Содержание к диссертации
Введение
1. Непрерывная разливка рельсовой стали 7
1.1. Оборудование и технология
1.2. Особенности кристаллизации непрерывного слитка рельсовой стали
1.2.1. Затвердевание непрерывно-литого блюма в зоне вторичного охлаждения
1.3. Влияние технологических параметров разливки на качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки
1.3.1. Сечение непрерывнолитой заготовки 22
1.3.2. Температурный режим непрерывной разливки 24
1.3.3. Скоростной режим непрерывной разливки 27
1.3.4.Интенсивность вторичного охлаждения 30
1.4. Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке рельсовой стали
Цели и задачи диссертационной работы. 39
2. Исследование и классификация основных дефектов непрерывнолитых блюмов 300x360 мм рельсовой стали
2.1. Методика исследования 41
2.2. Ликвационные полоски и внутренние трещины 42
2.3. Неметаллические включения 45
2.4. Осевая пористость и осевая ликвация 46
2.5. Завороты и заливины на гранях блюма 50
2.6. Схема перехода дефектов литой заготовки в готовый рельс 51
3. Исследование и разработка технологии внепечной обработки для непрерывной разливки рельсовой стали
3.1. Обработка рельсовой стали на установке «печь-ковш» 55
3.1.1. Продувка рельсовой стали аргоном 5 6
3.1.2. Обработка рельсовой стали модификаторами 56
3.2.Вакуумирование рельсовой стали 62
4. Разработка и внедрение температурно-скоростного режима непрерывной разливки рельсовой стали
4.1. Температура металла 65
4.2. Рабочая скорость разливки
5. Совершенствование технологии разливки 81
5.1.Разработка состава шлакообразующей смеси 81
5.2.Разработка параметров качания кристаллизатора 85
5.3.Определение количества металла в промежуточном ковше и заглубления погружного стакана
5.4. Разработка технологии автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе
5.5.Технология подачи ШОС в кристаллизатор 90
6. Разработка режимов вторичного охлаждения блюма рельсовой стали сечением 300x360 мм
6.1. Метод расчета кривой охлаждения в зоне вторичного охлаждения с учетом напряжений и деформаций в корке слитка
6.2. Системный анализ влияния условий охлаждения в зоне вторичного охлаждения на температуру, напряжения, деформации в слитке
6.3. Вычисление параметров охлаждения слитка с учетом коэффициента теплоотдачи (напряжений и деформаций в слитке)
7. Особенности прокатки и термической обработки рельсов из блюмов 300x360 мм и технико-экономические преимущества комплексной технологии производства
8. Исследование качества литых блюмов и готовых рельсов, изготовленных с применением комплекса разработанных технических решений
Общие выводы 114
Справка о внедрении результатов диссертационной работы, приложения 1,2
Литература 119
- Влияние технологических параметров разливки на качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки
- Ликвационные полоски и внутренние трещины
- Продувка рельсовой стали аргоном
- Разработка технологии автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе
Влияние технологических параметров разливки на качество макроструктуры непрерывнолитой заготовки
Ранее проведенными исследованиями в полупромышленных условиях была доказана принципиальная возможность производства железнодорожных рельсов из непрерывнолитых заготовок кислородно-конвертерной стали [22-25].
В 1982г. ЦНИИчерметом и УкрНИИметом в условиях НПО "Тулачермет" были получены непрерывнолитые заготовки кислородно-конвертерной стали крупного сечения - 335x400 мм. Из заготовок были прокатаны рельсы Р75 и Р65 на комбинате "Азовсталь" и Р50 на Днепровском металлургическом комбинате им. Дзержинского. Были получены положительные результаты [26].
