Создание комплексной технологии улучшения внутреннего строения непрерывнолитого сляба из низколегированных сталей

30

Размещено на http://www.allbest.ru/

30

На правах рукописи

Специальность 05.16.02 металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УЛУЧШЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СТРОЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТОГО СЛЯБА ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

ИСАЕВ О.Б.

Москва - 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина»

Научный консультант: доктор технических наук Матросов Юрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Паршин Валерий Михайлович

доктор технических наук, профессор Дождиков Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Смирнов Николай Александрович

Ведущая организация: ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»

Защита состоится 27 мая 2010 г. в 15 час на заседании диссертационного совета Д217.035.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ВАК, с диссертацией - в библиотеке ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина».

Автореферат разослан 26 апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д217.035.02, кандидат технических наук Т.П. Москвина

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Развитие технического прогресса в металлургии происходит в условиях конкурентной борьбы на мировом рынке, основными требованиями которого является коренное повышение потребительских свойств конечной продукции при одновременном снижении ее себестоимости. В настоящее время во всем мире особое внимание уделяется совершенствованию процесса непрерывной разливки. Так как в технологической цепочке металлургического производства машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) находятся между сталеплавильным агрегатом и прокатным станом, эффективность их работы во многом определяет качество и себестоимость конечной продукции. Получение качественной по внутреннему строению непрерывнолитой заготовки зависит от следующих факторов: технологии рафинирования металла от момента его выпуска из сталеплавильного агрегата до подачи в кристаллизатор; гидродинамики металла в промежуточном ковше (ПК) и в жидкой лунке кристаллизатора; технологических параметров разливки, определяющих условия затвердевания и кристаллизации стали; химического состава стали.

В многочисленных исследовательских работах в области непрерывной разливки стали этим вопросам постоянно уделяется большое внимание, однако до последнего времени металлургические процессы, протекающие в ПК и кристаллизаторе, изучены в недостаточной степени. В связи с этим настоящая диссертационная работа посвящена созданию комплексной технологии улучшения внутреннего строения непрерывнолитых слябов низколегированных сталей на основе научных положений гидродинамики и тепломассообмена в большегрузных ПК с внутренней фурнитурой, процессов затвердевания, кристаллизации и формирования ликвационных зон в непрерывнолитых слябах при изменяющихся параметрах разливки и внешних воздействиях на кристаллизующийся металл, оказывающих решающее влияние на внутреннее строение непрерывнолитых слябов. Теоретические изыскания, лабораторные и натурные эксперименты, разработка и внедрение новых технологических приемов, изложенные в представленной работе, направлены на получение непрерывнолитой заготовки нового качественного уровня.

Цель работы и основные задачи. Целью данной работы является создание усовершенствованной технологии непрерывной разливки низколегированных сталей, обеспечивающей получение непрерывнолитого сляба с улучшенным качеством внутреннего строения и минимальным содержанием неметаллических включений (НВ). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать научные основы внешнего воздействия на непрерывнолитой сляб путем ввода в расплав макрохолодильников, позволяющего минимизировать осевую химическую неоднородность по сечению слябов и предотвратить процесс образования внутренних трещин.

2. Путем изучения поведения затопленных струй в объеме промежуточного ковша при стационарных и нестационарных режимах разливки исследовать условия нахождения и распределение неметаллических включений в жидкой стали, на основе чего разработать систему комплексного рафинирования с помощью перегородок с фильтрационными элементами, донных канальных фурм для продувки стали аргоном, «гасителей» турбулентности струи с применением теплоизолирующих и шлакорафинирующих смесей.

3. Определить роль водорода в развитии внутреннего трещинообразования в непрерывнолитых слябах и листовом прокате с целью оптимизации режимов термодифизионного рафинирования по водороду и предотвращения дефектов несплошности водородного происхождения в непрерывнолитом и катаном металле.

4. Исследовать влияние содержания углерода в стали на развитие центральной сегрегации основных и микролегирующих элементов с целью создания технологии производства низколегированных сталей ответственного назначения с особо высокой химической и структурной однородностью по сечению слябов и листов.

5. С применением современных методов металлографического анализа и Оже-спектроскопиии и математической статистики исследовать и проанализировать влияние малых концентраций свинца, олова, цинка, сурьмы и висмута на развитие внутреннего трещинообразования с целью разработки мероприятий по минимизации их воздействия.

Методы исследования.

Работа выполнялась на основе теоретических, лабораторных исследований и натурных испытаний. Методами математического и физического моделирования исследовали гидродинамические процессы, происходящие в ПК и кристаллизаторе МНЛЗ, процессы охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения (ЗВО). Работа выполнена с применением методов ввода радиоактивных изотопов в кристаллизатор МНЛЗ, изучения температурного поля в жидкой лунке кристаллизатора с помощью малоинерционных термопар, скоростей кристаллизации по плотности дендритной структуры, металлографической оценки макро- и микроструктуры, атомно-эмиссионного спектрального анализа, Оже-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа включений, проведения полномасштабного промышленного опробования разработанных технологических решений и конструкций.

Научная новизна:

1. Впервые выявлены закономерности влияния макрохолодильников в виде стальной ленты на процессы затвердевания и кристаллизации непрерывнолитой заготовки такие как:

- параметры плавления макрохолодильника в зависимости от температуры перегрева стали над температурой ликвидуса, химического состава и толщины ленты, скорости ее подачи в расплав;

- условия полного расплавления ленты и условия вмораживания ленты в матричный расплав;

- воздействие макрохолодильников на скорость кристаллизации, динамику изменения соотношения структурных кристаллических зон, развитие осевой ликвации химических элементов, образование внутренних трещин в слябе.

