Содержание к диссертации
Введение 3
1. Состояние вопроса и задачи исследования 5
1.1. Особенности кристал л ттзации непрерывного слитка 6
1.2. Влияние химического состава стали и геометрии сечения непрерывно лито и заготовки на осевую ликвацию и пористость
1.3. Анализ состояния и технологии улучшения макроструктуры непрерывнолитол заготовки
1.4. Особенности технологии мягкого обжатия не затвердевшего непрерывного слитка
1.5. Описание модернизированной промышленной установки 29
1.6. Выводы к разделу и задачи исследования 31
2.1. Структура расчетной модели деформации сляба с не затвердевшей сердцевиной
2.2. Методика расчета температурного состояния непрерывного 36 слитка
2.3. Методика обжатия слитка Й роликах тянущей клети 44
2.4Г Разработка алгоритма определения давлений и перемещений в 47
парах роликов при мягком обжатии сляба
2.5Г Расчет деформации непрерывнолитого сляба при заданном давлении обжегши
Выводы к главе 2
3. Экспериментальное исследование технологии мягкого обжатия промышленных слябов
3.1. Методика проведения промышленного эксперимента 62
3.2, Измерение геометрии слябов, разлитых при промышленных испытаниях системы
3.3. Исследование макроструктуры опытных слябов 65
3.4, Зависимости деформации обжатия сляба от скорости вытягивания
3 5. Зависимость перемещения валков от величины давления в тянущей клети
3.6, Анализ деформации слябов от давления
37. Зависимости перемещений валков от глубины жидкой фазы в слитке
38 Исследования обжатия сляба с жидкой сердцевиной при заданном значении датчиков перемещения
Выводы к главе 3 л 89
4. Разработка модели влияния формирующейся макроструктуры затвердевающего непрерывное слитка на образование дефектов
4.1. Анализ тепловых процессов и установление зависимости размерных параметров дендритной структуры от режимов непрерывной разливки стали
4.2. Расчёт параметров осевой химической неоднородности и осевой рыхлости сляба
4.3. Статистический анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на осевую рыхлость и осевую химическую неоднородность
Анализ эффективности влияния мягкого обжатия на параметры 03
макроструктуры непрерывнолитого сляба »
Выводы к главе 4 107
5. Экономическая эффективность процесса 108
Выводы по работе 110
Библиографический список
Приложения
Введение к работе
Одним из эффективных способов воздействия на кристаллизующийся металл является мягкое обжатие непрерывно-литой заготовки с не полностью затвердевшей осевой зоной. Применение этой технологии позволяет поднять производительность УНРС с олновременным улучшением макроструктуры заготовки и потребительских свойств полученного проката, Дія эффективно m использования этой технологии потребовалось комплексное исследование процессов теплообмена, кристаллизации и деформации металла с применением как теоретических исследований, так и промышленного эксперимента,
В данной работе рассматривается исследование, разработка и промышленное внедрение процесса мягкого обжатия сляба с не полностью затвердевшей осевой зоной на головном образце тянуще-обжимной клети реконструированной вертикальной УНРС электросталеплавильного цеха ОАО "Северсталь". В результате этой работы внедрена технология непрерывной разливки слябов для производства высокопрочной трубной стали, стали для судостроения, морских нефте- и газодобывающих, платформ и других сталей специального назначения. Внедрение этой работы позволило поднять рабочую скорость вытягивания сляба на вертикальной машине с 0,55 м/мин до 0,7 м/мин при сущесгвёян&м улучшении макроструктуры сляба и свойств прохав в том числе в Z-направлении.
Состояние вопроса и задачи исследования
В настоящее время ОЛО «Северсталь» проводит масштабное техническое перевооружение с применением современного оборудования и технологий. За последние несколько лет на ОАО «Северсталь» произведена реконструкция электросталештавильного цеха, душенного в эксплуатацию в 1969 году. Во время реконструкции четыре устаревшие дуговые печи заменены луговой печью "Фукс11 с шахтным подогревом лома, введена в эксплуатацию установка "печь-ковпт ч Производительность сталеплавильного комплекса составила более 1 млн. т стали в год. В электросталеплавильном цехе ранее были установлены две слябовые установки непрерывной разливки стали вертикального типа с рабочей скоростью вытягивания непрерывно-лигою сляба 0,55 м/мин, что требовало разливки части стали в изложницы. Данные установки к настоящему времени в значительной степени оказались морально устаревшими.
