Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 7.1

Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке стали

В процессе разливки стали на МНЛЗ на формирующуюся заготовку оказываются различного рода воздействия, которые включают конвективное движение потоков металла и вдуваемого газа в кристаллизаторе, вибрационные и электромагнитные воздействия, упруго-пластические деформации и пр.

По совокупности получаемых эффектов и специфике используемых технологических приемов можно условно выделить следующие наиболее характерные зоны непрерывнолитой заготовки для наложения внешнего воздействия:

  • кристаллизатор или зона, расположенная непосредственно под ним;
  • зона вторичного охлаждения, удаленная от нижнего торца кристаллизатора на расстоянии нескольких метров (т. е. зона формирования столбчатых кристаллов);
  • зона объемной кристаллизации (зумпфовая зона).

Для подавления и предотвращения дефектов кристаллизационного, усадочного и ликвационного характера все большее распространение получают специальные технические приемы, которые позволяют управлять качеством металла за счет регламентированного принудительного перемешивания жидкой фазы непрерывнолитой заготовки посредством наложения различного рода электромагнитных полей [490-494].

Несмотря на технические трудности, существенные положительные результаты по применению электромагнитных воздействий в части торможения потоков стали и стабилизации уровня расплава в кристаллизаторах были достигнуты еще в 80-е годы прошлого века. Такой научно-технологический прорыв стал возможен благодаря развитию представлений о механизме кристаллизации непрерывнолитых заготовок в условиях воздействия на фронт кристаллизации принудительных потоков [495], а также благодаря разработке нового поколения электротехнического оборудования на соответствующей элементной базе, новых составов огнеупорных материалов, имеющих высокую термическую, химическую и механическую стойкость.

В результате рост требований к качеству продукции и развитие эффективных методов и средств электромагнитной обработки расплавов привели к тому, что в международные стандарты были внесены положения об обязательном использовании электромагнитных воздействий (в частности, перемешивания на МНЛЗ) при производстве определенных марок высококачественных сталей.

На сегодня в мировой практике непрерывной разливки стали применение электромагнитных воздействий является хорошо изученным [494, 496]. Разработками в данном направлении и их промышленной реализацией занимаются многие научные центры: АВВ, Arcelor-Mittal, NipponSteel, KawasakiSteel, JFE Steel, POSCO, GeneralElectric, NucorSteel, Inductotherm, AjaxMagnethermic, Danieli, Siemens–VoestAlpine и др.

Как показывают промышленные исследования, электромагнитное перемешивание металла может осуществляться на различных этапах технологической цепочки получения качественных непрерывнолитых заготовок (рисунок 7.1).

В промковше производится накопление жидкой стали перед кристаллизатором МНЛЗ, ее кратковременная выдержка, что способствует гомогенизации расплава по температуре, растворению или коагуляции и всплытию неметаллических включений. Кроме того, в последнее время наметилась тенденция переноса в промковш части операций внепечной обработки – в первую очередь, связанных с рафинированием металла и удалением неметаллических включений.

Применение электромагнитных воздействий на различных стадиях процесса получения непрерывнолитой сортовой заготовки

Рисунок 7.1 – Применение электромагнитных воздействий на различных стадиях процесса получения непрерывнолитой сортовой заготовки

В общем случае, задачи, которые необходимо решить в промковше, заключаются в создании условий для всплытия неметаллических включений и гомогенизации стали во всем объеме жидкой ванны. Кроме того, в отдельных случаях в промковше осуществляется подогрев жидкого металла. Для их эффективной реализации на практике могут быть использованы различного рода электромагнитные воздействия.

Так, японская компания «Kawasaki Steel» разработала и изготовила установку, а также выполнила опытно-промышленную проверку индукционного промежуточного ковша при разливке нержавеющих сталей [497].

