Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы повышения качества внутреннего строения непрерывнолитых слябов низколегированных стали 15
1.1. Требования к качеству непрерывнолитых слябов ответственного назначения 15
1.2 Современные методы рафинирования и снижения содержания неметаллических включений на этапе разливки стали 22
1.2.1. Защита металла от вторичного окисления 23
1.2.2. Превращение промежуточного ковша в рафинировочный агрегат 25
1.2.3. Микролегирование и модифицирование в промежуточном ковше 32
1.2.4. Конструктивные особенности МНЛЗ различных типов 35
1.2.5. Электромагнитное торможение струи 38
1.3. Методы снижения осевой ликвации химических элементов 42
1.3.1. Электромагнитное перемешивание стали 42
1.3.2. Вибрационное и импульсное воздействия на расплав в кристаллизаторе 47
1.3.3. Система мягкого обжатия 50
1.4. Постановка задач и исследования 55
Глава 2. Изучение внутреннего строения непрерыв нолитой заготовки и разработка методов его улучшения 57
2.1. Основные дефекты внутреннего строения непрерывнолитой
заготовки 57
2.1.1. Методы изучения центральной химической и структурной неоднородности и внутренних дефектов сляба 59
2.1.2. Разработка классификатора дефектов непрерывнолитого сляба 65
2.2. Влияние химического состава стали на развитие центральной химической неоднородности и трещинообразование 71
2.2.1. Влияние углерода на центральную химическую и структурную неоднородность низколегированной стали 71
2.2.2. Разработка химического состава малоуглеродистой микролегированной стали для газопроводных труб большого диаметра 90
2.3. Влияние примесей цветных металлов на качественные показатели внутреннего строения литой заготовки и толстолистового проката 95
2.3.1. Исследование механизма влияния малых концентраций цветных металлов на внутреннее строение непрерывнолитой заготовки 97
2.3.2. Анализ химического состава междендритных границ слябов 104
2.3.3. Влияние примесей цветных металлов на развитие внутреннего трещинообразования 110
2.4. Влияние водорода на показатели сплошности металла и разработка технологии замедленного охлаждения непрерывнолитой заготовки 119
2.4.1. Исследование процесса десорбции водорода при замедленном охлаждении 122
2.4.2. Исследование механических свойств толстолистового проката и определение оптимальной продолжительности замедленного охлаждения непрерывнолитой заготовки 123
Выводы по главе 2 133
Глава 3. Влияние технологических параметров разливки на развитие центральной химической неоднородности 136
3.1. Влияние температурно-скоростного режима разливки стали на развитие осевой ликвации химических элементов 136
3.2. Оптимизация режима вторичного охлаждения непрерывно-литой заготовки 148
3.2.1. Разработка математической модели динамического режима вторичного охлаждения 148
3.2.2. Программная реализация математической модели для выбора режимов вторичного охлаждения слябов высокопрочных
низколегированных сталей перитектического класса 158
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 162
Глава 4. Снижение осевой ликвации путем внешних воздействий на расплав в кристаллизаторе МНЛЗ 164
4.1. Математическая модель затвердевания непрерывнолитого слитка с внесенной извне твердой фазой 164
4.2. Динамика процесса плавления макрохолодильников в жидкой лунке кристаллизатора 175
4.3. Влияние макрохолодильников на характер потоков и температурное поле расплава в кристаллизаторе 182
4.3.1. Методика изучения характера потоков и температурного поля расплава в кристаллизаторе 182
4.3.2. Гидравлическое моделирование потоков стали в кристаллизаторе при вводе в расплав макрохолодильников 190
4.3.3. Влияние макрохолодильников на температурное поле в верхней части расплава в кристаллизаторе 194
4.4. Влияние введенной твердой фазы на процессы затвердевания 200
4.4.1. Методика исследования кинетики кристаллизации 200
4.4.2. Влияние макрохолодильников на кинетику кристаллизации 203
4.5. Разработка технологии разливки стали с вводом стальной ленты различного химического состава 213
4.5.1. Расчет и согласование параметров ввода твердой фазы с температурно - скоростным режимом разливки 213
4.5.2. Разработка конструкции установки для ввода ленты в расплав 216
4.5.3. Ввод ленты в расплав с наложением упругих колебаний 219 4.6. Промышленное освоение разработанных вариантов технологии 224
4.6.1. Влияние макрохолодильников на структурное строение непрерывнолитой заготовки 224
4.6.2. Качество внутреннего строения непрерывнолитой заготовки 236
4.6.3. Макроструктура и механические свойства листового проката 239
