Содержание к диссертации
Введение
1 .Аналитический обзор литературы
1.1. Особенности кристаллизации непрерывно-литого металла
1.2. Основные дефекты непрерывного слитка
1.3. Теплоотвод от слитка в зоне вторичного охлаждения
1.4.,Выбор критерия оптимальности и определения методов моделирования температурного поля непрерывного слитка
1.5. Теория двухфазной зоны кристаллизующегося сплава и ее приложение к затвердеванию непрерывного слитка
І.б.Влияние химического состава на затвердевание и свойства металла
1.7.Выводы
2. Моделирование температурного поля слитка
2.1.Выбор метода решения
2.2. Разработка алгоритма расчета
2.3.Выводы
3. Исследование факторов, определяющих качество непрерывно литых заготовок
3.1 .Исследование технологических параметров непрерывной разливки
3.2. Исследование влияния химического состава металла на склонность к образованию поверхностных и внутренних дефектов
3.3.Разработка нового технологического режима разливки
3.4. Анализ существующих режимов вторичного охлаждения :
3.5.Выводы і
4. Разработка нового режима вторичного охлаэюдения У HP
4.1.Результаты расчетов
4.2. Корректировка нового режима вторичного охлаждения
4.3.Подтверждение результатов исследований
Выводы \ 105107 116 124 126
5. Выводы 128
6. Список использованной литературыі 131
- Основные дефекты непрерывного слитка
- Разработка алгоритма расчета
- Исследование влияния химического состава металла на склонность к образованию поверхностных и внутренних дефектов
- Корректировка нового режима вторичного охлаждения
Введение к работе
На сегодняшний день, при вступлении России в мировую экономику, нашим металлопроизводителям приходится вступать в серьезную борьбу за рынки сбыта с американскими, европейскими, корейскими и, японскими сталелитейными компаниями. В сложившейся ситуации, очень остро встает вопрос о повышении качества готового проката, и соответственно, непрерывно-литых слябов, являющихся основным сырьем для его производства. Одной из основных проблем, встречающихся при разливке металла на МНЛЗ радиально-криволинейного типа, является наличие трещин и ликвационных зон во внутренней структуре металла, а также на поверхности слябов. Неудовлетворительное качество макроструктуры и поверхности непрерывно-литых слябов приводит к получению трещин различного типа в прокатных цехах, при прокатке слябов с трещинами, и как следствие, к увеличению себестоимости готового проката. Помимо этого, из-за несовершенного контроля готовой продукции, часть дефектной продукции попадает к потребителю, что является недопустимым в сложных условиях конкуренции на рынке.
В данной работе сделана попытка выделить основные причины, приводящие к дефектам поверхности и макроструктуры непрерывно-литого металла, а также разработать основные рекомендации по совершенствованию технологии непрерывной разливки стали с целью минимизации количества дефектов непрерывнолитых слябов путем совершенствования режимов вторичного охлаждения на МНЛЗ радиально-криволинейного типа.
.
Основные дефекты непрерывного слитка
Исследованиями было установлено, что в непрерывном слитке практически отсутствует зональная ликвация, характерная для обычных слитков, отлитых в изложницы.
В непрерывных слитках различных профилей и сечений наблюдается осевая (локальная) ликвация, приобретающая в определенных условиях заметное развитие. Осевая ликвация обусловлена ликвационным обогащением внутренних зон примесями и усадкой осевой зоны при затвердевании в практически замкнутом по горизонтали объеме. В данном случае концентрационная сторона вопроса и вопрос физической неоднородности осевой зоны взаимосвязаны. Образование осевой ликвации в слитках малых и больших сечений, т.е. !в слитках с неразвитой и имеющей существенное развитие зоной твердо-жидкого состояния, происходит по-разному. На сортовых заготовках, особенно мелких сечений из высокоуглеродистой стали, в осевой зоне наряду с концентрированной пористостью наблюдается значительная неоднородность по содержанию углерода.