Была опробована непрерывная разливка рельсовой стали I и II группы качества по ГОСТ 24182-80 на УНРС Оскольского электрометаллургического (ОЭМК), Орско-Халиловского металлургических комбинатов и Донецкого металлургического завода. Сталь выплавляли в дуговых электропечах и перед разливкой на УНРС продували аргоном и вакуумировали. На УНРС вертикального и радиального типов было разлито свыше 3 тыс.т рельсовой стали I и II групп качества, выход годных заготовок составил 82,2 и 83,7% соответственно. На радиальных машинах ОХМК подвод металла в промковш осуществляли открытой струей, а в кристаллизаторе поверхность металла защищали шлакообразующей смесью. На Донецком металлургическом заводе струю металла, поступающую в промковш, защищали шамотографитовой трубой, для засыпки зеркала металла использовали графит. На ОЭМК для защиты струи металла на участке стальковш-промковш применяли шамотографито-вые огнеупорные трубки, которые с помощью специального устройства стыковали со стаканом шиберного затвора; поверхность металла в кристаллизаторе защищали шлакообразующей смесью. Установлено, что применение защиты металла от вторичного окисления на ОЭМК позволило получить содержание кислорода в среднем 0,0031% для I группы качества стали и 0,0045% для II группы, т.е. снизить на 37 и 27% (отн.) по сравнению с заготовками ОХМК и Донецкого металлургического завода соответственно.
На ОЭМК на опытных плавках была опробована система водо-воздушного охлаждения, которая обеспечила снижение удельного расхода воды на 35% по сравнению с ОХМК. При этом наблюдалось более равномерное распределение температуры поверхности по периметру заготовки на выходе из зоны вторичного охлаждения, отбраковка заготовок по поверхностным дефектам уменьшилась с 4,3 до 0,4%.
При опробовании разливки рельсовой стали на Кузнецком металлургическом комбинате (КМК) установлено, что выход рельсов 1 сорта из непре-рывнолитых заготовок на 22 и 25% выше для рельсов I и II групп качества соответственно, чем для рельсов из обычных слитков. По сравнению с рельсами текущего производства на КМК рельсы из непрерывнолитых заготовок не имеют отсортировки по неметаллическим включениям в виде строчек, уровень механических свойств достаточно стабилен, выше требований ГОСТ 24182-80 и находится в более узких пределах.
В работе [42] сообщается, что при разливке трех опытных плавок рельсовой стали на УНРС Донецкого металлургического завода температура металла в промежуточном ковше составляла 1485-1510С, скорость разливки для первой и второй плавок - 0,7 м/мин, для третьей - 0,5 м/мин. УНРС имела две зоны охлаждения, общий расход воды по которым составлял 30 и 10 м3/ч соответственно. В зоне вторичного охлаждения применяли экранирование заготовки, благодаря чему снизился удельный расход воды, составлявший 0,2-0,3 л/кг стали. Это обусловило в определенной мере "мягкое" вторичное охлаждение, что способствовало снижению пораженности заготовок внутренними трещинами. Рельсы типа Р65, прокатанные из непрерывно-литой заготовки на комбинате "Азовсталь", имеют более высокие значения временного сопротивления, относительного удлинения по сравнению с требованиям ГОСТ 24182-80, а разработанная технология выплавки и разливки рельсовой стали на УНРС обеспечивает получение из непрерывнолитых за готовок опытных рельсов, все аттестационные показатели которых удовлетворяют требованиям ГОСТ 24182-80. По качеству поверхности опытные образцы, полученные из заготовок, не подвергнутых огневой зачистке, соответствуют 1 сорту.
За рубежом производство железнодорожных рельсов из непрерывноли-тых заготовок осуществляется в промышленных масштабах [27-28]. Так, фирмами "British 81ееГ ,Великобритания; "Thyssen", ФРГ; "Bethlehem Steel", США; "Син ниппон сэйтецу" и "Ниппон кокан", Япония, и другими, рельсовую сталь разливают в заготовки толщиной в 250-300 мм и шириной 300-600 мм, из которых прокатывают рельсы различного сортамента. Суммарная вытяжка при прокатке колеблется в основном от 10 до 28.