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 246
Глава 5. Снижение содержания неметаллических включений в стали 250
5.1. Физическое моделирование процессов, протекающих в раздаточной камере промежуточного ковша 251
5.2. Разработка технологии продувки стали в промежуточном ковше инертными газами 257
5.2.1. Исследование газогидродинамических процессов, протекающих в объеме стали в промежуточном ковше при продувке расплава инертным газом 257
5.2.2. Исследование гидродинамических процессов, протекающих в жидкой стали в процессе ее продувки на холодных моделях 261
5.2.3. Разработка технологии продувки стали аргоном в промежуточном ковше 266
5.2.3.1 Выбор рациональной конструкции продувочных фурм 266
5.2.3.2. Результаты экспериментальных исследований при продувке стали в промежуточном ковше 272
5.3. Разработка комплексной технологии рафинирования стали в промежуточном ковше 279
5.3.1. Исследование гидродинамических процессов в секционированном промежуточном ковше 279
5.3.2. Отработка технологии непрерывной разливки стали с применением комплексной системы рафинирования стали в промежуточном ковше
5.3.2.1. Разработка усовершенствованной конструкции перегородок промежуточного ковша 289
53.2.2. Изучение влияние типа футеровки рабочего слоя промежуточного ковша на процесс рафинирования стали 293
5.3.2.3. Применение шлако-рафинирующих смесей (ШРС) 296
5.3.3 Влияние очистки стали в промежуточном ковше на качественные показатели литого и катаного металла 299
5.4. Разработка технологии получения качественной непрерывно литой заготовки, разлитой на нестационарных режимах разливки 304
5.4.1. Физическое моделирование гидродинамических процессов, протекающих в раздаточной камере промежуточного ковша 304
5.4.2. Исследование механизма вовлечения неметаллических включений в тело заготовки при нестационарных условиях 309
5.4.3. Разработка технологии и освоение разливки стали с применением «гасителей» турбулентности 316
5.4.4. Исследования макроструктуры и загрязненности металла не металлическим и включениями 318
Выводы по главе 5 321
Глава 6. Промышленное освоение комплексной технологии улучшения внутреннего строения непрерывнолитых слябов 324
6.1. Ввод макрохолодильников в расплав 324
6.2. Комплексная система рафинирования стали в ПК 327
6.3. Внедрение в промышленное производство стали марки 08Г1Б 330
6.4. Освоение оптимизированных режимов для зоны вторичного охлаждения МНЛЗ и замедленного охлаждения непрерывнолитой заготовки 332
Общие выводы 334
Список используемых источников
- Современные методы рафинирования и снижения содержания неметаллических включений на этапе разливки стали
- Разработка классификатора дефектов непрерывнолитого сляба
- Разработка математической модели динамического режима вторичного охлаждения
- Разработка технологии разливки стали с вводом стальной ленты различного химического состава
Введение к работе
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:
-
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.
-
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.
-
Создана технология замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов, обеспечивающая необходимый уровень качества толстолистового проката при различном исходном содержании водорода в расплаве.
-
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.
Современные методы рафинирования и снижения содержания неметаллических включений на этапе разливки стали
Понятие защиты металла в процессе непрерывной разливки стали включает в себя изоляцию струи и зеркала металла от взаимодействия с атмосферой [13]. С целью получения качественной непрерывнолитой заготовки и листового проката, снижения содержания растворенных газов стали (азота, кислорода, водорода) применяют различные системы металлопроводки на участках «сталеразливочный ковш - ПК» и «ПК - кристаллизатор». Известно, что до 20% НВ составляют оксиды, образующиеся в результате взаимодействия металла с кислородом воздуха, который поступает через неплотности огнеупоров металлопроводки [14]. Для защиты струи металла от контакта с атмосферой между сталеразливочным и ПК устанавливают огнеупорную трубу, воронку которой надевают на коллектор шиберного затвора сталераз-ливочного ковша. Нижняя часть трубы погружают в ПК на глубину 200...300мм. При применении защитной трубы возникают значительные трудности в герметизации ее стыка с шиберным затвором сталеразливочного ковша. При негерметичном соединении воронки трубы с коллектором шиберного затвора встык огнеупоров засасывается атмосферный воздух.