Химический анализ показывает, что в центральной части содержание углерода может быть на 0,1 — 0,3 % выше, а в зоне светлого кольца на 0,05—0,1 % ниже, чем в ковшовой пробе. Подобное явление получило название обратной ликвации. Можно предположить следующий механизм ее образования. По мере продвижения фронта затвердевания происходит монотонное обогащение ликватами внутренних зон. Развитые транскристаллиты могут служить проводниками для отвода теплоты кристаллизации от центральной части слитка, имеющей вид цилиндра с очень развитой поверхностью охлаждения и поэтому затвердевающей с высокой скоростью. Вследствие объемной недостаточности, образующейся в момент окончательного затвердевания осевой зоны, возможно отсасывание маточного раствора из прилегающих слоев, чем объясняется меньшее содержание примесей в них. Не исключено, что термодинамические условия затвердевания мелких сечений таковы, что отсасывание раствора, обогащенного примесями, из светлой кольцевой зоны происходит по двум направлениям: к центру и периферии. Этим можно объяснить наличие темного, обогащенного примесями кольца вокруг светлого. При развитой зоне двухфазного состояния затвердевание слитка носит иной характер. По мере роста оболочки затвердевшего металла жидкая часть маточного раствора с ликватами оттесняется к центру. Но в этом случае зона твердо-жидкого состояния получает существенное развитие и на определенном этапе рост столбчатых кристаллов прекращается. Ликваты оттесняются в зону равноосных кристаллов. В этой зоне температура металла близка к температуре кристаллизации, движение металла затруднено. Здесь происходит отсечение отдельных объемов с образованием рассредоточенной осевой пористости. В эти локализованные объемы, рассеянные по і всей центральной зоне равноосных кристаллитов, поступают ликваты. Следовательно, оттеснение ликватов от периферии к центру не может/пройти полностью, этот процесс затормаживается и частично прекращается в равноосной зоне, поэтому абсолютная величина ликвации в слитках большого сечения не будет больше, чем ликвация в мелком слитке. Как уже указывалось выше, для снижения осевой (локальной) химической неоднородности целесообразно проводить мероприятия, обеспечивающие расширение зоны твердо-жидкого состояния, т.е. снижать температуру разливаемого металла, уменьшать интенсивность вторичного охлаждения и увеличивать сечение отливаемого слитка, причем последнее является наиболее эффективным.
Интерес представляет также осевая химическая неоднородность листовой заготовки. Особенность затвердевания заключается в том, что осевая зона образуется вследствие встречи двух фронтов затвердевания, имеющих в первом приближении плоскую форму. Вследствие влияния технологических факторов местные неровности формирующихся твердых зон могут развиваться в разной степени, образуя к концу затвердевания более или менее концентрированную осевую зону. На цоперечных макротемплетах при глубоком травлении концентрированная осевая зона имеет вид прямой линии, соединяющей боковые зоны кристаллизационных треугольников. Ниже более подробно рассматриваются основные факторы, определяющие качество макроструктуры непрерывнолитого слитка, и методы физико-химического и теплофизического воздействия на жидкую фазу, позволяющие уменьшить развитие осевой пористости и осевой ликвации. Внутренние трещины t
Внутренние трещины появляются, если превышается критическое значение растягивающих напряжений на границе твердой и жидкой фаз. Это обусловлено наличием механических и температурных напряжений, а также напряжений, вызываемых фазовыми превращениями е металле. Почти все внутренние трещины образуются в интервале температур, соответствующих так называемой горячей хрупкости ниже температуры ролидуса. Чувствительность стали образованию трещин увеличивается при наличии легирующих компонентов, главным образом, хрома, а также при повышенном содержании таких элементов, как фосфор, сера, олово, медь, сурьма.
