Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ современного состояния электромагнитного перемешивания при разливке высокоуглеродистых марок стали на блюмовых и сортовых машинах непрерывного литья заготовок 7
1.1. Состояние проблемы и задачи исследования причин образования и способов устранения основных дефектов поверхности и макроструктуры заготовок из высокоуглеродистых марок стали, отливаемых на блюмовых и сортовых машин непрерывного литья заготовок 7
1.2. Схема кристаллизации непрерывнолитого слитка 13
1.3. Макроликвация и центральная пористость 17
1.4. Неметаллические включения 22
1.5. Трещины 24
1.6. Влияние электромагнитного перемешивания на ход структурообразования 26
1.7. Постановка задачи 38
Выводы к главе 1 40
Глава II Моделирование процесса кристаллизации непрерывного слитка в бегущем магнитном поле 41
2.1. Динамика циркуляции жидкого ядра кристаллизующегося непрерывного слитка в бегущем поле статора 41
2.2. Кинетика кристаллизации стальных блюмов при электромагнитном перемешивании 52
Выводы по главе II 61
Глава III Исследования на промышленной машине непрерывного литья заготовок Оскольского электрометаллургического комбината 63
3.1. Оборудование и организация экспериментов 66
3.2. Исследование качества непрерывнолитых блюмов и проката 81
Выводы по главе III 109
Глава IV Исследования на промышленной машине непрерывного литья заготовок Молдавского металлургического завода 113
4.1. Оборудование и организация экспериментов 113
4.2. Исследование качества непрерывнолитых сортовых заготовок и проката 122
Выводы по главе IV 149
Глава V Технико-экономический эффект эксплуатации системы «кристаллизатор-электромагнитный перемешиватель» в условиях Молдавского металлургического завода 151
Общие выводы и результаты 154
Литература 156
Приложения 172
- Схема кристаллизации непрерывнолитого слитка
- Кинетика кристаллизации стальных блюмов при электромагнитном перемешивании
- Исследование качества непрерывнолитых блюмов и проката
- Исследование качества непрерывнолитых сортовых заготовок и проката
Введение к работе
Процесс непрерывного литья заготовок, бесспорно, является одним из крупнейших технологических достижений, позволивших вплотную подойти к практической реализации важнейшей задачи - получению металлопродукции за один рабочий цикл [1]. Технология непрерывного литья, несмотря на ее сравнительную молодость, относится к разряду классических и в настоящее время составляет основу производства на переделе «сталь-прокат». При этом непрерывное литье является уникальной технологией, которая стала необходимой для комбинатов полного цикла и прекрасно вписалась в технологические цепочки передельных мини-заводов. В 2003г. в России было произведено 62,7 млн. т стали, на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) разливалось 57,7% от общего количества произведенной стали. Для сравнения в 2001г. на МНЛЗ было разлито 30 млн. т или 50,9%, а в 1990г. - 20,7 млн. т или 23,1% [2, 3]. Как свидетельствует мировая практика непрерывного литья, доля блюмовых МНЛЗ обычно составляет 26...30%, а сортовых - 43...47% [4]. Такая структура сложилась, главным образом, за счет опережающего развития мини-заводов, ориентированных на производство сортового проката, что отражает потребности современного рынка металлопродукции [4].
Преимущества непрерывного литья могут быть наиболее полно реализованы при наличии широкого сортамента изделий, получаемых из непрерывных заготовок. Обзор отечественных и зарубежных литературных данных показывает, что в настоящее время перечень изделий, получаемых из непрерывнолитых заготовок (НЛЗ), достаточно представителен. Из НЛЗ производят как массовую прокатную продукцию в виде арматуры, проволоки и мелкого строительного профиля, так и качественные специальные виды проката: холоднокатаный прокат для машиностроения, кордовую, пружинную и канатную проволоку, подшипниковую сталь и др.