Главными особенностями производства рельсовой стали из непрерыв-нолитых заготовок за рубежом являются обязательное вакуумирование металла, тщательная герметизация всего металлотракта - от сталеразливочного ковша до кристаллизатора - и, в большинстве случаев электромагнитное перемешивание на значительной части длины жидкой лунки заготовки. Так, на заводе "Стилтон" фирмы "Bethlehem Steel", США, рельсовую сталь выплавляют в дуговых печах емкостью 160-170т, разливают на 3-х ручьевой блюмо-вой УНРС на заготовки сечением 365x590мм. Перед разливкой сталь продувают аргоном, средняя скорость разливки составляет 0,5 м/мин, для охлаждения заготовки в процессе разливки применяют водовоздушное охлаждение [29]. Результаты испытаний показали, что рельсовая сталь, разлитая на УНРС, отвечает международным нормам и даже превосходит сталь для рельсов обычного производства в отношении уменьшения сегрегации, улучшения микроструктуры и механических свойств.
Ликвационные полоски и внутренние трещины
Повышение требований к металлопрокату обуславливают необходимость решения новых задач по получению качественной стали. Разрабатываются новые способы обработки металла. Многие операции рафинирования проще и дешевле осуществлять не в сталеплавильном агрегате, а в сталераз-ливочном ковше. В последние годы созданы агрегаты типа «печь-ковш» с подогревом металла в ковше и одновременным рафинированием. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата получило название вне-печной обработки, ковшовой металлургии, ковшового рафинирования и т.п.
Усовершенствование методов внепечной обработки создало реальные условия для массового производства стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей. Агрегаты для выплавки стали в этом случае превращаются в агрегаты для получения полупродукта, который затем подвергается внепечной обработке. Во многих случаях получение "сверхчистой" стали традиционными методами вообще невозможно.
Основная задача внепечной обработки - осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее, чем в обычных сталеплавильных агрегатах. Это выравнивание температуры, усреднение химического состава металла в объеме ковша с узкими пределами колебаний химических элементов от плавки к плавке, легирование, микролегирование, удаление и модифицирование неметаллических включений; десульфурация металла; дегазация металла (удаление водорода и азота) и др.
Повышенные требования к жидкой стали касаются прежде всего непрерывной разливки высокоуглеродистой рельсовой стали. Основной особенностью промышленной технологии производства рельсовой стали в конвертерном цехе НТМК является двухстадийная переработка природнолегированного ванадиевого чугуна с получением на первой стадии ванадиевого шлака (товарного продукта) и полупродукта для выплавки рельсовой стали.
Продувка полученного полупродукта на второй стадии на рельсовую сталь ведется до получения заданного содержания углерода и температуры.
После получения необходимого химанализа и требуемой температуры металл через летку конвертора сливается в сталеразливочныи ковш. Во время выпуска в сталеразливочныи ковш присаживаются ферросплавы, необходимые для получения рельсовой стали.
Раскисление рельсовой стали производится силикомарганцем или ферромарганцем, а также 45%-ным ферросилицием. Для получения содержания ванадия в стали в пределах 0,05-0,08 в сталеразливочныи ковш вводится небольшое количество шлака, полученного на первой стадии продувки. Обработка аргоном производится во время слива плавки из конвертора и в течении 3-5мин по окончании выпуска металла.
Подвод аргона для обработки рельсовой стали в сталеразливочном ковше осуществляется через пористую огнеупорную пробку, установленную в днище ковша.
После обработки аргоном отбираются пробы для определения химического состава металла, замеряется его температура и сталеразливочныи ковш передается в отделение непрерывной разливки на установку «печь-ковш» для внепечной обработки. Температура рельсовой стали в сталеразливочном ковше находится в пределах 1530-15409С.
Нашей задачей являлось исследование влияния внепечной обработки на процесс формирования макроструктуры и в целом на качество блюма сечением 300x360мм. Мы стремились оценить возможность применения технологии модифицирования и микролегирования, продувки аргоном, вакуу мирования при подготовке рельсовой стали для разливки на МНЛЗ и получения от плавки к плавке стандартного качества стали. Исследование влияния внепечной обработки на качество рельсовой стали проводили в два этапа: 1-й этап - исследование влияния технологии модифицирования, микролегирования и продувки аргоном на качество рельсовой стали. 2-й этап - исследование влияния вакуумирования на качество рельсовой стали. Разливка рельсовой стали осуществлялась на 4-х ручьевой радиальной МНЛЗ на блюмы сечением 300x360мм. Длина и вес заготовок обеспечивали их раскрой на два 25-метровых рельса типа Р65.