Конструктивно он представляет собой обычный промковш, к которому присоединена индукционная единица – индуктор (замкнутый магнитопровод с обмоткой) и охватывающий его огнеупорный канал, полость которого заполнена расплавом. Такое техническое решение обеспечило подогрев стали непосредственно перед выдачей в кристаллизатор МНЛЗ, а также позволило интенсифицировать тепломассоперенос в объеме жидкометаллической ванны. В результате была стабилизирована температура выдачи расплава в кристаллизатор МНЛЗ и уменьшен брак заготовки, связанный с тепловым режимом разливки. При этом отмечено высокое качество поверхности заготовки, в том числе уменьшилось в 1,5-2 раза количество трещин и в 2-3 раза газовых и неметаллических включений, расположенных в приповерхностных слоях [497]. Однако широкого применения в промышленности такой промковш не нашел в силу существенных конструктивных и эксплуатационных сложностей, а также значительного повышения уровня удельных затрат на тонну стали.

На практике предпринимались попытки создания электромагнитного стопора в виде сложной системы из нескольких высокочастотных обмоток [498]. Эффект воздействия при этом состоит в выделении значительной энергии в тонком поверхностном слое расплава, в результате чего компенсируются силы тяжести и гидростатики, а металл не растекается. Это явление, называемое «электромагнитной левитацией», используется в технологиях плавки во взвешенном состоянии и в холодном тигле при получении малых порций высокочистых металлов и специальных сплавов. Однако ввиду недостаточных магнитных свойств жидкой стали, такой стопор не получил распространения в промышленности.

Известны разработки по использованию электромагнитных полей для рафинирования стали в промковше. Так, предложен двухкамерный промковш с индукционным каналом [499], в котором при индуктировании сильных токов возникает периодически повторяющийся управляемый пинч-эффект – сжатие жидкометаллического проводника собственным магнитным полем, что сопровождается локальным разрежением, тепловым и силовым воздействием на расплав, и способствует удалению из него газовых и неметаллических включений.

Компания «JFE Steel» разработала двухкамерный промежуточный ковш, в котором используется вращающееся магнитное поле (рисунок 7.2) [500]. В промковше выделена отдельная зона приема расплава из сталеразливочного ковша. В ней создается вращательное движение жидкой стали, благодаря чему увеличивается время пребывания расплава в промковше и соответственно время для удаления неметаллических включений за счет их всплытия. Очищенный таким образом расплав подается в разливочную камеру через канал, выполненный в придонной области промковша.

После выдачи стали из промковша в кристаллизатор МНЛЗ наступает самый важный этап – формирование непрерывнолитой заготовки, которое начинает происходить непосредственно в кристаллизаторе и далее по длине МНЛЗ – в зоне вторичного охлаждения и финального затвердевания заготовки. На сегодня разработан целый ряд электромагнитных устройств, применяемых в различных зонах МНЛЗ для влияния на затвердевающую заготовку. Мировыми лидерами в этом направлении являются компании АВВ и JFE Steel [500].

Механизм электромагнитного перемешивания (ЭМП) на жидкотвердую фазу непрерывнолитой заготовки является результатом сложного взаимодействия электродинамических, магнитогидродинамических и металлургических факторов. Создаваемое системой ЭМП магнитное поле, проникая сквозь затвердевшую оболочку слитка, инициирует в жидкой стали вихревые токи, под действием которых металл начинает вращаться. ЭМП улучшает качество подповерхностной и осевой зоны непрерывнолитых заготовок, так как оно воздействует на формирование кристаллической структуры, перемещение неметаллических включений, химическую ликвацию и распределение газов.

Двухкамерный промежуточный ковш компании JFE Steel с электромагнитным перемешивателем вращающегося магнитного поля

Рисунок 7.2 – Двухкамерный промежуточный ковш компании «JFE Steel» с электромагнитным перемешивателем вращающегося магнитного поля

Схематическое представление статоров с вращающимся и линейным полями показано на рисунке 7.3.

Оптимизация параметров электромагнитного перемешивания для определенных конкретных условий представляется сложной многофункциональной задачей, требующей проведения глубоких качественных исследований. Между тем общие закономерности воздействия электромагнитного перемешивания на формирование непрерывно литой заготовки представляется возможным проследить на основании современных представлений об условиях затвердевания при принудительном перемешивании жидкой фазы и обобщении многочисленных практических данных, представленных в литературе [149, 491-493].