Очень чувствительны к образованию внутренних трещин ферритные стали, в „до время как аустенитные обладают значительно меньшей чувствительностью. Главным критерием, определяющим появление трещин, является отношение скоростей увеличения прочности и напряжений при формировании и охлаждении слитка. Поверхностные слои затвердевшей оболочки слитка в первый момент подвергаются усадке, пропорциональной перепаду температур и сжимают при этом внутренние слои. Деформация сжатия не вызывает нарушения сплошности металла. В наружных слоях, несмотря на то, что они переходят в область упругих деформаций, не будет образовываться заметных напряжений, так как их усадка практически не встречает сопротивления со стороны внутренних слоев, температура которых находится в области пластических деформаций.
Разработка алгоритма расчета
Для оценки эффективности предложений по улучшению качества слитка надо выбрать такую систему оценок, которая имела бы взаимосвязь с показателями качества слитка и в то же время могла быть достаточно легко описана математически. Во всех литературных источниках такая система была основана на какой-либо тепловой модели затвердевания.
В некоторых работах предложен ряд рекомендаций по улучшению физических характеристик слитка, основанных на большом количестве экспериментальных исследований:
Для сведения к минимуму термических напряжений предлагается поддерживать температуру поверхности в зоне вторичного охлаждения исходя из формулы: n n \ 2 L п-1 к A—Ї=Ї—Й—Й Vf и у— з» ДО -р а с а -Еъ где Тп - температура поверхности, С; Тк - температура кристаллизации, С; qo - тепловой поток в начальный момент затвердевания, Вт/м2; , qic - скрытая теплота кристаллизации, Дж/кг; # з р - плотность стали, кг/м ; а - коэффициент температуропроводности, м /с; А - коэффициент для зоны вторичного охлаждения; п - коэффициент для зоны вторичного охлаждения; К - константа затвердевания, м-с"0 5; , Рф - ферростатическое давление, Па; 1 - расстояние между опорными брусьями, м; Е - модуль упругости элементарного слоя оболочки слитка, Н/м ; а - коэффициент термического расширения, 1/С; , - толщина затвердевшей оболочки, м; Некоторые авторы предлагают задавать рациональный режим охлаждения исходя из формы жидкой лунки. Непрерывный слиток в процессе затвердевания имеет лунку большой глубины, достигающей несколько метров. В этих условиях на нижних горизонтах угол встречи поверхностей затвердевания, перемещающихся с противоположных сторон, оказывается довольно малым. Поскольку корочка металла ф довольно неравномерна по толщине, образуются мосты - перемычки, затрудняющие питание нижележащих участков жидким расплавом и в результате формируются участки осевой пористости. Для устранения этого явления необходимо соответствующим образом регулировать теплоотвод от слитка, добиваясь того, чтобы корочка достаточно длительное время оставалась тонкой, а затем затвердевала по возможности быстро.
В плоском слитке стали коэффициент теплоотдачи а в зоне вторичного щ охлаждения должен монотонно убывать по определенному закону. Лучшим считается такой режим, который обеспечивает наибольшую скорость затвердевания при максимально допустимых термических напряжениях. Кроме того, предполагается, что напряжения пропорциональны перепаду температуры и необходимо соблюдать условие равнопрочности по длине оболочки.
На основе нескольких источников [5, 6, 8, 10] были собраны рекомендации по улучшению режима охлаждения: /
1. умеренная интенсивность снижения температуры внешних поверхностей слитка, особенно на этапе формирования оболочки (для устранения поверхностных трещин);
2. уменьшение градиентов температуры по толщине оболочки (для предотвращения трещинообразования и искажения профиля слитка);
3. выравнивание скорости охлаждения в любом поперечном сечении оболочки (для предотвращения трещинообразования и искажения профиля слитка);
4. приблизительная прямолинейность распределения кривых температуры в продольном сечении затвердевшей части слитка и примерная эквидистантность этих кривых (для предотвращения трещинообразования и искажения профиля слитка);
5. не допу екание разогрева внешних поверхностей слитка на каком-либо участке (для предотвращения трещинообразования и искажения профиля слитка);
6. Обеспечение такой интенсивности охлаждения слитка в районе окончания затвердевания, при которой получается плотная без пористости осевая зона и не возникают осевые трещины;
7. постоянство температуры по периметру любого поперечного сечения слитка (для предотвращения искажения профиля слитка и уменьшения таких дефектов, как осевые трещины и осевая пористость);
Исследование влияния химического состава металла на склонность к образованию поверхностных и внутренних дефектов
Разливка металла на повышенных скоростях (при прочих равных условиях) приводит к снижению теплоотвода от поверхности слитка, а, следовательно, и к уменьшению толщины образующейся корочки, а значит и к снижению ее прочности.