2. Впервые разработана комплексная система рафинирования стали в промежуточном ковше, предусматривающая:

- месторасположение, геометрические параметры перегородок и конфигурацию фильтрационных элементов, позволяющие в максимальной степени рафинировать сталь от НВ размером более 20...30 мкм;

- разработку донных канальных фурм для удаления из металла НВ размером менее 30 мкм;

- разработку «гасителей» турбулентности струи с предотвращением попадания неметаллических включений в непрерывнолитой сляб при нестационарных режимах разливки стали;

3. Определены количественные зависимости структурночувствительных характеристик толстолистового проката от содержания водорода в жидкой стали.

4. Установлены закономерности влияния углерода в сталях трубного сортамента на формирование осевой ликвации основных и примесных химических элементов, обуславливающих развитие центральной химической и структурной неоднородности непрерывнолитых слябов и полученных из них листов.

5. Установлены и научно обоснованы пороговые значения содержания примесей цветных металлов (свинца, олова, цинка, сурьмы и висмута), оказывающих воздействие на развитие внутреннего трещинообразования в непрерывнолитых слябах.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании на основе полученных научных результатов многостадийной технологии улучшения внутреннего строения непрерывнолитых слябов из низколегированных сталей ответственного назначения. На основании проведенных исследований гидродина-мических и тепловых процессов при непрерывной разливке, затвердевания слябовой заготовки получены следующие практические результаты:

1. Разработана и внедрена технология внешних воздействий на непрерывнолитой сляб путем ввода макрохолодильников в кристаллизатор МНЛЗ, позволяющая практически ликвидировать осевую химическую неоднородность стали и минимизировать образование и развитие внутренних трещин.

2. Разработана и внедрена в производство комплексная система рафинирования стали, состоящая из фильтрационных перегородок, донных канальных фурм для продувки стали аргоном, «гасителей» турбулентности струи, с применением теплоизолирующей и шлакорафинирующей смесей, позволяющая в максимальной степени очистить сталь от НВ.

3. Создана технология замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов, обеспечивающая необходимый уровень качества толстолистового проката при различном исходном содержании водорода в расплаве.

4. Разработаны технологические приемы, позволяющие исключить или существенно снизить влияние примесей цветных металлов на формирование дефектов внутреннего строения литого и катаного металла: снижение содержания углерода в стали, замедленное охлаждение слябов, внепечная обработка жидкого металла порошковой проволокой с наполнителями, включающими редкоземельные элементы.

Содержание диссертационной работы представляет собой решение важной научно-технической и народно-хозяйственной проблемы улучшения качества непрерывнолитых слябов ответственного назначения путем совершенствования технологического процесса непрерывной разливки стали и оптимизации химического состава жидкого металла. Разработанные технологические решения универсальны и могут быть применены для слябовых МНЛЗ других металлургических предприятий.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на 15 международных и региональных научно-технических конференциях:

«Технический прогресс в производстве и эксплуатации труб для нефтяной и газовой промышленности» (Волжский, 1999); V Международный конгресс сталеплавильщиков (Рыбница, 1998); VI Международный конгресс сталеплавильщиков (Череповец, 2000); VII Международный конгресс сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2002); «Современные технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали» (Москва, 2005, 2006); «Состояние и основные пути развития непрерывной разливки стали на металлургических предприятиях Украины» (Харьков, 2001); 3-я Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные технологии в металлургии стали» (Донецк, 2007); Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения В.И.Баптизманского (Днепропетровск, 2008); 3rd European Conference on Continuous Casting (Madrid, Spain, 1998); 4th European Continuous Casting Conference (Birmingham, UK, 2002); 8th International Conference “Line Pipe Steels” (Belgium, 2004); 2nd International Сonference “Segregation and Precipitation” (Koshice, Slovakia, 2006).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в двух книгах и 23 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также в 60 публикациях в других журналах и сборниках, 14 патентах.

Личный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы базируются на исследованиях, выполненных под руководством или с непосредственным участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, выработке направлений и методов решения технологических проблем, непосредственном участии в получении экспериментальных данных и обобщении полученных результатов. Освоение и внедрение в производство разработанных технологий осуществлялось при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературных источников из 325 наименований, приложений, содержит 374 страницы машинописного текста, 146 рисунков, 64 таблицы.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, отмечены особенности развития процессов непрерывной разливки стали в мире, сформулированы цель, задачи и методы исследования, научные результаты и практическая ценность работы, приведены данные по апробации и публикации результатов работы.

В первой главе «Методы повышения качества внутреннего строения непрерывнолитых слябов из стали низколегированных марок» проведен аналитический обзор работ по основным направлениям совершенствования технологии непрерывной разливки стали, направленным на улучшение внутреннего строения непрерывнолитой слябовой заготовки. Отмечено, что к качеству непрерывнолитых слябов, из которых прокатывают толстый лист для производства металлопродукции особо ответственного назначения, предъявляются весьма высокие требования по содержанию серы, фосфора, примесей цветных металлов, растворенных газов (кислорода, азота, водорода); количеству, составу и расположению неметаллических включений; степени развития химической и структурной неоднородности; отсутствию внутренних трещин.