Схемы наложения ЭМП с вращающимся и линейным полем для сортовой заготовки

Рисунок 7.3 – Схемы наложения ЭМП с вращающимся (а) и линейным полем (б) для сортовой заготовки

Для достижения максимального положительного эффекта при наложении электромагнитного воздействия необходимо ответить на определенную совокупность вопросов: какие энергетические показатели принудительного перемешивания наиболее рациональны (или допустимы); предпочтительное движение принудительных конвективных потоков расплава (линейное или циркуляционное); какая предельная скорость движения потоков и на каких стадиях затвердевания допустима; место приложения (расположения) источника воздействия; какой объем расплава будет участвовать в перемешивании и каким образом это повлияет на всю систему; в какой степени требуется реконструкция существующего технологического оборудования при реализации предлагаемой схемы воздействия и пр.

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.

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.

С точки зрения глубины проникновения электромагнитного поля, влияние индукторов перемешивающих устройств на кристаллизующийся слиток можно разделить на две группы: для обработки поверхностных и подповерхностных слоев непрерывнолитой заготовки и для уплотнения внутренних объемов. В первом случае применяют вертикальное перемешивание металла в кристаллизаторе, а во втором проводят вращательное перемешивание расплава в горизонтальной плоскости.

Для ЭМП сортовых заготовок под кристаллизатором обычно используются токи промышленной частоты; во всех других случаях необходимо применять токи низкой (от 1 до 20 Гц) частоты, что позволяет снизить потери, связанные с наличием между индуктором и жидкой сталью медных стенок кристаллизатора или толстой оболочки слитка. Другими важными электрическими параметрами являются число фаз (2 или 3), количество полюсов на одну фазу (1 или более), шаг полюсов (для линейных статоров), сила тока (3000 А), напряжение (4000 В), установленная мощность (от 10 до 3000 кВА) и т.д.

Скорости потоков металла (в системах с вращающимся магнитным полем), попадающего в зону перемешивания, определяются в основном вязкостными силами, а за зоной ЭМП – инерционными. Вращательное движение, происходящее в кристаллизаторе (при применении ЭМП с вращающимся полем) распространяется по длине заготовки от 1,5 до нескольких метров.

Основной эффект ЭМП в кристаллизаторе (рисунок 5.34) следует связывать с изменением гидродинамической обстановки в жидкой ванне кристаллизатора под влиянием принудительных конвективных потоков. Известно, что картина перемешивания металла в кристаллизаторе во многом определяется интенсивностью и характером подвода падающей струи, которая вытекает из промковша. При этом попадание струи в кристаллизатор сопровождается перемешиванием (бурлением) металла у поверхности и в самом кристаллизаторе (рисунок 7.4), что ухудшает работу смазки, способствует захвату в металл пузырьков газа и шлаковых включений, затрудняет работу устройства для автоматического контроля уровня металла и пр. На наш взгляд, наиболее сильное влияние эффекта внедрения струи на жидкую ванну кристаллизатора наблюдается при разливке сортовых заготовок на высокоскоростных МНЛЗ.

Кроме того, большое влияние на стабильность процесса непрерывной разливки оказывает несимметричное истечение струи металла, обычно связанное с состоянием стакана-дозатора или погружного стакана. Отклонение направления движения струи от оси симметрии вызывает соответствующие искажения в движении конвективных потоков в жидкой ванне кристаллизатора, которые приводят к изменению в подводе тепла к границе твердой фазы. Это, в конечном счете, может препятствовать быстрому росту твердой корочки в местах локального перегрева расплава и накладывать дополнительные ограничения на скорость разливки.

В определенной степени вышеперечисленные явления удается подавить или предотвратить наложением электромагнитных полей, которые обеспечивают формирование восходящих потоков вдоль фронта затвердевания или вращение стали в горизонтальной плоскости.

