Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  2.1 Общие закономерности повышения качества слитков и заготовок

Исходные физико-механические свойства слитков и отливок слагаются из целого ряда факторов, включающих качество используемых шихтовых материалов, способы металлургических переделов и технологический уровень доводки металла, условия разливки и затвердевания и т.д. Особое значение качество литой заготовки имеет в условиях производства машин и агрегатов ответственного назначения. Между тем, широкий спектр производимых деталей при крайне разнообразных требованиях к их качеству предопределяет поиск универсальных технологических приемов, использование которых обеспечивает достижение положительного результата для существующих промышленных предприятий.

Технологический процесс получения слитков и заготовок обычно осуществляется в рамках одного цеха (сталеплавильного или литейного) и включает в себя подготовку и дозирование шихтовых материалов, выплавку металла в плавильном металлургическом агрегате, доводку стали в ковше или ходе технологических переливов и разливку стали в изложницы или литейные форды. Выбор той или иной технологической схемы производства зависит от огромной совокупности факторов, включающих исторические условия развития региона, его состояние с точки зрения наличия дешевых энергоносителей, производственную программу предприятия, уровень требований к конкурентоспособности металлопродукции и т.п. Вместе с тем, большой интерес представляют универсальные технологические приемы, позволяющие обеспечивать гарантируемое качество металлургической продукции.

Не анализируя экономические и технологические аспекты выплавки стали в различных агрегатах, можно отметить, что зависимость между способом выплавки и качеством стали сравнительно легко прослеживается по уровню чистоты стали, то есть по содержанию химических элементов, отрицательно влияющих на служебные и технологические характеристики металла. В практике металлургического производства для повышения чистоты стали обычно предусматриваются специальные технологические мероприятия, сущность которых заключается в специальной обработке стали в ковше, в ходе технологических переливов, а также в процессе затвердевания. Известны различные методы обработки, которые в комбинации со спектром задач, стоящих перед доводкой стали, обеспечивают многочисленные технологические процессы, большая часть которых гарантируют рафинирование, модифицирование, делегирование стали и т.п. Технологические возможности большинства методов внепечной обработки стали достаточно широко изучены, что позволяет в каждом конкретном случае оптимизировать схему производства [3-14]. Вместе с тем, не следует ожидать, что внепечная обработка металла всегда может обеспечить необходимый положительный эффект. Это, в первую очередь, относится к такому технологическому процессу, в котором требуется незначительная доводка стали, так как при этом затраты, связанные с обработкой, не могут быть экономически оправданы.

Обобщая известные литературные данные по эффективности различных методов внепечной обработки, необходимо отметить, что для всех них характерно использование определенных технологических приемов, вклю¬чающих принудительное перемешивание металла, введение реагентов и легирующих в ходе обработки, вакуумирование (при необходимости снижения содержания водорода, азота и кислорода), подогрев металла в ковше и пр. [15-30]. Совмещение вышеперечисленных технологических приемов в рамках одного агрегата способствовало созданию и распространению универсальных комплексных установок типа "ковш-печь". Однако практика последних десятилетий показывает, что, в зависимости от круга решаемых задач, могут быть созданы различные агрегаты и установки, обеспечивающие высокую эффективность применительно к конкретным условиям и учитывающие внутреннюю специфику предприятия. Вместе с тем, нельзя не отметить, что использование высокоэффективных агрегатов для внепечной обработки металла требует, как правило, существенных дополнительных затрат, входящих в себестоимость продукции. В целом же, на основании выполненного анализа, можно принять, что рациональный выбор агрегата для выплавки металла в совокупности с технологией его внепечной обработки ковше позволяет в большинстве случаев обеспечить высокое качество металла в ковше перед его разливкой. Следовательно, в дальнейшем качество слитков и заготовок во многом зависит от обеспечения соответствующего технологического уровня разливки металла и теплофизических условий его затвердевания в форме.