Для обеспечения герметизации соединения обычно используют подачку аргона встык огнеупоров. В частности, подобную систему применяют на ОАО «Северсталь» с кольцевым подводом аргона к корундографитовым тру 24 бе и погружаемому стакану [15], что обеспечивает надежную защиту от вторичного окисления. На ММК им. Ильича данная система была усовершенствована. Была применена система экранирования струи металла от атмосферы коаксиальным сплошным потоком инертного газа, который специальным устройством закручивают вокруг оси в направлении ее вращения. Закрученный поток газа вокруг струи металла имел большую устойчивость к внешним воздействиям по сравнению с прямоточным потоком. При использовании данной системы истечение металла происходило при пониженном давлении в околоструйном пространстве, и за счет этого происходила частичная дегазация металла [16]. Дополнительно применили продувку аргоном через стопор-моноблок в полость погружаемого стакана [17]. Насыщение металла азотом было снижено с 0,0012...0,0024% до 0,0006...0,0017%. Газодинамический способ защиты струи разработан авторами из МИСиС [18]. При данном способе на поверхности струи формируют естественный невозмущенный пограничный слой из нейтрального газа, замедляющий диффузию кислорода к поверхности металла.
На МК «Азовсталь» успешно внедрено в поточное производство специальное эжекцинно-вихревое устройство, обеспечивающее надежную защиту аргоном место стыка шиберного устройства и защитной трубы. Эффективность новой схемы подвода аргона и конструкции устройства основана на разделении подводимого аргона на два потока и изоляции зазора от поступления атмосферного воздуха обечайкой с уплотнениями по периметру кол-лектородержателя. Благодаря этому создается двойная защитная атмосфера аргона: внутри трубы и снаружи в месте стыка огнеупоров. Применение устройства и технологии защиты струи металла на участке «сталеразливочный ковш —ПК» позволили снизить угар алюминия на 15...40% и уменьшить содержание азота в готовой стали на 17...38% и в итоге сократить загрязненность стали НВ: алюминатами, нитридами и карбонитридами [19].
Иной подход применяют на НТМК [14]. Для повышения эффективности герметизации стыка между защитной трубой и коллектором шиберного за 25 твора применяют термопластичные вставки с клеящим слоем на внутренней поверхности (адаптеры). Адаптеры полностью повторяют форму сопрягаемых изделий. Оценку эффективности работы адаптера проводили по изменению содержания азота. При подаче аргона встык увеличение азота составило 0,0017%, при применении адаптера - 0,0009%.
Корейские исследователи на водяных моделях отрабатывали режимы подвода аргона к защитной трубе не только с целью защиты стыка от окружающей атмосферы. Основываясь на параметрах, полученных на водяной модели, разработаны режимы подвода аргона для создания оптимальных условий для всплывания частиц НВ совместно с пузырьками аргона в ПК [20].
Значительное количество работ посвящено вопросу вдувания аргона через погружаемый стакан в полость кристаллизатора, а так же конструкции самого погружаемого стакана. Данное мероприятие предназначено, как для защиты металла от вторичного окисления, так и для предотвращения зарастания каналов погружаемых стаканов НВ и недопущения попадания конгломератов НВ в жидкую лунку кристаллизатора [21,22]. Показано, что расход аргона должен поддерживаться на оптимальном уровне для стабилизации потоков металла в кристаллизаторе. Чрезмерное вдувание аргона приводит к затягиванию частиц шлака или попаданию пузырьков аргона в тело слитка, и в конечном итоге к образованию внутренних дефектов заготовки [23,24].