Бурление металла в кристаллизаторе, вызываемое падающей струей

Рисунок 7.4 – Бурление металла в кристаллизаторе, вызываемое падающей струей

Вращающееся магнитное поле в кристаллизаторе при отливке сортовых заготовок открытой струей создает глубокий мениск металла, на дне которого сосредотачиваются неметаллические включения, вращающиеся с меньшей скоростью, чем жидкая сталь. В результате этого эффекта концентрация неметаллических включений в твердой оболочке слитка существенно снижается.

В практике производства высококачественной сортовой заготовки определенный интерес представляют электромагнитные перемешиватели жидкой стали в кристаллизаторе МНЛЗ и на финальной стадии затвердевания заготовки, реализующие концепцию полного электромагнитного перемешивания [501-503]. Такие устройства обеспечивают измельчение структуры и подавление ликвации, а перемешиватель для кристаллизатора (рисунок 7.5) [501] создает акустическую волну, воздействующую на фронт кристаллизации вдоль всей глубины жидкометаллической лунки. По предварительным оценкам, наибольшая эффективность этой системы может быть достигнута при ее использовании совместно с магнитодинамическим промковшом.

Электромагнитный перемешиватель, создающий акустическую волну по глубине лунки

Рисунок 7.5 – Электромагнитный перемешиватель, создающий акустическую волну по глубине лунки

Оригинальным конструктивным решением является двухобмоточный индукционный перемешиватель, устанавливаемый на кристаллизатор сортовой МНЛЗ [504]. Благодаря перераспределению создаваемых в расплаве электромагнитных усилий, такой перемешиватель позволяет организовать движение в различных плоскостях и сечениях кристаллизующейся непрерывнолитой заготовки, что предупреждает образование застойных зон и обеспечивает подавление пульсаций на мениске слитка, а также способствует улучшению структуры слитка.

Использование электромагнитного перемешивателя SEMS (Strand Electromagnetic Stirrer), который создает бегущее или вращающееся магнитное поле в ЗВО, обеспечивает улучшение 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 ЭМП в зоне формирования столбчатых кристаллов может препятствовать формированию различного рода перемычек между противоположными фронтами затвердевания, что, в конечном счете, обеспечивает значительное подавление дефектов усадочного (пористость) и ликвационного характера. Поскольку в зоне вторичного охлаждения толщина затвердевшей по периметру (в поперечном сечении) части слитка значительна и имеют место большие немагнитные зазоры, SEMS обычно запитывается током низкой частоты.

При электромагнитном перемешивании (особенно в турбулентном режиме) условия формирования дендритов могут существенно изменяться. Это, в первую очередь, относится 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.

При этом существует высокая вероятность того, что под воздействием динамических нагрузок часть вершин дендритов будет механически обламываться (рисунок 7.6) и осколки твердой фазы попадут в жидкую ванну, где будут постепенно оседать в зумпфовую зону [505]. Наличие частиц твердой фазы перед фронтом затвердевания в зоне роста столбчатых кристаллов, в свою очередь, при определенных условиях способствует ускорению перехода от зоны столбчатых к зоне равноосных кристаллов [506].

Схематическое представление механизма воздействия ЭМП в зоне столбчатых кристаллов

Рисунок 7.6 – Схематическое представление механизма воздействия ЭМП в зоне столбчатых кристаллов

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 «белой» полосы (по серному отпечатку) ликвации, которая при увеличении интенсивности воздействия проявляется все более ярко.

С другой стороны, эффект ЭМП 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 первоначальных закономерностей роста зоны столбчатых кристаллов, что снижает однородность кристаллической структуры и повышает вероятность появления трещин при прокатке.

Структура слитка, полученного при использовании ЭМП, может иметь более развитую зону равноосных кристаллов при уменьшении макроликвации. Использование ЭМП в зумпфовой зоне (то есть в зоне объемной кристаллизации) направлено на улучшение качества непрерывнолитой заготовки путем подавления дефектов осевой зоны ликвационного и усадочного характера (рисунок 7.7). Наличие равноосной структуры затвердевающей заготовки и усадочные явления, имеющие место на заключительном этапе кристаллизации, создают сильный всасывающий эффект в направлении разливки. При увеличении проницаемости и пористости двухфазной зоны, с внешних сторон к центру непрерывнолитой заготовки начинает поступать междендритная жидкость. Она течет в направлении разливки к осевой линии, вдоль каналов V образной формы. Затвердевание отдельных остаточных примесей в этих каналах, является результатом формирования V-образной и центральной точечной ликвации [497, 507].