В большинстве случаев процесс разливки металла является достаточно ответственным технологическим этапом и имеет свои специфические особенности применительно к конкретным объектам. Основными задачами, решаемыми в процессе разливки металла, можно считать обеспечение необходимой скорости и температуры заливки в совокупности с эффективными приемами защиты струи металла от вторичного окисления [31, 32]. Практика последних десятилетий показала, что эффективная защита струи металла от вторичного окисления достигается либо при использовании разливки в специальных вакуумных камерах, либо с применением специальных огнеупорных изделий и защиты аргоном [31-35]. Так, при производстве крупных слитков большое распространение получил метод разливки в специальной вакуумной камере. По свидетельству различных исследователей при разливке стальных слитков в вакууме могут быть созданы вполне благоприятные условия для обеспечения защиты струи и удаления газов из металла [35].

Основные виды кристаллической структуры и дефектов макроструктуры слитковСледовательно, в условиях обеспечения рациональных технологических условий выплавки, доводки и разливки стали, существенным резервом повышения качества металлопродукции может быть создание благоприятных условий затвердевания слитков, непрерывнолитых заготовок или отливок. Это следует объяснять тем, что в ходе затвердевания происходят сложные тепло- и массообменные процессы, вследствие которых химическая и физическая однородность металла в затвердевшем слитке или заготовке может существенно уменьшаться. Это, в конечном счете, приводит к значительному локальному (по объему заготовки) снижению качества металла в сравнении с его показателями в ковше перед разливкой. Наиболее распространенные виды дефектов макроструктуры, имеющие практические последствия, представлены на рис. 2.1. С достаточной степенью условности их можно разделить на дефекты усадочного характера (усадочная раковина, усадочная пористость и рыхлость) и дефекты макроликвации (полосчатость структуры, «А» и «V» - образная ликвация, положительная ликвация, развитая в осевой зоне слитка и, особенно, под прибылью, конус отрицательной ликвации). Формирование рассмотренных видов дефектов в значительной степени зависит от условий затвердевания. Например, проявление «А» - образной ликвации отмечается в слитках, масса которых превышает 3 тонны. Для непрерывнолитых заготовок наиболее распространенными дефектами следует считать полосчатость, осевую положительную ликвацию и осевую пористость.

Рис.2.1. Основные виды кристаллической структуры и дефектов макроструктуры слитков: 1 – зона мелких равноосных кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона крупных равноосных кристаллов; 4 – зона осевой рыхлости; 5 – зона осевой ликвации и мелкокристаллическая зона; 6 – зона усадочной раковины и подусадочной ликвации

В соответствии с современными представлениями об источниках и динамике развития дефектов макроструктуры можно предположить, что в основе происхождения большинства видов макродефектов лежит массоперенос в объеме затвердевающего слитка или отливки [2, 36 – 41]. При этом массоперенос вызывает ликвацию, термическую усадку и термогравитационную конвекцию. В ходе затвердевания слитка или заготовки можно выделить процесс диффузии отдельных компонентов, процесс конвекции жидкости и процесс осаждения (перемещения) в расплаве затвердевших частиц. Известно, что максимальное расстояние, на которое может диффундировать растворенное вещество, описывается приближенным уравнением X = (D*)0.5 (D - коэффициент диффузии, - время), что, в конечном счете, и обозначает область влияния диффузионных процессов.

Схема движения конвективных потоков в слитке спо¬койной стали в период роста зоны столбчатых кристалловСхематически перемещение расплава в жидкой ванне слитка обычно представляют следующим образом (рис.2.2.) [42-44]. Более холодный (а, следовательно, и более плотный) металл у фронта затвердевания опускается вниз, а более горячий по центру слитка поднимается вверх. Практические данные, полученные различными авторами в ходе экспериментальных исследований методами радиоактивных изотопов, позволяют достаточно полно представить общую картину перемещений расплава. В целом все экспериментальные данные [42, 43] свидетельствуют о том, что усадка металла при переходе его из жидкого в твердое состояние является одной из главных причин перемещений расплава вдоль фронта кристаллизации. При этом для начала кристаллизации металла в форме можно считать экспериментально доказанным наличие смешанного питания расплава из прибыли (пристеночного и объемного) жидкой сердцевины затвердевающего слитка или отливки. Момент окончания пристеночного питания при х/R = 0,25-0,30 соответствует прекращению роста столбчатой зоны и началу образования центральной зоны равноосных кристаллов. Весьма характерным также является тот факт, что скорость потоков в начале затвердевания слитков массой 0,2-40 т не зависит от их массы. Вместе с тем интенсивность потоков с течением времени заметно снижается (для слитков массой 8-40 т снижение примерно в 10 раз происходит через 1-2 часа) [44-46].