После установки сталеразливочного ковша с металлом на сталевоз "печи-ковша" опускалась крышка, подсоединялся шланг для подачи аргона и через донную пористую фурму в течение всей продувки в металл подавался аргон в количестве 150-300 л/мин. при давлении 5-6 бар, опускались электроды, и начинался электроподогрев рельсовой стали в течение 3-5 мин. В период подогрева и доводки металла в сталеразливочный ковш вводились: - шлакообразующая смесь (СаО - 10кг/т, CaF2 - Зкг/т) для проведения десульфурации металла; - шамотный порошок в количестве 2 кг/т для наведения жидкоподвиж-ного шлака и снижения его газопроницаемости; - ванадийсодержащие материалы (часть ванадия поступала в металл за счет восстановления из шлака); - модификаторы Са, А1, V, Ті.
Продувка рельсовой стали аргоном
На основании теплотехнических расчетов установлено, что повышение температуры поверхности футеровки на 300С приводит к увеличению тем пературы металла в промковше (на 1 -ой плавке) в контактном слое в момент заполнения на 20 град при данной температуре жидкой стали. Эти данные хорошо согласуются с практическими, полученными при замерах перепадов температуры между сталеразливочным и промежуточным ковшами.
Оптимальная температура на рабочей поверхности футеровки пром-ковша может быть достигнута, однако в момент отключения горелок (для разогрева футеровки) перед установкой сталеразливочного ковша над промежуточным температура футеровки на рабочей поверхности начинает быстро понижаться. Это подтверждается данными замеров: при разогреве природным газом в течение 1,5ч скорость падения температуры на поверхности составила 20-30 град/мин, а при увеличении длительности нагрева до 2,5 часов - только 5-7 град/мин.
Инерционный период разогрева промежуточного ковша, футерованного шамотным кирпичом с толщиной кладки 0,15 м, равен 55-60 мин (а = 1,78-10" м /ч) Однако оптимальное время разогрева, отвечающее моменту, когда распределение температур в стенке характерно для стационарного состояния, значительно больше.
Полученные данные показывают, что удовлетворительное время разогрева составляет более 105 мин. Это время, когда температура на поверхности и в глубине футеровки промковша перестает подниматься, является оптимальным временем прогрева футеровки при данной интенсивности разогрева промковша.
Для непрерывной разливки рельсовой стали из 160 тонного сталеразливочного ковша в блюмы 300x360мм требуются очень узкие пределы по температуре. Проведено исследование перепада температуры рельсвой стали на пути от конвертора до промежуточного ковша. Как видно из приведенных данных (табл 4.1.), время движения жидкой стали от сталеразливочного ковша до промежуточного ковша увеличивается из-за наличия установки "печь-ковш" и вакуумирования, которые обеспечивают колебания температуры в промковше не более ±10С, при условии специального предварительного разогрева футеровки промежуточного ковша. Перепад температуры рельсовой стали от конвертора до МНЛЗ (промковш)
JV t металла перед выпуском из конвертора, С At при выпуске конвертор -сталь-ковш, С t металла в стале-разливоч-ном ковше под конвертором, С t в стале-разливочном ковше после обработки и подогрева на установке "печь-ковш", перед ваку-умированием С. At металла встальков-ше дои после ва-куумиро-вания, С tBсталь-ковше наУНРС после вакуум-ирова-ния, С At между разливочным ковшом и промежут. Разливочным устройством, С t металла в промежут. разли-воч-ном устройстве, С At между конвертором и промежут. устройством, С
Важным параметром, определяющим стабильность процесса непрерывной разливки, характер затвердевания и качество непрерывнолитых блюмов сечением 300x360мм является оптимальная температура металла рельсовой стали при непрерывной разливке. При разливке металла с низкой температурой происходит затягивание каналов разливочных стаканов в промежуточном ковше, возникает необходимость частых прожиганий и изменений скорости разливки, нарушается стабильность технологического режима. Разливка перегретого металла ведет к увеличению загрязненности заготовок неметаллическими включениями, возникновению опасности прорывов, ухудшению качества макроструктуры.