Качество НЛЗ зависит от технологических параметров литья, конструктивных особенностей оборудования. Однако есть дефекты макроструктуры непрерывнолитых заготовок, связанные с процессом кристаллизации, усадочными и ликвационными процессами, которые не могут быть устранены даже при рациональных конструктивных параметрах оборудования и технологических условиях разливки. Так, например, в процессе кристаллизации высокоуглеродистых сталей, в частности подшипниковой, пружинной, канатной и стали для металлокорда, имеющих широкий температурный интервал кристаллизации и, соответственно, протяжённую двухфазную зону, в НЛЗ образуется повышенная осевая ликвация, которая не устраняется в процессе горячей деформации и выявляется в прокате в виде подусадочной ликвации. Очевидно, что для получения высококачественной макроструктуры проката из непрерывнолитых заготовок высокоуглеродистых и других марок стали необходимо активное вмешательство в процесс кристаллизации непрерывного слитка непосредственно по ходу разливки с гарантированной возможностью управления процессом структурообразования. Возможность предотвращения образования или подавления развития кристаллизационных, усадочных и ликвационных дефектов многие исследователи связывают с созданием управляемого принудительного движения жидкой фазы кристаллизующегося слитка, в частности, с помощью электромагнитных сил. В этом случае исключается необходимость непосредственного контакта с жидким металлом и появляется возможность автоматического управления процессом структурообразования по всей длине жидкой лунки.
Учитывая особенности кристаллизации блюмовых и сортовых заготовок, сложный марочный сортамент отливаемых сталей и высокие требования, предъявляемые к качеству макроструктуры, во ВНИИМЕТМАШ, с непосредственным участием автора диссертации, было разработано оборудование с устройствами электромагнитного перемешивания (ЭМП).
Для блюмовых МНЛЗ оборудование было разработано на трех уровнях: в кристаллизаторе, зоне вторичного охлаждения и зоне окончания затвердевания, а для сортовых МНЛЗ на одном уровне - в кристаллизаторе.
В настоящей работе рассматриваются результаты применения в 1986...2001 годах оборудования МНЛЗ с устройствами ЭМП при разливке высокоуглеродистых сталей на промышленных МНЛЗ Оскольского электрометаллургического комбината и Молдавского металлургического завода.
После проведения теоретических и экспериментальных исследований, с
непосредственным участием автора диссертации, была разработана
технология непрерывного литья блюмовых и сортовых заготовок из
высокоуглеродистых марок стали, в частности для производства
подшипников, пружин, канатов и металлокорда, с применением ЭМП.
По результатам работы блюмовая МНЛЗ Оскольского электрометаллургического комбината и сортовая МНЛЗ Молдавского металлургического завода оснащены промышленными системами ЭМП.
Схема кристаллизации непрерывнолитого слитка
Технология непрерывной разливки блюмовых и сортовых заготовок имеет определённую особенность по сравнению с разливкой в слитки, вызванную относительно высокими скоростями вытягивания, более интенсивным охлаждением и снижением времени затвердевания слитка в несколько раз. Это приводит к развитию двухфазной зоны, возрастанию скоростей роста твёрдой фазы, и, соответственно, к другим условиям формирования НЛЗ, особенно её осевой зоны.
Непрерывно литой слиток, так же как и слиток, разливаемый в изложницу, кристаллизуется по следующей схеме (рис. 1.2). При первом соприкосновении со стенками кристаллизатора в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. Это приводит к формированию поверхностной твёрдой корочки (1), состоящей из мелких дезориентированных кристаллов и имеющей мелкозернистое строение. После образования корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, повышения температуры стенки и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, снижается степень переохлаждения стали. Так как в направлении отвода тепла кристалл растёт быстрее, чем в другом направлении (2), из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы (3). Столбчатые кристаллы (транскристаллиты) состоят из центрального утолщенного стержня, от которого отходят более тонкие "ветки" второго порядка, а на последних формируются "ветки" третьего порядка и т.д. В зоне транскристаллизации металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей.
Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью и являются сосредоточием неметаллических включений, ликвирующих элементов, "ловушками" для газов и т.п. Величина скоплений неметаллических включений и ликватов тесно связана с размером дендритной ячейки, т.е. пространством между соседними ветвями дендритов (межосньтми промежутками). Чем больше межосные промежутки, тем, как правило, более крупными оказываются скопления ликватов и неметаллических включений в полностью затвердевшем слитке. Между тем, именно такие скопления оказываются ответственными за возникновение в прокате дефекта типа «расслой» [13]. Степень развития столбчатых кристаллов будет зависеть главным образом от химического состава металла, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки и температуры стенок кристаллизатора. Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образования больших или меньших градиентов температур внутри объёма кристаллизующейся стали. Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствует увеличению доли столбчатых кристаллов и может привести к полной транскристаллизации [9]. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравняться в различных точках, и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных её точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями — ветвями по различным направлениям, встречаясь, друг с другом (4). В результате этого процесса образуется зона равноосных кристаллов (5). Обычно зародышами кристаллов здесь являются различные мельчайшие включения, не растворившиеся и присутствующие в жидком металле или случайно в неё попавшие. Соотношение объемов слитка, занятых зонами столбчатых и равноосных кристаллов, является важным показателем так называемой макроструктуры слитка. Это связано с тем обстоятельством, что на границе указанных зон нередко развиваются дефекты ликвационно-усадочного происхождения.
Такая конфигурация жидкого ядра слитка, в сочетании со склонностью к столбчатым формам роста кристаллов, предопределяет возникновение характерных ликвационных дефектов вдоль средней полости (оси) слитка. Когда температура перегрева высокая, затвердевание НЛЗ происходит по так называемой модели «мини-слитка». Растущие навстречу друг другу участки фронта кристаллизации слитка к концу процесса затвердевания сходятся под очень малым углом. Так как толщина твёрдой корки неравномерна как по периметру, так и по высоте слитка, то жидкое ядро в нескольких местах перекрывается так называемыми «мостами», затрудняющими питание нижележащих объемов жидкой сердцевины расплавом для восполнения усадки. В районе образования «моста», вызванного усадкой, скорость перемещения жидкого металла относительно твёрдожидкой фазы, резко увеличивается, что приводит к интенсификации процесса конвективной диффузии примесей [14, 15]. В результате в головной части этого «мини-слитка» образуется зона с повышенным содержанием примесей. Усадка при затвердевании способствует образованию усадочной раковины (6), для заполнения которой уже не хватает жидкого металла.
Кинетика кристаллизации стальных блюмов при электромагнитном перемешивании
Задачу затвердевания на радиальном участке машины непрерывного литья заготовок с радиусом R решали в координатах (г, ср, у) (рис.2.8). Величина ср определяет длину слитка, г — толщину, у - ширину. На горизонтальном участке использовали декартовы координаты (х, у, ). С учетом симметрии рассматривали половину слитка: 0 у а, где а - его полуширина. На боковых поверхностях слитка на радиальном участке со стороны малого (r=Ri) и большого радиуса {r=R ) закругления, на верхней и нижней поверхностях слитка на горизонтальном участке и при у=а Изменение во времени скорости перемешивания жидкого ядра блюма при включении индуктора (о т 2с) и реверсировании в момент т = 2с его бегущего поля: 1 - модуль максимальной скорости; 2 - скорость в точке а у фронта затвердевания теплообмен определяется законом Ньютона. Поэтому здесь ставятся граничные условия третьего рода. На мениске металла (ф = 0) задается температура заливаемого металла Т0, равная сумме температур ликвидуса TL и перегрева Ти- Анализ производили с использованием теории квазиравновесной двухфазной зоны [134]. При существующих скоростях вытягивания слитка кондуктивным переносом тепла по ф, z можно пренебречь по сравнению с конвективным теплопереносом. Задачу решали для условий стационарного процесса литья. Поэтому можно считать, что температурное поле не зависит от времени [135].