Рис. 2.2. Схема движения конвективных потоков в слитке спо¬койной стали в период роста зоны столбчатых кристаллов.

В зависимости от структуры, формирующейся в ходе затвердевания, характер конвективных потоков может быть различным. В конечном счете, конвекция в объеме расплава вызывает взаимодействие потоков и образование зон, обогащенных примесями. При формировании столбчатой дендритной структуры происходит вытеснение растворенных веществ их вершинами к оси слитка, что обуславливает формирование положительной ликвации. Обогащение растворенным веществом встречается только позади вершин дендритов. Если конвекция достаточно глубоко проникает в двухфазную область, то могут исчезнуть колебания состава растворенного вещества позади вершин дендритов, а сегрегация происходит по пути следования конвективного потока. Такое устранение растворенного вещества из зоны позади вершин дендритов может приводить к полосчатости, что иногда наблюдается в периферийных слоях слитков и заготовок.

Помимо рассмотренной термической конвекции в зоне жидкотвердой фазы наблюдается медленное сползание части жидкости по образовавшемуся каркасу, вызванное преимущественно усадкой при переходе из жидкой фазы в твердую и разницей плотности жидкости внутри жидкотвердой зоны. Достоверные количественные данные для реальных стальных сплавов об изменении плотности жидкости в междендритном пространстве отсутствуют. Расчеты, основанные на экспериментальных данных, показывают, что плотность расплава для одних сплавов увеличивается, а для других (например, для хромомо-либденованадиевых) уменьшается [47-49]. Несмотря на малую скорость, междендритное течение представляется весьма важным с точки зрения формирования ликвации. Так, если основной поток совершает движение из области более горячего расплава в более холодную, образуется отрицательная ликвация. При движении потока из зоны более холодного расплава в более горячую образуется положительная ликвация, интенсивность которой зависит от скорости потока. Если поток жидкости достигает такой скорости, что он стекает в междендритное пространство, то при движении этой жидкости по сформировавшимся каналам происходит формирование шнуров внецентренной ликвации ("А"- образной ликвации).

Для получения слитков без «А» - образной ликвации рекомендуется выбирать химический состав стали, руководствуясь следующим соотношением [50]: I = - 1,022 Si – 0,049 Mn + 0,208 Mo, где I - интегральный параметр, значение которого должно стремиться к 0 для обеспечения производства слитков с минимальной ликвацией; Si, Mn, Mo - содержание соответствующего элемента в массовых процентах.

Рекомендуемое соотношение было экспериментально проверено на слитках массой от 13 до 400 т при вакуум-углеродном раскислении или раскислении кремнием. Наибольший уровень ликвации углерода (отношение разности между максимальным значением углерода в пробе и содержанием углерода в ковшевой пробе к содержанию углерода в ковшевой пробе) отмечен в слитках массой 210 и 430 т (соответственно 41% и 38%). Несмотря на сравнительно большой уровень ликвации углерода во всех опытных слитках "А"- образная ликвация отсутствовала. В целом, приведенные практические данные подтверждают гипотезу о зависимости степени развития внецентренной ликвации от процессов движения жидкости в междендритном пространстве и характера их взаимодействия с термогравитационными конвективными потоками. Видимо, внецентренная ликвация формируется в том случае, когда скорость потока в междендритном пространстве превышает скорость движения изотерм.