Для обеспечения высокой чистоты стали необходимо предусматривать ряд специальных мероприятий, препятствующих развитию процессов насыщения стали НВ: защита металла от вторичного окисления на участках «сталеразливочный ковш - ПК» и «ПК - кристаллизатор»; защита зеркала металла в ПК и кристаллизаторе; рафинирование и модифицирование металла в ПК; совершенствование конструкции погружаемого стакана; совершенствование системы распределения гидродинамических потоков стали в ПК и кристаллизаторе; конструктивное оформление кристаллизатора и ряд других.

Показано, что в отличие от начального периода распространения процессов непрерывной разливки стали когда ПК играл роль распределительного устройства, обеспечивающего определенный запас и постоянство напора металла, поступающего в кристаллизаторы МНЛЗ, в последние годы ПК превратился в металлургический агрегат непрерывного действия, предназначенный для дополнительного внепечного рафинирования стали и повышения ее качества. Для эффективного рафинирования металла в объеме ПК необходимо спроектировать его оптимальную конструкцию и оснастить специальной фурнитурой: перфорированными или фильтрационными перегородками и/или порогами, системой «турбостоп», плазменным нагревом, продувочными устройствами нейтральными газами, гасителями турбулентности, подобрать тип футеровки, химический и гранулометрический состав теплоизолирующих и рафинирующих смесей и т.д.

Проведено сравнение эффективности удаления НВ на МНЛЗ различного типа - криволинейных, криволинейных с вертикальным участком, вертикальных. Применение системы электромагнитного торможения для обеспечения оптимального потока жидкой стали в кристаллизаторе при разливке слябов больших сечений - задача сложная, требующая дальнейшего совершенствования процесса. Электромагнитное перемешивание (ЭМП) является одним из наиболее широко применяемых методов, позволяющих эффективно воздействовать на макроструктуру слитка. ЭМП используют для решения двух задач: улучшение внутреннего строения заготовки - измельчения структуры, снижение степени осевой или центральной ликвации, уменьшение центральной пористости и повышение качества поверхности и подповерхностной зоны непрерывнолитой заготовки - снижение количества поверхностных дефектов и НВ; повышение плотности наружной корочки слитка. Еще одно направление - мягкое обжатие непрерывнолитой заготовки в ручье МНЛЗ. При использовании этого метода необходимо точное определение места приложения усилия обжатия (соотношение между количеством жидкой и твердой фаз в момент обжатия), закона приложения обжатия, способа приложения усилия к поверхности заготовки. Максимальный эффект подавления осевой ликвации достигается при минимальном колебании технологических параметров разливки, что возможно при тщательном контроле всего технологического цикла производства стали и комплексной автоматизации и компьютеризации процессов.

На основании изученного материала и проведенного анализа методов повышения качества внутреннего строения непрерывнолитой заготовки была определена основная задача исследования: разработка и внедрение технологии непрерывной разливки стали, предусматривающей комплексное улучшение качества сляба по всем основным внутренним дефектам литой заготовки - центральной сегрегационной и структурной неоднородности, внутренним трещинам, содержанию НВ.

Во второй главе «Изучение внутреннего строения непрерывнолитой заготовки и разработка методов его улучшения» приведено описание внутренних дефектов непрерывнолитого сляба и главные причины их образования. Подробно изложены методы изучения макроструктуры непрерывнолитого сляба - получение серных отпечатков и травление макротемплетов в растворах различных кислот. Рассмотрены преимущества и недостатки каждого из методов. Выбор метода травления зависит от задач, стоящих перед исследователем. В случае необходимости определения степени развития осевой и/или точечной сегрегации, выявления внутренних трещин целесообразно применять «холодное» травление в 10%-ном водном растворе персульфата аммония. Для более глубокого исследования кристаллической структуры металла, выявления размера кристаллов и степени развития дендритной структуры, расчета скорости кристаллизации по дендритной структуре предпочтительнее использовать «горячее» травление в 50%-ном водном растворе соляной кислоты.

В процессе изучения макроструктуры непрерывнолитых слябов был разработан собственный классификатор, в котором с одной стороны учтена простота и наглядность сравнения с эталоном характерная для шкал фирмы Mannesmann, с другой - ранжир развития дефектности структуры установлен в пределах 0,5 балла, что значительно точнее учитывает степень развития дефекта структуры. Для травления используется 50%-ный водный раствор соляной кислоты или 10%-ный водный раствор персульфата аммония.

Одним из путей совершенствования низколегированных сталей повышенной прочности является снижение содержания в них массовой доли углерода.

В исследовании рассматривали влияние углерода на центральную химическую и структурную неоднородность в непрерывнолитых слябах и листах из низколегированных трубных сталей с содержанием углерода от 0,03 до 0,19%. Объективно оценить влияние содержания углерода (или какого-либо иного фактора) на склонность к сегрегации химических элементов можно с помощью коэффициента сегрегации, определяемого как отношение содержания элемента в осевой зоне сляба к его плавочному содержанию в ковшовой пробе. На рис. 1 показана полученная в результате определения содержания химических элементов, зависимость коэффициентов сегрегации от массовой доли углерода в стали.

Наибольшую склонность к сегрегации в центральной зоне сляба проявляют сера и фосфор. Так, если при содержании углерода равном 0,08% коэффициент сегрегации серы равнялся 1,5, то при содержании углерода до 0,19% он равнялся сегрегации 3,2.