Применение электромагнитного перемешивания приводит к возникновению принудительного движения расплава в продольном и поперечном направлениях. При непрерывном литье глубина жидкой фазы слитка Hi (рис.2.8) много больше толщины слитка, поэтому поперечными потоками можно пренебречь по сравнению с продольными. Наиболее существенно влияние ЭМП на кондуктивный перенос тепла, поскольку турбулезация движения расплава вызывает существенное увеличение коэффициента теплопроводности жидкого металла: Здесь XL, /is коэффициент теплопроводности жидкого и твёрдого металла, со — числовой коэффициент, ZHi, ZH2 — продольные координаты верхних концов верхнего и нижнего индукторов, Zja, ZK2 - продольные координаты нижних концов верхнего и нижнего индукторов. Большой интерес представляет влияние электромагнитного перемешивания на глубину жидкой фазы HL, границу выливаемости Нв , глубину лунки Hs и осевую протяженность двухфазной зоны АН = Hs - HL (рис. 2.8) от которых зависит образование таких дефектов макроструктуры как осевая ликвация и центральная пористость, а также место расположения индукторов по технологической оси МНЛЗ и количество зон перемешивания. Величины HL, Нв, Н$ определяются расстоянием от мениска металла в кристаллизаторе вдоль оси слитка до точек ее пересечения с соответствующими изотермическими поверхностями ликвидуса, выливаемости (сечение жидкой фазы S=0,4) и окончания затвердевания. Из рис. 2.9 видно, что величины HL, Нв, и 7 максимальны при отключенных индукторах и уменьшаются по мере их включения, при этом они минимальны, когда включены оба статора, что обусловлено усилением теплоотвода при ЭМП.
При этом наиболее существенно влияние на положение изотермы ликвидус HL и границы выливаемости Нв, причём, чем ближе верхний индуктор к мениску жидкого металла, тем больше это влияние. Действие ЭМП наглядно представлено на рис.2.10, где показаны распределения фаз в различных сечениях по высоте слитка. Видно, что электромагнитное перемешивание заметно ускоряет процесс кристаллизации слитков. Сужение области твердой фазы вблизи углов связано с неравномерным охлаждением по периметру слитка. Размеры структурных зон в слитке существенно зависят от состояния и положения индукторов. Как видно на рис.2.11, при включении обоих индукторов вследствие усиления теплоотвода и уменьшения температурных градиентов центральная зона равноосных кристаллов увеличивается, а зона транскристаллитов убывает, при этом
Исследование качества непрерывнолитых блюмов и проката
Для сравнительной оценки качества стали, разлитой по действующей на ОЭМК технологии и с применением различных систем ЭМП, использовали следующие методы исследований: оценка дефектов макроструктуры по ОСТ-14-4-73 и ГОСТ 10243-75, определение протяженности структурных зон, степени развития столбчатых кристаллов, количества и размеров пор, количества и размеров растравов (по неметаллическим включениям); химический и газовый анализ для изучения равномерности распределения элементов по сечению литого и катаного металла, оценки чистоты металла по содержанию кислорода; оценка загрязненности макровключениями методом "синеломкости"; металлографический анализ для оценки неметаллических включений по методике ГОСТ 801-78 (по максимальному баллу): определение относительной загрязненности металла включениями разных видов как в целом по плавкам (ручьям), так и по зонам образцов (от поверхности к центру); аналогичный подход был применен при исследовании карбидной ликвации, структурной полосчатости и микропористости; микрорентгеноспектральный анализ (на приборе "КамеЬах") для изучения состава включений, выявленных как в изломах, так и на микрошлифах.
На первом этапе работы были опробованы режимы в диапазоне фазного тока верхнего статора 5,0...11,0 кА, величина фазного тока нижнего статора на всех разливках была максимальной —11,0 кА. Скорость литья составляла 0,5...0,6 м/мин. Анализ качества макроструктуры опытных и контрольных темплетов показывает, что применение системы ЭМП только на верхнем уровне позволяет несколько снизить степень осевой ликвации, но это снижение недостаточно для получения рассредоточенной пористости и ликвации. Это связано с вторичным ростом столбчатых кристаллов после ;, прохождения слитком зоны перемешивания, которое приводит к образованию мостов.
Электромагнитное перемешивание только на нижнем уровне неприводит к заметному изменению макроструктуры непрерывнолитых I блюмов, так как формирование зоны столбчатых кристаллов к моменту входа слитка в зону перемешивания на нижнем уровне практически заканчивается.