Достаточно эффективным средством, позволяющим существенно влиять на характер движения конвективных потоков, может быть изменение геометрических размеров слитков (рис.2.3). Анализируя современный опыт оптимизации геометрии слитков, следует, в первую очередь, выделить тенденцию уменьшения отношения высоты слитка к диаметру в крупных кузнечных слитках. При этом, по свидетельствам многочисленных исследователей, наблюдается изменение расположения основных ликвационных зон (например, зоны «А» - образной ликвации) [51-52]. Примером конструктивного подхода к рациональному выбору геометрических соотношений слитков в зависимости от их назначения может служить производство крупногабаритных листов и плит. Появившиеся в зарубежной и отечественной литературе данные [53-56] свидетельствуют о целесообразности использования в качестве исходных заготовок для таких листов и плит горизонтальных слитков массой 70 - 80 т. Как видно из рис. 2.3. г, в горизонтальном слитке существенно изменяется расположение ликвационных зон, что, видимо, также следует связы-вать со спецификой движения конвективных потоков в ходе затвердевания. Вместе с тем, нельзя не отметить, что изменение геометрии слитков на практике представляется весьма сложной организационной проблемой, которая включает в себя дополнительные затраты на создание нового парка изложниц и трудоемкие разработки по корректировке последующей пластической деформации слитков измененной геометрии (последнее должно быть жестко увязано с существующим кузнечно-прессовым или прокатным оборудованием, а также требованиями потребителей).

Схематическое расположение основных видов дефектов в слитках различной геометрии

Рис. 2.3. Схематическое расположение основных видов дефектов в слитках различной геометрии: 1-усадочная раковина; 2-полосчатость; 3-подусадочная ликвация; 4-внецентренная ликвация; 5-осевая ликвация; 6-конус осаждения.

Таким образом, в промышленном производстве слитков и заготовок их качество определяется большой совокупностью технологических факторов, включающих условия выплавки, внепечной обработки и разливки металла, а также условия затвердевания металла в форме. Каждый из перечисленных факторов имеет самостоятельное значение с точки зрения получения металлопродукции высокого качества. Однако, процесс затвердевания слитков и заготовок, в ходе которого происходят различного рода усадочные и ликвационные явления в совокупности с весьма сложным массо- и теплопереносом в жидкой и твердой фазе представляется крайне важным технологическим этапом, позволяющим обеспечивать достижение максимального положительного результата посредством наложения дополнительных физических воздействий, которые изменяют характер развития конвективных потоков в жидкой ванне. Обобщение наиболее вероятных движущих источников возникновения макродефектов в слитках и заготовках и возможные пути их предотвращения с точки зрения наложения принудительного физического влияния на процессы массопереноса в затвердевающем объеме приведены в табл. 2.1

Таблица 2.1. Дефекты макроструктуры, возникающие в слитках и за готовках, их основные источники и методы устранения

Тип дефекта Движущий источник возникновения дефекта Метод подавления или
предотвращения дефекта

Усадочная раковина

Массоперенос расплава из прибыли в тело слитка для компенсации усадки

Выбор рационального режима охлаждения прибыли в зависимости от геометрии слитка

Полосчатость

Конвективные потоки, проникающие в двухфазную область

Подавление потоков термической конвекции. Ограничение скорости охлаждения слитка или заготовки

Подусадочная ликвация

Затруднение подпитки расплавом на завершающей стадии затвердевания

Улучшение условий питания, повышение доли твердой фазы в расплаве

Внецентренная ликвация

Отекание потоков обогащенной жидкости в междендритное пространство и ее движение по сформировавшимся каналам

Подавление междендритных потоков обогащенного расплава

Осевая ликвация

Отекание обогащенных потоков по щелевым полостям, формирующимся в твердом каркасе и компенсирующих усадку

Управление соотношением жидкой и твердой фазы в зоне формирования равноосной структуры

Конус осаждения

Движение междендритных потоков из зоны горячего расплава в холодную. Осаждение частиц твердой фазы в донную часть слитка

Подавление потоков междендритной жидкости. Управление процессом зарождения и перемещения частиц твердой фазы

С учетом выполненного анализа одним из наиболее эффективных путей воздействия на качество слитков и отливок, видимо, следует считать использование дополнительных внешних воздействий непосредственно в ходе затвердевания. При этом положительный эффект может быть достигнут при рациональной организации движения жидкой и твердой фазы, а также регламентации локальной концентрации частиц твердой фазы в определенных зонах в конкретные периоды времени.

  2.1 Общие закономерности повышения качества слитков и заготовок
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