Возникновение поверхностных сетчатых трещин обусловлено наличием дополнительных термических напряжений, связанных с большими перегревами жидкого металла над температурой ликвидус, а также с неудовлетворительным теплоотводом в зоне вторичного охлаждения слитка (попеременное охлаждение и разогрев поверхности разливаемого слитка).
Таким образом, можно констатировать, что для получения правильной количественной оценки степени влияния технологических параметров непрерывной разливки на количество гнездообразных и сетчатых трещин необходимо контролировать температурно-скоростной режим разливки и состояние роликовой проводки МНЛЗ.
Окончательная кристаллизация непрерывного слитка происходит в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, параметры которой рассчитываются таким образом, чтобы слиток выходил из этой зоны на участок резки слябов уже полностью закристаллизовавшимся. Теплоотвод в зоне вторичного охлаждения при условии постоянства скорости разливки может регулироваться только интенсивностью вторичного охлаждения, т. е. количеством охлаждающего агента на единицу площади в единицу времени. На большинстве машин непрерывного литья в последнее время в качестве охлаждающего агента используется водо-воздушная смесь. Таким образом, меняя расход водо-воздушной смеси на поверхность слитка, можно изменять условия теплоотвода от слитка, и тем самым менять условия кристаллизации, которые определяют конечное качество непрерывно-литой заготовки. Для того, чтобы правильно оценить реальный теплоотвод от слитка на действующей МНЛЗ, и в случае необходимости скорректировать режим вторичного охлаждения, необходимо определить реальную температуру на его поверхности. Для этой цели было принято решение установить пирометры в двух местах ЗВО в конце радиального и криволинейного участков. Места установки соответствуют зонам наибольших механических напряжений.
Таким образом, была разработана методика проведения активного эксперимента для сбора информации об изменении основных технологических параметрах непрерывной разливки стали (температуры металла в промежуточном ковше, скорости разливки, расходов воды во всех зонах вторичного охлаждения) и контроля фактической температуры поверхности разливаемого слитка. Наряду с этим осуществлялся контроль за состоянием роликовой проводки УНРС (соблюдение технологического клина по длине поддерживающей системы) и систем вторичного охлаждения (количество работающих форсунок и качество распыла факела форсунки), с помощью специальной измерительной затравки фирмы «Сарклад».
Активный эксперимент проводили на УНРС № 1. На 2-м ручье УНРС № 1 были установлены оптические пирометры фирмы «Райтек» (точность измерения температуры поверхности этих пирометров составляет +5 градусов). Первый пирометр располагался на расстоянии 11,4 метра от мениска металла в кристаллизаторе в зоне разгиба слитка (между 4-ой пятироликовой секцией и 1-ой двухроликовой секцией), а второй пирометр располагался на расстоянии 20,02 метра от мениска металла в кристаллизаторе на горизонтальном участке в конце зоны вторичного охлаждения.
В результате эксперимента был собран массив, состоящий из 56 плавок, который был взят за основу для дальнейшей работы по выявлению основных факторов, оказывающих влияние на появление поверхностных и внутренних дефектов, а также для изучения работы систем вторичного охлаждения МНЛЗ конвертерного производства.
Структура собранного информационной массива содержит 27 технологических параметров непрерывной разливки и 24 параметра состояния оборудования (структура приведена в приложении).