Наиболее благоприятные результаты были достигнуты при перемешивании на двух уровнях. Такая схема ЭМП позволила получить макроструктуру непрерывнолитых блюмов из стали ШХ-15, в которой рост столбчатых кристаллов ограничен в зоне верхнего статора толщиной корки, практически отсутствуют "мосты", а пористость и ликвация рассредоточены в объеме, соответствующем жидкой фазе к началу перемешивания. Как видно на рис.3.9, увеличение фазного тока верхнего индуктора от 5 кА до 7...8 кА приводит к уменьшению балла осевой рыхлости и осевой химической неоднородности, дальнейшее увеличение фазного тока до 9 кА и выше ведет к снижению эффекта, что объясняется, вероятно, сильным размыванием корки слитка. Следует отметить, что повышение фазного тока Рис. 3.9 Зависимость осевой химической неоднородности и осевой рыхлости непрерывнолитых блюмов из стали ШХ-15 от тока фазы верхнего индуктора (ток фазы нижнего индуктора на всех плавках составляет 11,0 кА) во всем исследованном диапазоне приводит к увеличению яркости "светлой полосы".
Поскольку образование "светлой полосы" при ЭМП оказывает существенное влияние на выбор параметров перемешивания, было уделено особое внимание изучению ее природы и механизма образования. Как было замечено выше, яркость "светлой полосы" зависит от интенсивности перемешивания, т.е. определяется скоростью расплава на границе твердой и жидкой фаз. Исследование распределения химических элементов по сечению непрерывнолитых блюмов (рис.3.10) показало, что зона "светлой полосы" обеднена на 5...10% элементами, склонными к ликвации, такими как С, S, Р, Сг, Мп. При этом не удалось обнаружить связь между интенсивностью перемешивания и содержанием элементов в "светлой полосе". По нашему мнению анализ полученных результатов позволяет предположить, что механизм образования "светлой полосы" носит сложный характер и включает не только вымывание маточного раствора из межосных промежутков, как указано в работе [136], так и сплавление осей кристаллов под действием потоков расплава. Такая структура имеет большую плотность по сравнению с обычной дендритной структурой и, как следствие, меньшую травимость на темплетах.
Для уменьшения яркости "светлой полосы" применяли реверсирование направления электромагнитного поля. Исследовали частоту реверсирования в диапазоне 0,16...5,0 Гц. Увеличение частоты реверсирования от 0,16 Гц до 0,57 Гц приводит к снижению яркости "светлой полосы", однако при этом снижается и положительное влияние ЭМП на осевую ликвацию. При частоте реверсирования равной 5,0 Гц металлургический эффект от ЭМП практически отсутствует. Оптимальная величина частоты реверсирования зависит от величины фазного тока статора и для исследованного диапазона токов составляет 0,25...0,5 Гц.
Исследование качества непрерывнолитых сортовых заготовок и проката
Для сравнительной оценки качества сортовых НЛЗ и проката, изготовленных по действующей на Молдавском металлургическом заводе технологии, и с применением кристаллизаторов с ЭМП, использовали следующие методики исследований: - отбор поперечных и продольных темплетов от заготовок разлитых с применением кристаллизаторов с ЭМП и по традиционной технологии; - выявление макроструктуры способом снятия серного отпечатка и методом глубокого травления; - выявление поверхности методом глубокого травления; - оценка дефектов поверхности и макроструктуры заготовок по ОСТ-14-4-72 и ОСТ-14-1-235-91, а также определение протяжённости структурных зон, количества и размеров пор, количества и размеров растравов (по неметаллическим включениям); - оценка дефектов микроструктуры катанки по ГОСТ 8233-56, ГОСТ 5640-68, ГОСТ 5639-82 и ГОСТ 10243-75. - химический анализ ликвации углерода в заготовке (на анализаторе «Штроляйн») для изучения равномерности распределения углерода по сечению литого металла; - металлографический анализ катанки по ДСТУ 3683-98.