Рис. 1. Зависимость коэффициентов сегрегации химических элементов от содержания углерода в стали

Установлено, что с понижением содержания углерода в исследованных пределах (от 0,19 до 0,03%) коэффициент сегрегационной структурной неоднородности листового проката снижается от 1,79 до 1,06, что свидетельствует о существенном росте однородности структуры металла по толщине раската. С учетом того, что диффузионная подвижность атомов углерода и примесей в -феррите существенно превышает скорость их диффузии в аустените, увеличение продолжительности пребывания металла в области -феррита приводит к гомогенному перераспределению атомов примесей из зон их сегрегации. При увеличении содержания углерода в стали увеличивается длительность существования двухфазной зоны. С увеличением содержания углерода увеличивается время пребывания расплава в двухфазном состоянии, что способствует более полному протеканию разделительной диффузии ликвирующих элементов и развитию зональной неоднородности, т.е. осевой сегрегации элементов.

Отмечена тенденция увеличения количества внутренних трещин и степени их развития с увеличением содержания углерода в пределах от 0,06 до 0,20%. Затвердевание стали при содержании углерода более 0,10% происходит одновременно с фазовым переходом. Напряжения усадки, возникающие в слитке в процессе затвердевания, суммируются с напряжениями фазового перехода, что служит одним из основных источников возникновения микротрещин в междендритном пространстве.

Для изготовления электросварных газопроводных труб из стали категории прочности К52 до сих пор часто применяют марганцовистые стали с содержанием углерода свыше 0,12%. К основным недостаткам данных сталей можно отнести сравнительно невысокий уровень механических и технологических характеристик металла. На практике улучшение механических показателей проката и снижение трещиночувствительности низколегированной стали на стадии сталеплавильного передела можно достичь за счет снижения массовой доли углерода и рационального микролегирования добавками микролегирующих элементов. В рамках решения этой задачи на основании лабораторных и промышленных исследований была разработана новая малоуглеродистая сталь химического состава: 0,06…0,09% С, 1,25…1,50% Mn, 0,20…0,35% Si, 0,02…0,035% Nb, 0,015…0,035% Ti, 0,02…0,05% Al, не более 0,008% S, 0,020% P, 0,009% N; CЕ 0,36; РСМ 0,20.

Атомноэмиссионным методом спектрального анализа определено, что концентрация углерода и вредных примесей (серы и фосфора) в центральной сегрегационной зоне данной стали была ниже, чем в стали с содержанием углерода 0,19% в 3,7; 7,6 и 2,7 раза соответственно. Величина относительного удлинения на листах из стали с содержанием углерода 0,08% была в 1,5-2 раза выше, чем на листах из стали с содержанием углерода 0,19%; величина ударной вязкости при температурах испытания -20 С новой стали была практически на порядок выше, чем на листах из применяемой стали, что во многом связано с уменьшением химической и структурной неоднородности толстолистого проката.

Проведенное полномасштабное опробование производства листового проката из разработанной стали 08Г1Б позволило освоить ее промышленное производство.

Влияние малых концентраций цветных металлов. Сталь содержит целый ряд примесей цветных металлов, часть которых в большинстве случаев не определяется в элементном химическом анализе плавки. На фоне существенной очистки металла от ряда традиционных вредных примесей после внедрения в производство таких агрегатов, как ковш-печь и вакууматор актуальной стала задача более глубокого изучения влияния Pb, Zn, Sn, Sb, Bi на качественные показатели металлопродукции. Примеси цветных металлов в связи с их способностью располагаться по границам дендритов и межосным пространствам в литом металле, а также по границам зерен кристаллитов в деформированном состоянии оказывают отрицательное влияние на трещиностойкость стали и показатели ударной вязкости.

Исследование влияния малых концентраций цветных металлов на внутреннее качество литой стали осуществляли путем выплавки опытных лабораторных плавок стали на основе технического железа с необходимыми добавками.

Содержание примесей цветных металлов определяли атомно-адсорбционным методом. В плавках, содержащих повышенные концентрации висмута и свинца, при изучении макроструктуры слитка обнаружили наличие поперечных и продольных трещин, количество и развитие которых возрастает с увеличением концентрации примесей цветных металлов. При исследовании макроструктуры слитка с содержанием 0,0060% олова обнаружили развитые продольные и мелкие поперечные трещины. Ввод в металл опытных плавок РЗМ в количестве 0,05…0,08% позволил снизить как количество внутренних трещин в слитках, так и их развитие. Распределение примесей цветных металлов в опытных образцах изучали методом Оже-электронной спектроскопии. Анализ состава междендритных участков опытных образцов показал, что в спектрах с достаточной степенью достоверности наблюдаются Оже-пики примесей цветных металлов. В образцах опытного металла, обработанного РЗМ, наблюдали значительное снижение пиков спектров цветных металлов.

Для оценки влияния примесей цветных металлов на качество литого и катаного металла (развитие внутренних трещин, отсортировка толстолистового проката по дефектам ультразвукового контроля, связанным с наличием внутренних трещин) исследовали плавки поточного производства. В результате проведенного исследования определили, что допустимое максимальное содержание примесей

рассмотренных цветных металлов в низколегированных сталях перитектического класса, которое не оказывает видимого влияния на внутреннее качество литого и катаного металла, не должно превышать 0,0046% (рис. 2).

Рис. 2. Отсортировка листа в зависимости от содержания примесей

При анализе влияния примесей цветных металлов на качественные показатели литого металла было отмечено существенное воздействие повышенных концентраций цветных металлов на образование грубых внутренних поперечных трещин, ведущих в ряде случаев к разрушению слябов.

Для высокопрочных низколегированных сталей с содержанием углерода 0,13…0,23% была предложена эмпирическая формула, определяющая предельную суммарную концентрацию примесей цветных металлов, свыше которой наблюдалось образование и развитие внутренних сквозных трещин в непрерывнолитой заготовке:

См < Sb + 0,75%Pb + 0,50%Sn + 0,10%Zn.