В связи с этим было принято решение реконструировать одну слябовую УНРС. Выбор варианта реконструкции объяснялся как экономическими причинами, так н тем, что сортамент цеха в значительной мере определяется сталями с повышенными требованиями к макроструктуре, такими как высокопрочные трубные стали и стали для судостроения. Это определило сохранение вершка л ьной технологической оси. 3 то же время из-за усложнения марочного состава повысились требования к качеству металла, в частности к макроструктуре иепрерывыолитьгх слябов, В нрооессе работы УЛРГ rxme,niL3rjjrTJiojuii:nrj. гох.тошпия лтетреръишш ряхижаки и гшехг кп.ия системы вторичного охлаждения, что привело к улучшению макроструктуры сляба. Однако, используемые традиционные методы совершенствования процесса непрерывной разливки исчерпали себя, не приведя к существенному улучшению качества металлопродукции. Задача данного исследования состояла в разработке и внедрении метода улучшения макроструктуры (в первую очередь уменьшения осевой ликвации и осевой рыхлости) при увеличении скорости вытягивания сляба,
1,1, Особенности кристаллизации непрерывного слитка
В настоящее время процессы формирования структуры литого металла, в частности закономерности дендритной кристаллизации, формирования осевой зоны, образования ликвационных дефектов достаточно изучены \ 1J, Дефекты макроструктуры сляба представлены усадочными дефектами, структурной и химической неоднородностью. Исследования непрерывно литых заготовок показали, что структура литого металла непрерывного слигка представляет собой густое переплетение тонких осей дендритов, составляющих как бы плотный каркас не прерывно литой заготовки.
Микроструктура непрерывного слигка состоит из трех зон: мелких дендритов, столбчатых дендритов к осевой зоны.
Получение тонкодисперсной структуры непрерывного слитка обуславливается особенностями процесса затвердевания его в результате резкого охлаждения непрерывно лито и заготовки водоохлаждаемыми стенками кристаллизатора и затем водой в области вторичного охлаждения в течение 12-20 мин (т.е. длительность охлаждения в 10-30 раз меньше по сравнению с затвердеванием обычного слитка в изложнице). Плотность дендритного строения непрерывного слитка выше, чем обычного.
Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что сталь, полученная способом непрерывной разливки, имеет меньшую химическую и структурную неоднородность, особенно по высоте, по сравнению с обычным слитком. Изучение особенностей затвердевания слитка и непрерывнолитых заготовок, полученных при разлинке стали одного химического состава, показало, что скорость кристаллизации непрерывнолитых заготовок выше но сравнению с затлердевапием обычного слитка. Качество непр еры в политой заготовки определяется также строением осевой зоны. Большая протяженность лунки жидкого металла обусловливает совершенно иные условия компенсации усадки металла по сравнению со слитком. Некомпенсированная части, усадки жидкой стали может приводить к образованию пористости.
Пористость а непрерывно литых заготовках вызывается естественной усадкой стали при затвердевании и практически всегда сопровождается химической неоднородностью. В зависимости от условий затвердевания усадочная пористость проявляется в виде рассеянной пористости или сосредотачивается в центральной зоне сечения слитка. Рассеянная пористость образуется при затвердевании изолированных микрообъемов, отделенных от источников питания скелетами депдритов. Образование рассеянной пористости имеет место обычно в слитках большого развеса из сплавов с широким температурньш интервалом затвердевания. Усадочная пористость, особенно рассеянная, обычно обнаруживается при развитой зоне равноосных кристаллов и оіраниченной зоне столбчатых дендритов. В этом случае она сосредоточена в виде множества мелких пор и может сопровождаться химической неоднородностью. Осевая пористость в не прерытз политых заготовках образуется в том случае, если скорость перемещения жидкого металла в центральной зоне слитка уменьшается настолько, что усадка стали не компенсируется полностью.
Развитие осевой пористости в ненрерывнолитой заготовке зависит также от величины поперечного сеченігя слитка. С увеличением размеров последнего осевая пористость рассредоточивается по объему заготовки. Значительное влияние на развитие осевой пористости оказывает геометрия поперечного сечения заготовки. Дефекты, обусловленные усадкой металла, наиболее ярко выражены в круглых и квадратных заготовках. В меньшей степени они проявляются в прямоугольных заготовках в связи с рассредоточением усадки по большой оси поперечного сечения. Формирование осевой чоны заготовки непрерывно л итой разливки происходит в условиях значительной протяженности жидкой фазы.