Разработка классификатора дефектов непрерывнолитого сляба
Разработку и испытания роликового (РЭМП) и кондуктивного (КЭМП) ЭМП проводят ЦНИИЧермет, ВНИИМетмаш и «Уралмаш - Металлургическое оборудование» с целью снижения громоздкости устройства и экономии электроэнергии. Эксперименты, проведенные на МНЛЗ ККЦ-1 и ККЦ-2 ОАО «НЛМК» показали улучшение качества макроструктуры, выражающееся в снижении уровня развития осевой химической неоднородности и внутренних трещин при производстве трубных и динамных марок стали [ПО]. Система ЭМП разработки ВНИИМетмаш, внедренная на МНЛЗ №1 Молдавского металлургического завода, позволила снизить загрязненность стали НВ и практически подавить процесс образования внутренних трещин при значительном снижении потребляемой мощности [111].
Теоретические основы процесса продолжают разрабатывать японские и корейские исследователи [112-115], в том числе работы по взаимодействию статического магнитного поля с переменным электрическим током [116]. Наложение переменного и постоянного тока в применисковой зоне на ртутных жидкостных моделях совместно проводят исследователи ArcelorMittal и NCK [117,118]. Фирма STE (Бразилия) разработала модель поведения НВ различного размера при наложении разнообразных магнитных полей при переменной скорости вытягивания слитка [119]. На основании уточненной математической модели [120] усовершенствована конструкция и уточнены параметры работы системы ЭМП с возможностью ее работы в режиме электромагнитного тормоза итальянскими исследователями [121].
Глубокое исследование влияния системы M-EMS на качественные показатели непрерывнолитых слябов приведено в работе фирмы Nippon Steel [122]. Отмечено существенное снижение газовых пузырей и НВ в подповерхностной зоне непрерывнолитого сляба. Исследователи фирм Mittal Steel Canada совместно с фирмой ABB определили, что для получения широкой равноосной зоны кристаллов в слитке необходимо существенно увеличить мощность индукторов [123].
В целом, при использовании данного метода отмечается положительное влияние принудительного перемешивания жидкого металла на формирование структуры непрерывнолитого слитка - улучшаются условия теплопередачи от жидкой сердцевины слитка к фронту кристаллизации и условия всплыва-ния неметаллических включений и растворенных газов. Улучшается качество макроструктуры и подавляется развитие осевой ликвации элементов. Согласно выводу, приведенному в обзорах [124,125] наилучшие результаты получены при применении мультифункциональных систем ЭМП, однако это требует установки систем по всей длине роликовой проводки, что существенно усложняет и удорожает систему.
Методы наложения внешних воздействий на кристаллизующийся слиток в виде колебаний можно разделить на три направления: - вибрационная обработка расплава; - электрогидроимпульсное воздействие; - обработка расплава ультразвуковыми колебаниями; Наложение упругих колебаний (виброобработка) периодически увеличивает или резко снижает давление на границу затвердевания и тем самым влияет на развитие ликвационных и тепловых процессов формирования слитков. [126-128]. Существует два метода наложения упругих колебаний -вибрирование расплавов-металлов с частотой до 25... 100Гц (низкочастотная-вибрация) и ультразвуковая вибрация с частотой до 20000Гц. Метод виброобработки жидкой стали включает в себя вибратор, создающий направленные колебания в вертикальной плоскости или же наложение низкочастотной вибрации перпендикулярно широким граням заготовки. Эффективность виброобработки состоит в создании упругих продольных волн, обламывающих ветви дендритов. Обломки дендритов осаждаются на дно жидкой лунки непрерывнолитой заготовки. Непрерывное заполнение жидкой лунки обломками дендритов с последующим затвердеванием расширенной двухфазной зоны приводит к существенному сокращению длины лунки [127,129]. Эффективность вибрации существенно зависит от ее параметров. Отмечено, что наибольшая эффективность,воздействия достигается при частоте 60...80Гц. Увеличение частоты свыше 100Гц фактически не сказывается на структуре непрерывнолитой заготовки. Увеличение амплитуды вибрации увеличивает степень воздействия частоты. Наложение вибрации в зоне вторичного охла 48
ждения приводит к измельчению кристаллической структуры, уменьшению
протяженности столбчатой зоны и увеличению глобулярной, что прежполо-жительно позволит получать заготовку с минимальным количеством дефектов макроструктуры.