Было установлено, что величина См не должна превышать 0,0012. Для уменьшения негативного воздействия примесей цветных металлов целесообразно проводить обработку стали комплексными модификаторами и смесями, содержащими редкоземельные металлы с обеспечением остаточного содержания церия в металле в пределах 0,05…0,08%.

Влияние водорода. Присутствие растворенного в стали водорода заметно влияет на механические свойства металла и пораженность проката различными поверхностными и внутренними дефектами. Для удаления водорода применяют специальную технологическую операцию - вакуумирование стали. При отсутствии специальных требований по вакуумированию или по содержанию водорода в жидкой стали возможно исключить эту стадию из производственного процесса и применить менее трудоемкие и экономичные технологические приемы, в частности замедленное охлаждение слябов.

С целью исследования процессов замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов на лабораторных плавках и был смоделирован процесс замедленного охлаждения. Было определено, что максимальная десорбция водорода наблюдается при температурах 500…800 °С; через 35…50 ч выдержки слитков в стопе десорбция водорода практически прекращается; коэффициент десорбции водорода снижается при снижении его исходного содержания в слитке. Влияние замедленного охлаждения на качество толстолистового проката оценивали на сериях плавок поточного производства. С целью выявления влияния водорода на механические свойства была применена методика оценки качества толстолистового проката посредством определения структурно-чувствительных свойств металла в Z-направлении в области осевой ликвации химических элементов. По результатам исследований построена номограмма для определения минимальной продолжительности замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов в зависимости от исходного содержания водорода в расплаве ПК МНЛЗ, обеспечивающей необходимый уровень качества проката (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость времени замедленного охлаждения слябов в стопе от содержания водорода

В третьей главе «Влияние технологических параметров разливки на развитие центральной химической неоднородности» представлены результаты исследования влияния параметров технологического процесса разливки и конструктивных особенностей МНЛЗ на формирование структуры непрерывнолитых слябов. Показано, что увеличение перегрева металла способствует устойчивому росту зоны направленной кристаллизации (зоны столбчатых кристаллов) с одновременным сокращением размеров зон корковых кристаллов и разориентированных дендритов. Наибольшее влияние на структуру кристаллизации оказывает перегрев до 20 °С. Влияние перегрева свыше 25 °С на изменение соотношения структурных зон незначительно. Соотношение зон становится достаточно стабильным: зона столбчатых кристаллов - 75%, равноосная и корковая зоны в сумме - 25%. При перегреве стали менее 10 °С возникает зона глобулярных кристаллов, что можно охарактеризовать как переход от направленной кристаллизации к объемной за счет образования центров кристаллизации по всему объему переохлажденной жидкой фазы. При изменении рабочей скорости разливки слябов сечением 250Ч1550…1850 мм с 0,7 до 1,1 м/мин увеличение столбчатой зоны составляет 5,0…7,5%, а при изменении скорости с 0,5 до 0,9 м/мин для слябов сечением 300Ч1850мм - 4,0…5,5%.

На МНЛЗ с вертикальным участком при перегреве стали выше температуры ликвидус в пределах 20…25 °С соотношение зон иное по сравнению с криволинейной МНЛЗ. Зона направленной кристаллизации сокращается с 65…70% до 50…55% от общего объема затвердевшего сляба при одновременном расширении зоны разориентированных дендритов. Изменение конструктивного оформления технологической линии МНЛЗ и установка вертикального участка приводит к ослаблению центральной сегрегации химических элементов на 0,34 балла или 27%; к снижению уровня развития осевых трещин на 0,10 балла, внутренних трещин - на 0,08…0,22 балла. трещинообразование листовой прокат сталь

Среди факторов, определяющих формирование структуры непрерывнолитых слябов и влияющих на образование и развитие внутреннего трещинообразования, существенную роль играет режим вторичного охлаждения непрерывнолитой заготовки. Нами была разработана математическая модель затвердевания непрерывнолитой заготовки, которая позволила исследовать как стационарные, так и нестационарные режимы разливки слябов. Процесс распределения теплоты в теле заготовки описывали уравнением теплопроводности:

.

Температурную зависимость коэффициента теплопроводности учитывали в соответствии с изменением агрегатного состояния металла:



Аналогично учитывали и температурную зависимость теплоемкости стали:

где T(x,z,?) - температура стали; с=с(x,z,Т) - плотность стали; ?тв,???дфз - коэффициенты теплопроводности металла в твердой фазе и двухфазной зоне; ?эф - коэффициент теплопроводности в жидкой фазе; cтв, ?cж - теплоемкость металла в твердой и жидкой фазе соответственно, ч - теплота плавления (кристаллизации). На рис. 4 приведено распределение температур в затвердевающем слябе.

Рис. 4. Распределение температур в затвердевающем слябе: 1 - область жидкой фазы; 2 - двухфазная зона; 3 - зона затвердевшего металла

Для решения уравнения теплопроводности использовали метод конечных разностей (неявную локально-одномерную схему) с аппроксимацией величины разностью против потока. На расчетной модели исследовали как стационарные, так и переходные процессы на различных пространственных и временны?х сетках. Применение разработанной программы показало возможность расчета изменения формы жидкой лунки, двухфазной зоны и твердой корочки как при снижении скорости разливки с 0,7…0,8 м/мин до 0,2 м/мин, так и при последующем разгоне МНЛЗ с выходом на исходную скорость разливки. На основании разработанной модели для перитектических трещиночувствительных сталей был рассчитан оптимизированный вариант вторичного охлаждения непрерывнолитой заготовки с увеличенным по сравнению с базовым расходом воды во 2-й и 3-й секциях зоны вторичного охлаждения и сниженным в остальных секциях.

