющемся составе сульфидов. В целом же приведенные данные позволяют говорить о возможности повышения качества внутренней структуры непрерывнолитой заготовки путем повышения значения отношения Mn/S. В настоящее время большинство ведущих металлургических фирм мира рекомендуют обеспечивать отношение Mn/S 50-70 при разливке рядовых сталей на сортовую и блюмовую заготовку и повышают это отношение до 100-120 и более для качественных сталей.

В соответствии с рассмотренной схемой термонапряженное состояние корочки затвердевающей заготовки определяется тремя следующими факторами:

  • прочностными и пластичными свойствами стали при высоких температурах;
  • линейной и объемной усадкой стали и скоростью образования зазора между оболочкой заготовки и стенкой кристаллизатора;
  • интенсивностью теплового потока и внутренними напряжениями в твердой оболочке формирующейся заготовки после образования зазора.

При этом основными видами дефектов, которые сопутствуют вышеперечисленным факторам, являются: выпуклость заготовки; продольные поверхностные ужимины; ромбичность для заготовки квадратного сечения; подповерхностные (в местах нахождения ужимин) диагональные и перпендикулярные поверхности трещины.

Существенное влияние на процесс трещинообразования непрерывнолитой заготовки оказывают механически вызванные деформации, поскольку они происходят в условиях, когда внутри слитка еще имеется жидкая фаза.

Механически вызванные деформации могут возникать по многим причинам. Даже, если машина тщательно спроектирована, то механические деформации, возникающие от несоблюдения одного уровня между разгрузочной рамой, искривления геометрической формы поперечного сечения, ошибочного раствора валков и излишней вытяжки заготовки у приводных валков, все жe сильно зависят от точности работы оператора.

Вследствие того, что непрерывнолитая заготовка одновременно затвердевает и движется сквозь рабочее пространство МНЛЗ, существует высокая вероятность формирования несплошностей по причине растягивающих деформаций вблизи межфазной поверхности между оболочкой (корочкой) и жидкой сердцевиной. Обычно в качестве индикатора несплошностей, вызванных растягивающей деформацией, принимаются, так называемые «радиальные полоски», которые наблюдаются как потемнения в виде линий на макротравленных сечениях литого и прокатанного непрерывнолитого слитка.

Многочисленные исследования [469-471] показывают, что радиальные полосы являются результатом разрушения границ зерен во время затвердевания, ориентированных, вообще говоря, перпендикулярно к приложенным растягивающим напряжениям. Вследствие низкой пластичности стали при температуре вблизи солидуса, граница зерна вблизи межфазной поверхности затвердевания может разрушиться тогда, когда напряжения превзойдут некоторую пороговую величину. Междендритная жидкость, обогащенная ликвирующими элементами и фазами (особенно фосфором и сульфидами) из прилегающей лунки затем втягивается и накапливается в зоне разрушения. Однажды начавшись, процесс разрушения или трещинообразования совместно с накоплением ликватов может продолжать развиваться в затвердевающей стали даже при пониженных уровнях деформаций, поскольку деформации затем концентрируются (локализуются) на разрушенной границе.

Пороговый уровень возникновения радиальных полосок сильно зависит от содержания углерода в стали. Общепринятые «безопасные» уровни деформаций составляют 1,25 % для поверхностной деформации и около 0,20 % для межфазной деформации. Предельное относительное удлинение при температурах 1470-1430 oС составляет 0,3-0,4%. Несмотря на то, что разрывы завариваются во время прокатки, участки, обогащенные ликватами, остаются и вызывают появление участков повышенной травимости в прокатанной продукции.

Вместе с тем, для расчетов критические значения коэффициента относительного удлинения могут находиться в пределах 0,2-0,25%. Критическая скорость деформации при этом находится в пределах 0,01 с-1, а предел прочности твердой корочки 2-3 МПа (для ряда сталей до 4-6 МПа). Более точные оценки напряженного состояния непрерывнолитой заготовки в процессе ее формирования и деформации могут быть выполнены с помощью методов расчета аккумулированных напряжений.

Таким образом, формирующаяся в кристаллизаторе оболочка подвергается при движении разнообразным деформациям. Независимо от причины деформации в оболочке возникают внутренние напряжения, которые при достижении критического значения вызывают образование трещин по фронту затвердевания. Трещины заполняются находящимся перед фронтом затвердевания расплавом и таким образом самозалечиваются. Напряжения, которые приводят к образованию трещин, могут возникнуть в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения. Критические деформации в кристаллизаторе приводят к образованию продольных трещин, а под кристаллизатором – к поперечным трещинам. Зачастую эти напряжения накладываются друг на друга, поэтому в производственных условиях в большинстве случаев невозможно определить истинные причины образования трещины.

  Раздел 6.3
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