В ряде работ отмечалось, что не наблюдается закономерного распределения усадочных дефектов по длине непрерывно литых заготовок [2". По-видимому, такое положение верно только для условий горизонтальной и наклонной разливки стали. В случае разливки стали на вертикальных, радиальных и криволинейных УНРС при значительной протяженности жидкой фазы и больших величинах ферростатическої о давления данное утверждение является спорным.
В реальных условиях кристаллизации непрерывно литых заготовок фронт затвердевания в силу ряда причин характеризуется неравномерностью, как в продольном, так и поперечном есчеиии заготовки. Теплообмен между заготовкой и кристаллизатором неравномерен по высоте и периметру. Образующийся тазовый зазор может снижать величину теплоотвода с (50-67)-]ОісДж/м до (І6,8-25,2)-10-1 кДж/м2 [3]. Неравномерность теплового потока по высоте и периметру кристаллизатора вызывает неравномерность роста затвердевающей корочки- Далее неравномерность теплоотвода может проявиться в зоне вторичного охлаждения. При большой неравномерности фронта затвердевания возрастает вероятность возникновения 1 мостов" (перехватов) и появления участков осевой усадочной пористости. Осевая пористость в непрерывно литой заготовке распределяется неравномерно и прерывисто; размеры пор (их длина и диаметр) изменяются в широких пределах- Поры по длине заготовки отделяются друг от друга участками плотного металла длиной от нескольких миллиметров до 200 300 мм. При соблюдении основных положений технологии разливки (постоянной скорости вытягивания заготовки, равномерной подачи металла в кристаллизатор, равномерного охлаждения по периметру и высоте заготовки) возможно получение заготовки с небольшой пористостью. В осевой зоне непрерывнолитых заготовок пористость сопровождается химической неоднородностью или ликвацией. Химическая неоднородность слитка обусловлена различной растворимостью легирующих элементов жидкой и твердой фаз. Обычно скорость движения фронта кристал лизани и при охлаждении заготовки на два-три порядка выше скорости диффузии легирующих компонентов. Вследствие этого на фронте кристаллизации происходит накопление ликвируюших примесей. Наличие сильной конвекции жидкого металла внутри слитка может приводить к "вымыванию" из накопленного примесного слоя атомов примесей в расплав и повышению концентрации их в расплаве [4], С увеличением скорости конвективных потоков жидкой стали и понижением ее вязкости толщина ликнациопного слоя снижается. Таким образом, различная растворимость примесей в жидкой и твердой фазах приводит всегда к большей или меньшей неоднородности промышленных стальных слитков по химическому составу.
В непрерывнолитых заготовках ликвационньте процессы подчиняются тем же закономерностям, что и в обычных слитках. Ликвация увеличивается с увеличением поперечного сечения заготовки, однако зависимость ликвации от величины поперечного сечения литой заготовки может иметь другую закономерность, вызванную особенностями затвердевания.
По большей оси поперечного сечения непрерывнолитых заготовок прямоугольного сечения с небольшим соотношением сторон существуют ликваиионные участки, обедненные или обогащенные примесями, встречается V-образная ликвация. Участки такой ликвации, как правило, расположены равномерно по высоте н епр ер ыв политой заготовки В зависимости от характера первичной макроструктуры, зона V -обр аз ной ликвации имеет ширину от 15-20мм ДО 50-70ММ [5]. Распреде-jієние указанной ликвации по высоте заготовки может быть прерывистым и чередоваться с участками плотного металла и участками, пораженными осевой пористостью.
Шнуровая ликвация на продольных темплегах и серных отпечатках с них имеет вид резко очерченного шнура толщиной 6-SMM (реже 10-] 2мм) и протяженностью 50- 100мм и является областью с повышенной концентрацией лнквирующих элементов. Участки шнуровой ликвации, как правило, сопровождаются развитой усадочной пористостью. Не наблюдается каких-либо закономерностей в распределении участков шнуровой ликвации по высоте непрерывнолитой заготовки. В осевой зоне пепрерывнолитых заготовок встречаются также области, обедненные ликвирующими элементами. Протяженность их по длине непрерывно литых заготовок может достигать 200-30(1 мм. Области отрицательной ликвации располагаются обычно но участкам плотного металла.