В четвертой главе «Снижение осевой ликвации путем внешних воздействий на расплав в кристаллизаторе МНЛЗ» исследована и разработана технология внешнего воздействия на расплав в кристаллизаторе МНЛЗ расходуемых макрохолодильников (стальная лента). Оценку поведения макрохолодильника в расплаве и его влияние на процесс теплопереноса провели с использованием метода математического моделирования. Для построения математической модели было принято, что температурное поле расплава в кристаллизаторе МНЛЗ квазистационарно и отсутствует диссипация энергии в направлении, совпадающем с направлением вытягивания слитка. Теплообмен описывается системой уравнений:

где v1 - скорость вытягивания сляба; v2 - скорость подачи ленты; w=c(T)+чn(T) - энтальпия; слн - плотность материала ленты; л - коэффициент теплопроводности; t - время; n(T) - функция, характеризующая долю жидкого металла в области двухфазного состояния; с(Т) - теплоемкость; г - область расчета. Граничные условия:

x = 0: -лT/x = 0;

x = xсл: -лT/x = б (T - TH2O);

y = 0: -лT/y = 0 при 0 < x < xлн1 и xлн2 < x < xсл;

лT/y = (v2/v1) слн yлн (w/t) при xлн1 < x < xлн2;

-лT/y = 0 при xлн1 > x и х > xлн2;

y = yсл : -лT/y = б (T - TH2O).

Для численной реализации модели использовали разностную схему сквозного счета. Вывод результатов расчета представляет собой поле температур и его изолинии в заданный момент времени.

Рис. 5. Температурное поле сляба, отлитого с вводом ленты: 1 - лента; 2 - жидкая фаза; 3 - кристаллизатор; 4 - двухфазная зона; 5 -твердая фаза

На рис. 5 представлено температурное поле непрерывнолитого сляба с вводом ленты (vлн=2 м/мин) при скорости разливки vр=0,7 м/мин. Лента расплавляется в кристаллизаторе на расстоянии около 500 мм от мениска. При этом изменяется общий объем двухфазной зоны в сторону ее расширения. При вводе со скоростью 6 м/мин лента полностью не расплавляется и вмораживается в матричный металл в области твердо-жидкого состояния и фактически армирует матричный расплав.

Для уточнения параметров процесса взаимодействия ленты с расплавом провели эксперименты по определению динамики намораживания и плавления лент. При исследовании учитывали исходную толщину и химический состав вводимой ленты, перегрев металла выше температуры ликвидус на выходе из погружаемого стакана в кристаллизаторе. Образцы стальных лент опускали в жидкий металл на заданное время в определенном заранее месте на фиксированную глубину. Характер изменения толщины намороженной оболочки и остаточной толщины лент во времени при различном перегреве показан на рис. 6.

Рис. 6. Динамика изменения толщины оболочки в расплаве

Отмечено, что максимальная толщина намороженного слоя для лент толщиной 1,5 мм достигается через 2…3 с, для лент толщиной 2,2 мм - через 5…6 с, толщиной 3,0 мм - через 6…8 с. Максимальная суммарная толщина ленты и намороженной оболочки при толщине ленты 3 мм составила 8,4…9,0 мм, при толщине 1,5 мм - 3,5…3,9 мм. При снижении величины перегрева с 15…20 °С до 5…10 °С время намораживания ленты увеличивается в 1,2…1,4 раза, толщина намороженного слоя в 1,9…2,2 раза, время полного расплавления в 2,0 раза. Для лент малых толщин характерно чрезвычайно быстрое протекание процессов намораживания и плавления. Полное расплавление внесенной твердой фазы достигается в течение 3…4 с.

Задачей гидравлического моделирования явилось выяснение влияния макрохолодильников на характер циркуляции потоков металла в кристаллизаторе в зависимости от размеров, места и глубины погружения холодильников. Для получения в модели движения жидкости, подобного движению расплавленной стали, необходимо геометрическое подобие модели и натуры, условий движения жидкости, физических параметров в сходных точках модели и натуры, одинаковые значения определяющих критериев. Из условий равенства критериев Рейнольдса, Вебера и Фруда с учетом свойств жидкости в модели и натуре определяли линейный масштаб, масштабы скорости, расхода и вязкости моделирующей жидкости. Для качественной и количественной оценки вынужденной циркуляции металла были использованы методы фиксирования движущейся границы подкрашенной жидкости и измерения скоростей потоков трубкой Пито. При любом удалении макрохолодильника от выходных отверстий погружаемого стакана при малом перекрытии сечения (1…5 мм) не наблюдается его влияния на затопленные струи стали. Воздействие проявляется при величине перекрытия струи свыше 10 мм. При расположении холодильников толщиной 2…5 мм параллельно широкой грани кристаллизатора практически не изменяется установившаяся схема циркуляции жидкой стали - вне зависимости от глубины проникновения ленты в расплав.

Измерение температуры жидкой лунки в верхней части кристаллизатора специально изготовленными блоками термопар помогло уточнить характер распределения температур в расплаве. К основным отличиям температурных полей при вводе ленты в расплав можно отнести значительное общее снижение температуры жидкой лунки при вводе в нее макрохолодильников. Жидкий металл в точках, прилегающих к холодильнику, имеет на 7…13 °С более низкую температуру по сравнению с ее значениями при разливке по обычной технологии. Отмечается более быстрое охлаждение металла по пути движения потока.