Влияние температуры металла в ковше на степень ликвации элементов. Как видно из рис. 27, температура металла оказывает влияние на осевую ликвацию углерода, фосфора и серы, особенно при непрерывной разливке высокоуглеродистой рельсовой стали. Повышение температуры рельсовой стали, как показали исследования, увеличивают развитие ликвационных полосок в макроструктуре литых блюмов и осевую химическую неоднородность (рис. 28).
На основании исследования работы МНЛЗ установлено, что рабочая температура разливки рельсовой стали должна превышать температуру ликвидуса в среднем на 25С в зависимости от специфических условий работы цеха. Температура ликвидус для данной марки стали рассчитана с учетом содержания основных химических элементов и в среднем составляет 1470С.
Продувка инертным газом в сталеразливочном ковше повышает температурную и химическую однородность металла, способствует равномерному распределению раскислителей по объему, существенно облегчает процесс разливки.
На промышленных плавках снижение содержания серы до 0,025% не всегда обеспечивало получение литых блюмов 300x360мм без ликвационных полосок. На отдельных опытно-промышленных плавках было произвдено дальнейшее снижение серы до минимальных значений. Только при содержании се ры в металле до 0,010% ликвационные полоски в литом блюме 300x360мм практически отсутствовали или были в незначительном количестве.
При разработке температурно-скоростного режима блюма 300x360мм рельсовой стали особую актуальность представляют исследования макроструктуры непрерывного слитка отлитого на промышленных МНЛЗ. Протяженность структурных зон в блюмах 300x360мм в зависимости т температуры жидкой стали, мм (на одну сторону разреза заготовки) Таблица 4.2. Температура металла в промежуточном ковше С Протяженность структурных зон в литых блюмах,мм 1-я зона мелкихравноосных,мм 2-я зонастолбчатыхкристаллов,мм 3-я зона равноосных кристаллов и осевой ликв., мм 1. 1495 17 83 50 2. 1490 19 76 55 3. 1485 22 68 60 Из приведенных данных табл. 4.2 видно, что повышение температуры металла при непрерывной разливке рельсовой стали в блюмы 300x360мм приводит к увеличению протяженности зоны столбчатых кристаллов. Одновременно проведено исследование влияния температуры жидкой стали в промежуточном ковше на центральную пористость и осевую ликвацию в литом блюме 300x360мм.
В ходе проведения исследований был разработан оптимальный температурный режим непрерывной разливки рельсовой стали. При температуре рельсовой стали в промежуточном ковше 1485-1495С и скорости разливки 0,5 м/мин балл по центральной пористости снижается до 1,5.
Разработка технологии автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе
Расчет режимов вторичного охлаждения слитков [102, 103, 104] рассматривает главным образом тепловые процессы при их затвердевании. Вместе с тем ясно, что градиент температуры по толщине корки слитка вызывает появление температурных напряжений и деформаций которые, в свою очередь, приводят к появлению внутренних и внешних трещин. Выбор режимов охлаждения должен учитывать технологические параметры процесса кристаллизации и отсутствие дефектов в корке слитка при определенных условиях теплообмена.