Еще одним направлением внешних воздействий на кристаллизующийся металл является метод газоимпульсной обработки. Метод позволяет обеспечить объемный характер затвердевания и получить мелкозернистое строение слитка [130]. Метод пульсационного перемешивания жидкости основан на воздействии на жидкую ванну с помощью пульсирующей газовой струи, вытесняемой из специально затопленной трубы, что способствует формированию направленных циркуляционных потоков и зон повышенной турбулентности. Наличие пульсирующих участков движения потоков жидкости обеспечивает высокую интенсивность перемешивания объема в целом и создает благоприятные условия для развития кавитационных явлений. Наличие кави-тационных явлений способствует процессу образования дополнительных центров, кристаллизации. В условиях конвертерного цеха МК «Азовсталь» пульсационное воздействие на затвердевающий сляб сечением 300x1850мм осуществляли при разливке малоуглеродистой стали. Осуществление способа производили с помощью газоимпульсного пульсатора (частота пульсаций -1Гц, амплитуда пульсаций - до 0,55м), воздействующего на металл через специальную огнеупорную трубу, погруженную в жидкий расплав кристаллизатора МНЛЗ. Металлографические исследования литого металла показали определенное изменение соотношения структурных зон непрерывнолитой заготовки, в частности сократилась зона направленной кристаллизации с одновременным уменьшением длины осей дендритов [131]. Вторым способом осуществления метода являлась передача воздействия пульсациями аргона через погружаемый стакан. В целом, предложенные методы пульсационной обработки показали недостаточное воздействие их на структурообразование непрерывнолитой заготовки. Для увеличения эффективности метода необходимо в несколько раз увеличить скорость и мощность пульсационных струй, что представляется энергетически затратным и технически не выполнимым
Метод электрогидроимпульсной обработки пригоден для обработки больших масс металла, т.к. удельный расход электроэнергии не слишком велик [133]. При вводе в жидкую сердцевину формирующегося слитка мощных импульсов, создаваемых электрическим разрядом, разрушается фронт кристаллизации, происходит эффективное перемешивание расплава, и за счет развития в жидкой сердцевине кавитационных явлений создаются условия для зарождения дополнительных центов кристаллизации.
Процесс электрогидроимпульсного воздействия на расплав основан на выделении в электроразрядном генераторе упругих колебаний энергии, запасенных в колебательном контуре тока, и передаче их через гибкую мембрану в формирующийся непрерывнолитой сляб, что способствует перемешиванию расплава, разрушению дендритов и созданию дополнительных центров кристаллизации [134,135]. Разрушение дендритов произойдет, если давление на фронте ударной волны превысит предел прочности дендрита.
Разработка математической модели динамического режима вторичного охлаждения
В процессе изучения макроструктуры непрерывнолитых слябов и толстолистового проката был выявлен ряд недостатков существующих классификаторов, в частности ОСТ 14-1-235-91 и классификатора фирмы Mannesmann. Примеры сравнительной оценки согласно ОСТ 14-1-235-91 и классификатору фирмы Mannesmann приведены на рис.2.3 и 2.4. Как видно из рис.2.4 эталонные шкалы ОСТ 14-1-235-91 весьма условны и непоказательны. Сравнительная оценка, особенно структуры, выявленной после травления, затруднена и зачастую носит субъективный характер. С другой стороны классификатор фирмы Mannesmann значительно нагляднее и существенно упрощает оценку качества внутреннего строения (рис.2.3). Однако ранжирование оценок, равное одному баллу, в ряде случаев является достаточно- грубым и неточно отражающим степень развития дефектов внутренней структуры. Разработанный в данной работе классификатор [159] лишен вышеперечисленных недостатков: с одной стороны в предложенных шкалах учтена простота и наглядность сравнения с эталоном характерная для шкал Mannesmann, с другой - ранжир развития дефектности структуры был установлен в пределах 0,5 балла, что значительно точнее учитывает степень развития дефекта структуры. Примером может служить часть шкалы поперечных трещин, перпендикулярных широкой грани сляба (рис.2.5).