Для изучения распределения температур в затвердевающем слябе в нижней части кристаллизатора и зоне вторичного охлаждения применяли методику вмораживания блока термопар в растущую корочку сляба. Для фиксации фронта затвердевания в жидкую часть заготовки вводили индикаторы в виде радиоактивного изотопа Р32. Исследование процесса кристаллизации проводили по полученным радиограммам и путем расчета скоростей кристаллизации по плотности дендритной структуры. Выделены три зоны с различными соотношениями скоростей кристаллизации по малому и большому радиусам сляба. Первая зона охватывает участок от мениска металла до конца кристаллизатора. На этом участке скорость кристаллизации со стороны большого радиуса несколько выше по отношению к малому. После выхода сляба из кристаллизатора возрастает градиент температуры по малому радиусу, в то время как по большому радиусу он продолжает монотонно снижаться. В конце процесса кристаллизации скорости нивелируются с некоторым увеличением скорости кристаллизации со стороны большого радиуса за счет осевших обломков дендритов.

На рис. 7 показано влияние количества внесенной твердой фазы на изменение скорости кристаллизации сляба.

Скорость кристаллизации последовательно увеличивается при увеличении массы вводимой твердой фазы, особенно в пределах кристаллизатора. Наибольшее воздействие на скорость кристаллизации холодильники оказывают в режиме вмораживания в сляб. Нетипичная зависимость изменения скорости кристаллизации для этого случая объясняется тем, что при вмораживание холодильника в корочку слитка образуется два фронта кристаллизации: внешний - от водоохлаждаемой поверхности кристаллизатора и внутренний - от ленты, в этом случае фактически играющей роль армирующего вкладыша.

Рис. 7. Изменение скорости кристаллизации со стороны малого радиуса сляба в зависимости от количества внесенной в расплав твердой фазы

Для определения влияния вводимой ленты на величину снижения перегрева и, как следствие, определения технологических параметров, обеспечивающих режим полного расплавления или режим армирования, выбрали модель с постоянной величиной перегрева стали выше температуры ликвидус в верхней части кристаллизатора. По результатам экспериментов определили зависимость скорости ввода ленты в режиме расплавления от скорости разливки и величины перегрева:

v=KvpДT,

где К - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и температуры ликвидус ленты, размеров слитка, vp - скорость разливки стали; ДT - величина перегрева расплава в ПК. В случае применения ленты из стали Ст1сп сечением 2Ч300 мм коэффициент К = 0,6. Для слябов крупных сечений наиболее целесообразно, с точки зрения технологичности процесса, применение лент размерами 1,2…1,8Ч300…400 мм.

На основании разработанной математической модели затвердевания, исследования динамики процесса намораживания и расплавления твердой фазы, расчета параметров ввода стальной ленты в жидкий металл, была спроектирована и изготовлена установка для механизированного ввода стальной ленты в расплав (УМВЛ). Установка имеет собственный привод передвижения из резервной позиции в рабочую, точное позиционирование направляющей ввода ленты по отношению к большой оси кристаллизатора, систему согласования скорости ввода ленты со скоростью разливки стали. В дальнейшем установка была модернизирована путем оснащения ее специальным электромагнитным вибратором. При проведении опытных плавок было установлено, что глубина проникновения ленты в расплав снижается в 2…3 раза, что позволяет гарантированно расплавлять ее на верхних горизонтах жидкой лунки в кристаллизаторе.

При оптимально выбранных режимах ввода твердой фазы и существенном снижении перегрева в осевой зоне слябов формируется зона глобулярных кристаллов шириной от 40 до 60 мм. Асимметрия структуры становится гораздо менее выраженной, чем при обычной технологии разливки. Для слябов, полученных по новой технологии, со стороны большого радиуса характерно либо полное отсутствие зоны направленной кристаллизации, либо ее сокращение до минимальных размеров. Наибольшее положительное воздействие макрохолодильников достигается при определенном количестве внесенной твердой фазы. В частности, для перегрева 25…30 °С эта величина составляет 0,6…0,8% массы твердой фазы от массы разливаемого металла. При увеличении перегрева и скорости разливки данная величина смещается в сторону больших величин. Максимальный эффект достигается при максимальном количестве расплавившейся твердой фазы. При дальнейшем увеличении массы вводимой ленты количество расплавившейся фазы и ее влияние на макроструктуру уменьшается. Это объясняется снижением числа дополнительных центров кристаллизации, образующихся при плавлении макрохолодильника. Установлено снижение дефектности макроструктуры низколегированных сталей по показателям осевой химической неоднородности с 1,21 до 0,27 балла; осевым трещинам - с 0,14 до 0; трещинам, перпендикулярным широкой грани - с 0,78 до 0,22; гнездообразным трещинам - с 0,33 до 0,05. Характерное распределение серы по толщине сляба приведено на рис. 8. Распределение остальных ликвирующих элементов (Mn, P, C и др.) носит аналогичный характер.