В данной работе выбор режимов вторичного охлаждения осуществляется с позиции отсутствия разрушения в корке слитка за счет температурных напряжений. При этом учитывается, что температура корки слитка, с одной стороны определяет величину температурных напряжений и деформации, с другой, допустимые напряжения и деформации в корке слитка, так называемую предельную поверхность в фазовом пространстве главных напряжений и деформаций. Эта предельная поверхность зависит от свойств материала, химического состава стали, скорости деформирования. Следует отметить, что влияние температуры сказывается также на характере разрушения, когда с учетом температурного поля в корке слитка наблюдается переход к жесткому виду напряженного состояния и разрушению путем отрыва. С учётом температурных интервалов хрупкости и жесткого вида напряженного состояния приводит к хрупкому разрушению корки слитка даже в условиях повышенных температур. К сказанному следует добавить, что напряженное состояние элемента корки слитка определяется также механическими воздействиями - выпучиванием, разгибом слитка и напряжениями от фазовых пре вращений. Расчеты показали, что элемент объема корки слитка на фронте кристаллизации находится в условиях сложного напряженного состояния, когда по перпендикулярным граням элемента действуют сжимающие и растягивающие напряжения. Такая схема наиболее неблагоприятна для разрушения и может приводить к появлению внутренних трещин.
В работе сформулирована концепция построения кривой охлаждения, отличающаяся от известных ранее методов. Кривая охлаждения с управляющим параметром коэффициентом теплоотдачи а (конвективным, контактным, лучистым) построена из условий равенства действительных деформаций на фронте кристаллизации величине допустимой деформации є=[є], причем величина допустимой деформации определяется согласно [105]. [shf(c,fT)ke-2A6-)a, (6.1) где: J С, і - функция, зависящая от химического состава стали, / S, температуры; S - толщина корки слитка; П - толщина слитка; а - скорость деформации на фронте кристаллизации, ОС «0,214. Температурные напряжения и деформации на фронте кристаллизации определяются значением температур на внутренней - Ті и внешней - Т2 поверхностях слитка. Последние, в свою очередь, зависят от скорости изменения температуры (ST/St) на внутренней и наружной поверхностях затвердевающей корочки. Одним из основных параметров, определяющих скорость изменения температуры, является коэффициент теплоотдачи.
Температурное поле внутри корки слитка T(x,y,t) определяется при заданных условиях теплообмена на внешней и внутренней поверхностях (использование граничных условий третьего рода для уравнивания теплопроводности). Перепад температуры между внутренней и наружной поверхностями корки слитка зависит от скорости изменения температуры, определяемой начальной температурой, толщиной корки слитка, коэффициентом теплопроводности ма териала слитка, условиями теплообмена на внешней и внутренней поверхностях слитка (коэффициентами теплоотдачи и температурной среды).
Разность температур на внутренней - Ті и внешней - Т2 поверхностях слитка определяет температурное поле напряжений в корке слитка. При этом на внешней поверхности корки появляются растягивающие температурные напряжения, на внутренней - сжимающие температурный напряжения, когда Ті Т2. Максимальное значение напряжений определяется градиентом температур. Полученные формулы для температурных напряжений показывают, что толщина корки слитка не входит в выражение максимального напряжения, однако расчеты показывают, что для более толстой корки разность температур ТГТ2 между поверхностями больше, чем для тонкой. Следовательно, с учетом температурного интервала хрупкости, толстая корка слитка более подвержена разрушению от температурных напряжений.
Величина максимальных температурных напряжений существенно зависит от условий теплообмена (коэффициента теплоотдачи а2) на внешней и внутренней поверхностях. Изменение коэффициента теплоотдачи а2 на внешней поверхности от 35 до 940 Вт/М2град приводит к изменению температурных напряжений от 10 до 98 МПа. Установлено влияние ползучести (реологических свойств материала) на величину температурных напряжений. Расчетом показало, что дополнительные деформации ползучести, развивающиеся при релаксации температурных напряжений незначительны, так как температурным напряжениям соответствуют малые деформации (порядка 0,0005...0,0040).
Знание температурных напряжений в корке слитка позволяет вычислить упругие температурные деформации и определить их зависимость от коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности - а2. Приравнивая температурные деформации допускаемым, считая неизвестной величиной коэффициент теплоотдачи, определяем из условия прочности интересующую величину а2, є = (а2) = [є], а2 = F[eff ].
Похожие диссертации на Разработка и внедрение технологии производства непрерывнолитых заготовок для производства железнодорожных рельсов I группы в условиях НТМК