Корректировка нового режима вторичного охлаждения
Разливаемые в период проведения эксперимента марки стали: S1006, St37, 08ПС, ЗСП, 20СП, 22ГЮ. Полученные результатам, позволяют сделать несколько важных выводов об эффективности уточненного режима вторичного охлаждения на качество поверхности и макроструктуры непрерывно литых заготовок: (
1. Количество поверхностных трещин сократилось на 259% (в 2,6 раза) по сравнению со слябами, при разливке которых использовался прежний режим вторичного охлаждения, т. е. разлитых на ручье № 1.
2. Средний уровень внутренних трещин (осевые, перпендикулярные граням, гнездообразные) сократился в среднем на 0,5 балла).
3. Уточненный режим вторичного охлаждения (снижение расходов воды в 8 и 9 зонах) позволяет максимально приблизить фактическую температуру поверхности слитка к расчетным значениям для данной группы металла.
Как подтверждают результаты исследований, выполненных в настоящей работе, вопрос улучшения качества непрерывно-литых заготовок является комплексным. А именно, сочетание управления композиционным составом стали и режимами вторичного охлаждения слитка.
Для оценки эффективности всего комплекса предложений, выдвинутых в этой работе, было исследовано качество стали 06ГФБАА, разлитой с - применением разработанного режима вторичного охлаждения. Поскольку по содержанию вредных примесей (табл. 24) эта сталь принадлежит к группе с низкой потенциальной вероятностью образования трещин, то уровень дефектов на поверхности металла предположительно должен быть ниже обычного уровня. ,
Таким образом, полученные результаты, позволяют нам сделать вывод о правильности предположений, выдвинутых в настоящей работе. Т.е. вопрос І управления качеством непрерывно-литой заготовки является комплексным и максимальных результатов в данном вопросе можно достичь только в случае управления режимами вторичного охлаждения МНЛЗ и содержанием примесей в готовом металле.
1. Результаты контроля качества непрерывно литых слябов, разлитых с применением нового режима вторичного охлаждения, рассчитанном на основании модели изменения температурного поля слитка, позволяют нам говорить о максимальном приближении данной зависимости к оптимальному варианту. Однако нельзя утверждать, что в работе было найдено оптимальное решение, так как в работе не проверялись теоретические вопросы оптимизации (существование, единственность и устойчивость).
2. По данным о фактическом измерении температуры поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ показана необходимость применения разных значений экспериментального коэффициента В, используемого в зависимости плотности орошения слитка от коэффициента теплоотдачи для последних зон вторичного охлаждения. Показана необходимость увеличения значения экспериментального коэффициента В от 40 до 42,3 к концу зоны вторичного охлаждения. Сделан уточненный расчет расходов воды в последних зонах вторичного охлаждения МНЛЗ по предлагаемому коэффициенту В. j
3. Результаты контроль качества слябов подтверждают правильность корректировки утоненного режима вторичного охлаждения. Количество поверхностных трещин в результате применения уточненного режима сократилось в 2,7 раза по сравнению с прежними режимами вторичного
охлаждения. Средний уровень внутренних трещин (осевые, перпендикулярные граням и гнездообразные) снизился на 0,5 балла. 4. В результате проведения эксперимента по изучению нового режима вторичного охлаждению было отмечено положительное влияние этого режима на работу форсунок вторичного охлаждения. В результате наблюдения за работой форсунок была отмечена их стабильная работа на всех скоростях разливки. Форсунки давали постоянный хорошо организованный факел. В то время как на прежних режимах (особенно на мягком режиме вторичного охлаждения) отмечалась не стабильная работа форсунок водо-воздушного охлаждения, т. е. форсунка работала с перебоями. Такое явление возникало, в следствие, низких расходов воды в нижних зонах ЗВО, когда воды идущей на зону не хватало на все форсунки (вода постоянно перераспределялась по форсункам). А увеличение расхода воды на новых режимах позволило убрать данное явление и повысить эффективность работы вторичного охлаждения.