Рис. 8. Распределение серы по толщине непрерывнолитого сляба

В пятой главе «Снижение содержания неметаллических включений в стали» приведены результаты исследований процессов удаления НВ малых размеров из расплава стали в промежуточном ковше за счет применения продувки стали аргоном, усовершенствования конструкции специальных внутренних перегородок ПК с фильтрационными элементами для снижения загрязненности металла включениями размерами более 20…30 мкм, по снижению влияния переходных нестационарных процессов разливки стали на степень загрязненности металла. Для исследования и создания оптимальных гидродинамических потоков в ПК наиболее эффективно применение метода физического моделирования гидродинамических процессов на холодных жидкостях. При выборе оптимальных значений масштабов моделирования учитывали, что для струйных течений в ковше наблюдается автомодельность, т.е. практическая независимость явлений от критериев подобия наступает при значениях чисел Фруда более 5…10, Рейнольдса более 102, Вебера более 102. Эти соотношения выполняются, если геометрический масштаб модели установить равным или менее 3 (дr<3, что дает возможность определить масштаб скорости дv = 1,73 и масштаб расхода дQ= 15,6.

При физическом моделировании применяли подкрашенную жидкость, в качестве индикаторов потоков использовали шарики полистирола и дисперсный порошок алюминия. Показано, что при использовании в ПК перегородок, оборудованных фильтрационными элементами, успешно удаляются достаточно крупные включения размерами более 20…30 мкм. Коллоидальные конгломераты и НВ малых размеров не могут быть в достаточном объеме удалены только с использованием фильтрационных перегородок. Решение данного вопроса достигнуто путем организации движения затопленных струй металла в направлении, совпадающем с направлением всплывания частиц при создании дополнительной подъемной силы за счет создания газовой завесы в зоне перетока металла через фильтрационные каналы перегородок. В этом случае доминирующую роль в процессе удаления мелких НВ из стали играют процессы, происходящие в нижней зоне газовой струи. Это объясняется тем, что при истечении газовой струи в жидкую сталь образуется газожидкостная эмульсия с большим количеством газовых пузырей и происходит налипание дисперсных частиц, имеющихся в стали, на пузырьки газа. В пузырьковом режиме существенно увеличивается поверхность контакта газовой фазы с жидким металлом, что создает более благоприятные условия для транспортировки неметаллических включений к шлаковой поверхности и удаления их из жидкой стали. В результате исследования установлено, что наиболее целесообразно использовать канальные веерные фурмы с выходными каналами подачи газа диаметром 1,5…2,0 мм, расположенными в два ряда под углом к вертикальной оси ПК для увеличения длины барботажной зоны на границе раздела «металл-шлак», устанавливаемые в днище промежуточного ковша. При продувке фурма создает сплошную газовую завесу, не допускающую попадания НВ в область гидродинамического воздействия стакана-дозатора. Опытным путем определено, что наиболее благоприятным местом установки фурмы является область с минимальным значением кинетической энергии затопленных струй, истекающих из переточных каналов перегородок ковша, и максимально удаленная от зоны стакана-дозатора.

Применение технологии продувки стали аргоном в ПК позволило снизить диапазон общего индекса загрязненности, рассчитанного по металлографическому методу «Л» (согласно ГОСТ 1778), с (0,80…1,65)Ч10-3 до (0,50…1,20)Ч10-3. Наибольшее снижение загрязненности достигнуто по количеству оксидов - на 40…60%, по сульфидам снижение составило 15…40%.

Усовершенствование технологии удаления НВ размером более 30 мкм из расплава стали в ПК осуществляли путем выбора рационального распределения затопленных струй и методов управления процессами вихреобразования в раздаточных камерах ковша. Применяемые конструкции перегородок не полностью соответствовали основным положениям гидродинамики, что делало затруднительным формирование затопленных струй с требуемыми скоростно-силовыми характеристиками. Особенностью этих потоков являлось то, что статический напор, действующий на их поперечное сечение, определяется разностью уровней металла в двух смежных емкостях. Нами показано, что только при отношении толщины перегородки к диаметру канала >2 отверстие начинает работать как канал, обеспечивая устойчивое истечение металла в раздаточную камеру ПК по законам затопленной струи. Увеличение толщины перегородки позволило получить каналы с требуемыми гидродинамическими характеристиками. Для обеспечения прохождения траекторий струй выше зоны затягивающего воздействия стакана-дозатора был рассчитан угол наклона нижнего ряда каналов. После этого были определены углы наклона каналов верхних рядов перегородки. Каналы последующих рядов были расположены так, что затопленные струи, истекающие из них, своим контактным воздействием, с учетом присоединенной массы, охватывали максимальный объем раздаточной камеры и распространялись при выходе на зеркало металла на возможно большей поверхности со шлаковым слоем. Полученная благодаря этому вихревая структура объемов металла в раздаточной камере позволила в наилучшей степени и максимально быстро укрупнять включения и создавать условия для выноса их в шлаковую зону. Установлено, что скорость увеличения концентрации и укрупнения частиц неметаллических включений пропорциональна величине центростремительной силы, которая зависит от угловой скорости образующегося в камере вихря. Под действием центростремительной силы частицы НВ устремляются к центу вихря, укрупняются и при достижении определенных размеров под воздействием увеличивающейся архимедовой силы всплывают.

В результате проведенного исследования была разработана перегородка усовершенствованной конструкции со скорректированными параметрами каналов (длина, расстояние от днища ковша, углы наклона и суммарная площадь поперечных сечений каналов). Применение усовершенствованной конструкции перегородки позволило трансформировать трехуровневый многоструйный поток в раздаточной камере ПК и создать схему циркуляции жидкой стали, обеспечивающую достаточно большое время пребывания расплава в камере, отсутствие застойных зон и короткозамкнутых потоков, развить подповерхностное течение в зонах удаления НВ при максимальной степени гомогенизации расплава.

...