Схема характера развития усадочных и ликвационных дефектов в осевой зоне сортовой заготовки

Рисунок 7.7 – Схема характера развития усадочных и ликвационных дефектов в осевой зоне сортовой заготовки: а – высокая температура разливки, низкое содержание углерода; б и в – высокая температура разливки, высокое содержание углерода для заготовки меньшего и большего сечения

На конечной стадии затвердевания заготовки используют электромагнитный перемешиватель FEMS (Final Electromagnetic Stirrer), который также является низкочастотным. Он обеспечивает воздействие на фронт кристаллизации заготовки, препятствует росту столбчатых кристаллов в центральной части слитка и подавляет процессы ликвации. Однако единого мнения по поводу эффективности FEMS и целесообразности его применения до сих пор в среде разработчиков и потребителей нет, что объясняется трудностью определения места его установки на МНЛЗ и выбора рациональных режимов работы. Выбирая режимы электромагнитного перемешивания для обработки зумпфовой зоны, следует в максимальной степени учитывать условия формирования твердой фазы заготовки. 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 жидко-твердой 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.

Анализируя известные экспериментальные результаты по применению электромагнитного перемешивания в зумпфовой зоне, следует отметить, что на практике в большинстве случаев рекомендуется обработка, обеспечивающая формирование циркуляционных потоков в плоскости, перпендикулярной оси заготовки [493, 508, 509]. Рациональный выбор места и интенсивности приложения электромагнитного воздействия обеспечивает существенное уменьшение протяженности жидкой лунки и, соответственно, уменьшение количества макродефектов типа усадочная пористость при измельчении зерна кристаллической структуры. При этом, как правило, несколько уменьшаются осевые пористость и ликвация.

Обобщение положительного влияния ЭМП на снижение уровня пораженности непрерывнолитого слитка различного рода дефектами выполнено в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Влияние ЭМП на дефекты непрерывнолитой заготовки

Влияние ЭМП на дефекты непрерывнолитой заготовки

В целом достижение широкого спектра положительных качественных эффектов при использовании электромагнитного перемешивания в каком-либо отдельном месте по технологической длине заготовки оказывается недостаточным. Поэтому на практике достаточно широко используется система с несколькими электромагнитными индукторами (мультиэлектромагнитное перемешивание), расположенными вдоль технологической оси заготовки (рисунок 7.8).

Преимуществами мультиэлектромагнитного 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.

Комплексная система ЭМП жидкой фазы заготовки при разливке на МНЛЗ

Рисунок 7.8 – Комплексная система ЭМП жидкой фазы заготовки при разливке на МНЛЗ

Основным же недостатком такой системы электромагнитного воздействия является резкое возрастание удельных расходов на обработку, что особенно проявляется в условиях многоручьевых МНЛЗ.

В целом наложение на жидкую фазу непрерывнолитой заготовки электромагнитного перемешивания сопровождается развитием определенной совокупности физических эффектов, которые при соответствующих условиях могут влиять на качество металлопродукции в части улучшения поверхности заготовки, повышения чистоты металла по неметаллическим включениям, измельчения кристаллической структуры, подавления дефектов усадочного и ликвационного характера.

Применение электромагнитного перемешивания позволяет корректировать некоторые негативные эффекты, которые обычно связываются с перегревом стали в промковше и колебаниями скорости разливки металла, что повышает стабильность работы МНЛЗ и расширяет возможности автоматизации процесса разливки. Вместе с тем, учитывая высокие затраты на оборудование для электромагнитного перемешивания, представляется целесообразным его использование в первую очередь для средне- и высокоуглеродистых (в том числе легированных) сталей, к качеству заготовки из которых предъявляются наиболее высокие требования. Не менее перспективным представляется использование электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе МНЛЗ при разливке сортовых заготовок с повышенными скоростями.

  Раздел 7.1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