Методика оценки макроструктуры согласно разработанному классификатору включает в себя ряд стадий. Оценку макроструктуры непрерывнолитых слябов по виду и степени развития дефектов производят визуально путем сравнения макроструктуры или серных отпечатков с эталонами и описанием каждого вида дефекта. Контроль макроструктуры непрерывнолитых заготовок производят по целому поперечному отобранному контроля макроструктуры отбирают и обрабатывают таким образом, чтобы контролируемое сечение находилось на расстоянии, исключающем термическое влияние при порезке слябов.
Контролируемое сечение макротемплетов, должно быть подвергнуто холодной механической обработке (строжке, шлифовке и др.). После обработки поверхность должна быть ровной, гладкой без наклепа и прижога металла. Толщина макротемплета в обработанном состоянии должна составлять не менее 15мм.
Перед изготовлением серного отпечатка по Бауману макротемплет очищают от пыли и обезжиривают. Отпечатки снимают на фотобумагу «Унибром» по ГОСТ 10752, соответствующую макротемплету по размерам. Лист фотобумаги предварительно замачивают в течении 5...8 мин. на свету в 5% водном растворе серной кислоты по ГОСТ 4204, слегка просушивают фильтровальной бумагой и накладывают эмульсионной стороной на поверхность макротемплета. Обратную сторону фотобумаги, не допуская сдвига, проглаживают ватным тампоном до полного удаления пузырьков газа, образующихся в результате реакции. В зависимости от химического состава стали, отпечатки снимают в течение 3...15 мин. при комнатной температуре. Отпечаток считается готовым при потемнении фотобумаги. Готовый отпечаток промывают в проточной воде и обрабатывают в течении 20...30 минут фиксажем (раствором тиосульфата натрия), затем снова промывают и просушивают.
Для выявления макроструктуры поверхность макротемплета перед травлением очищают от грязи и обезжиривают. Для травления используют 50% водный раствор соляной кислоты по ГОСТ 3118, температура которого составляет 60...80С или 10% водный, раствор аммония надсернокислого (персульфата аммония) (ІЯЩ гОв по ГОСТ 20478 комнатной температуры. Травление проводят до полного выявления макроструктуры.
Выбор каждого из методов 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% 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% водном растворе соляной кислоты. После травления макротемплеты тщательно промываются горячей водой, нейтрализуются содовым раствором и просушиваются.
Определение вида и степени развития дефектов макроструктуры производят визуально, путем сравнения натурального вида макротемплетов или серных отпечатков с описанием дефектов макроструктуры непрерывнолитых слябов и эталонами шкал дефектов. Каждая шкала состоит из четырех баллов. Шкалы включают следующие виды дефектов макроструктуры: - осевая рыхлость; - осевая химическая неоднородность; - осевые трещины; - трещины гнездообразные; - трещины и ликвационные полоски, перпендикулярные узким или широким граням, или угловые; - точечная неоднородность.
Величина дефектов оценивается как целыми, так и дробными баллами (0,5; 1,5 и т.д.). Оценка дробными баллами производится в случае, когда степень развития дефектов соответствует промежуточному положению между описаниями двух ближайших целых баллов и сходна с изображением, представленным для эталона соответствующей шкалы соответствующего балла. При отсутствии дефектов проставляют балл 0.
Разработка технологии разливки стали с вводом стальной ленты различного химического состава
Для изучения процессов, протекающих при замедленном охлаждении не-прерывнолитой заготовки, были выплавлены опытные плавки модельного состава на основе технического железа с необходимыми добавками. Сталь выплавляли в индукционной печи емкостью 10 дм , расплав продували осушенным водородом с различной интенсивностью. После выдержки в течение 10...15мин. при температуре 1600С и перемешивания металл разливали в изложницы размером 15 90 400мм.