В случае шнуровой ликвации в непрерывно литых заготовках положительная сегрегация углерода и серы может достигать величин, соизмеримых с ликвацией этих элементов в обычном слитке. Ликвация фосфора имеет меньшее развитие по сравнению с обычными слитками. В случае V- образ но й ликвации колебания в содержании углерода, серы и фосфора не выходят за пределы марочного состава стали.
Как показано ныше, при кристаллизации непрерывнолитой заготовки в осевой зоне часто образуется "мост", или перехват, состоящий из столбчатых или равноосных кристаллов. Толшиоа этого моста невелика. Поскольку поступление жидкого металла к нижележащим затвердевающим слоям затруднено и становится недостаточно для компенсации усадки, то затвердевание слоев, расположенных ниже моста, происходит с образованием усадочных раковинок или норч Жидкий металл, находящийся в междендритных объемах моста и обогащенный ликватами, экстрагируется в нижерасположенные слои и частично заполняем образовавшиеся поры.
Освободившиеся междендритные объемы моста заполняются основным жидким металлом, содержание примесей в котором ниже по отношению к ранее находившемуся металлу в объеме моста. Происходит полное затвердевание моста. Ниже расположенные участки затвердевают с образование пор, частично заполненных ликватами. Таким образом, ниже моста образуется участок шнуровой ликвации с макро- и микропористостью, а выше - мост, обедненный ликватами, т,е. участок отрицательной ликвации Механизм образования участков V-обралной ликвации в непрерывнолитой заготовке аналогичен механизму образования этого вида ликвации в обычных слитках и может быть представлен следующим образом. При наличии развитой твердо-жидкого состояния осевые объемы металла, находящиеся в "смесеобразном11 состоянии, под действием усадки ниже расположенных слоев периодически перемешаются. Это приводит к конвективному перераспределению примесей и возникновению чередующихся обедненных и обогащенных ликватами слоев металла. Развитие V-образной и отрицательной ликвации мало зависит от осевой пористости. Развитие шнуровой ликвации усиливается с увеличением развития осевой пористости [6]. - ш Таким образом, на начальном этапе формирования осевой зоны непрерывнолитой заготовки усадочные раковины и поры, расположенные ниже мостов, являются причиной возникновения осевой ликвации. Затем участки, обогащенные ликватами, затвердевают изолированно с образованием макро- и ми кро пори стости.
Для условий непрерывной разливки стали справедливо допущение, что тип кристаллизации металла в основном контролируется тепловыми условиями в твердой и твердо-жидкой двухфазной зоне [7]. При этом рост столбчато-равноосных кристаллов является функцией градиента температуры G, скорости кристаллизации R и переохлаждения ДТ, Рост столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации обычно определяется химическим составом стали, перегревом металла в промежуточном ковше и эффективностью охлаждения слитка в зоне вторичного охлаждения. Диапазон ликвидус - солидус (AT) определяется химическим составом стали, а отношение G/R контролируется скоростью разливки металла л перегревом в промежуточном ковше. Кроме того, обнаружено, что отношение G/R эффективно контролируется перемешиванием вследствие усиления теплопередачи внутри твердо-жидкой области 8], Перемешиваемая жидкость обеспечивает обмывание и расплавление верхушек столбчатых дендриюв, которые впоследствии, действуя как зародыши кристалл ЕІШДШЇ, ограничивают рост столбчатых кристаллов. Степень развития осевой ликвации увеличивается с увеличением зоны столбчатых кристаллов, поскольку обогащенная растворенными примесями жидкость движется в направлении жидкого цешра заготовки 01 фронта кристаллизации. Вследствие этого V-образпая ликвация наблюдается вдоль направления вьпяшшшия заготовки из вы с око углерод истых сталей. Таким образом, оптимальной первичной литой структурой непрерывно литых заготовок является структура с ограниченной зоной транскристаллитов и максимальной зоной равноосных кристаллов. Такая структура литых заготовок обеспечивает рассредоточение усадочной пористости и ликвации в большом объеме затвердевающего металла в виде мелких пор и областей с незначительными следами ликвации.