Отлитые образцы, представляющие модель промышленного сляба сечением 300 1850мм в масштабе 1:20, после охлаждения в изложнице до 850...950С были помещены в предварительно прогретую нагревательную печь, где и происходило замедленное охлаждение, причем скорость, охлаждения (рис.2.31) подобрали близкой к .скорости, охлаждения промышленных слябов. Температуру определяли платино-платинородиевой термопарой, закрепленной на одном из слитков внутри печи. Химический состав выплавленной стали соответствовал химическому составу низколегированной пери-тектической стали ASTM А572.50 (см. табл.2.17)
Для детального исследования были отобраны три плавки с различным содержанием водорода: 11,7ррм; 7,8ррм и 4,2ррм, соответственно. Каждая из плавок была разлита на 10 слитков.
Слитки стопами по 10 штук были подвержены замедленному охлаждению в нагревательной печи. Таким образом, был смоделирован процесс замедленного охлаждения непрерывнолитых слябов в термосах.
Для определения десорбции водорода в процессе замедленного охлаждения, через каждые 10 часов очередной слиток извлекали из стопы и из него специальным сверлом из твердосплавного инструмента вырезали в направлении диагонали три образца в виде цилиндров диаметром 1 Омм, которые были закалены в жидком азоте. Схема вырезки образцов для определения водорода приведена на схеме (рис.2.32). J
Общее содержание водорода в образцах опытного слитка определяли как среднее по трем пробам на газоанализаторе «LEKO». Прибор предназначен для определения содержания водорода, азота и кислорода при расплавлении пробы в токе несущего газа (спектрально чистого азота) по изменению его теплопроводности. Образцы для исследования, представляющие собой цилиндры диаметром 7мм и высотой 5 мм, загружали в графитовом тигле и расплавляли в импульсном режиме. - максимальная десорбция водорода наблюдается при высоких температурах; - через 35...50 часов выдержки слитков в стопе десорбция водорода практически прекращается; - коэффициент десорбции водорода снижается при снижении исходного содержания водорода в слитке.
Полученные результаты соответствуют представлениям, высказанным В.И. Явойским и др. [194,195], что при противофлокенной обработке сталей ферритно-перлитного класса водород выделяется при охлаждении заготовки до температур 250...300С. При более низких температурах выделение водорода затруднено медленной диффузией. Дальнейшее охлаждение заготовки можно проводить ускоренно. Полученные результаты лабораторного эксперимента позволили перейти к опытно-промышленному исследованию влияния времени замедленного охлаждения на качество толстолистового проката.
Влияние замедленного охлаждения на качество толстолистового проката оценивали на сериях плавок поточного производства стали марки 50 по стандарту ASTM А572/572М. Выплавку, внепечную обработку, непрерывную разливку и прокатку осуществляли по принятой на комбинате технологии. В течение разливки определяли содержание водорода в жидкой стали в ПК МНЛЗ при помощи системы Hidris для экспресс-анализа содержания водорода [196]. Для исследования были-отобраны три плавки с различным,содержанием, водорода: 4,5ррм (низкое содержание), 6,7ррм (среднее) и 8,8ррм (высокое).
Слябы каждой из отобранных плавок подвергли замедленному охлаждению в термосах по следующим режимам: один сляб — 24 час; второй - 48 часов; третий - 72 часа; четвертый — 96 часов.
Отобранные слябы после проведения дифференцированного замедленного охлаждения были сформированы в опытную партию и прокатаны в толстолистовом цехе на толщины 50,8 и 70,0мм. Результаты сдаточных испытаний механических свойств исследуемых листов не позволяют оценить влияние содержания водорода и продолжительности замедленного охлаждения не-прерывнолитых слябов на качественные показатели проката (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение) (см. табл.2.20).
Это связано с тем что, отбор образцов для сдаточных испытаний производится поперек и вдоль направления прокатки от поверхности листа, в то время как молекулярный водород концентрируется в микрополостях, находящихся в осевой зоне листа.
С целью определения влияния водорода на механические свойства проката была применена методика оценки качества толстолистового проката посредством определения структурно-чувствительных характеристик металла в области осевой ликвации химических элементов, являющейся наиболее ослабленной зоной листа. Способ определения механических свойств проката в Z-направлении, в т.ч. в микрообъемах (зона осевой ликвации) разработана совместно с сотрудниками ИПМ НАНУ и ЦНИИЧМ [186,197-199].