В процессе работы по первому этапу были исследованы 64 поперечных и 32 продольных темплета, а таюке 32 «горбушки». Кроме того, вели визуальное наблюдение за мениском. Только при фазном токе 140А стало заметно движение мениска, причём при частоте питающего напряжения 7 Гц движение было интенсивнее. Однако вращательное движение было нестабильно. Очевидно, это связано с тем, что восходящие потоки от струи металла нарушают стабильное вращательное движение на мениске. Для подавления восходящих потоков от струи металла было необходимо увеличить интенсивность перемешивания за счёт повышения фазного тока. Сравнительный анализ результатов оценки качества поверхности и макроструктуры непрерывнолитых заготовок показал, что при режимах перемешивания /ф=80 А и f=5 Гц, а также 7 =100 А и f=3 Гц улучшения качества НЛЗ не установлено. Это корреспондирует с оценкой визуального наблюдения за мениском. Улучшение качества поверхности и подповерхностного слоя заготовок, а также макроструктуры установлено при режиме перемешивания 7 =140 A и/=7 Гц. Результаты металлографических исследований показали, что при использовании кристаллизаторов с ЭМП улучшаются все показатели, определяющие качество непрерывнолитых заготовок [137, 138] (рис.4.4...4.6), что хорошо корреспондирует с данными, приведёнными в статьях [140... 142]. Так, средний балл осевой рыхлости по оценке поперечных темплетов снизился с балла 2,5 до 1,5, при значительно меньшем разбросе значений; в серийном металле, осевая рыхлость колеблется в диапазоне 0,5...4,0 балла, в то время как в опытном металле с ЭМП эти показатели находятся в пределах 0...2,5 балла. Это хорошо сочетается с характером макроструктуры продольных темплетов (рис.4.7). На продольных темплетах заготовок без ЭМП явно выражена шнуровая ликвация в осевой зоне, видны следы «мини-слитков». В заготовках с ЭМП осевая зона по всей длине темплета более плотная, отсутствуют усадочные раковины, шнуровая ликвация преобразуется в намечающуюся V-образную ликвацию. Это характерно для металла, отлитого с низким перегревом.
Для определения влияния ЭМП на качество проката были разлиты 19 плавок стали марки Зсп при режимах перемешивания 7,/=160...200 А и f=n Гц. Опытная партия была прокатана на блоке в проволоку диаметром 6 мм. Средний выход проволоки класса "П" из заготовок с ЭМП составил 92,2%. Из 8 плавок без пузыря, отлитых на режиме 7,/=200 А и f=l Гц, на 7 плавках выход проволоки класса "П" составил 100%. Средний выход проволоки класса "П" на этом режиме составил 99,5%. Из 8 плавок, отлитых на режиме / =160...170 А и/=7 Гц, на четырех плавках выход проволоки класса "П" составил 100%. Средний выход проволоки класса "П" на этом режиме -96%. Средний выход проволоки класса "П" на серийном металле этих же плавок составил 77,5%. Наиболее показательны результаты оценки качества проволоки из заготовок плавок № 12093, 20109 и 12955, на которых перед прокаткой был выявлен подкорковый пузырь. Три плавки, не назначенные на прокатку на блоке из-за большого подкоркового пузыря, по договоренности с производственным отделом завода, в качестве эксперимента были прокатаны на проволоку. По результатам проведённых экспериментов получены следующие результаты: серийный металл плавок № 12093 и 20109 оценён классом «У», в то время как опытный с ЭМП имеет соответственно 38,7% и 86,6 % проволоки класса «П». Проволока из контрольных НЛЗ плавки № 12955 оценена классом «А-1» и 2 сортом, а заготовки с ЭМП имеют 64 % проволоки класса «П».
В условиях ЦЗЛ ММЗ были проведены металлографические исследования арматурной термоупрочнённой на класс AT-IV стали марки 28С и катанки стали Ст 3 сп, полученных из опытных с ЭМП и серийных НЛЗ. Среднее количество дефектов в арматуре из заготовок с применением системы «кристаллизатор-электромагнитный перемешиватель» - 2 шт., в серийном металле - 5 шт. По данным ЦЗЛ завода, по своей природе дефекты поверхности катанки и арматуры являются раскатанными загрязнениями. Максимальная глубина залегания дефектов (рис.4.8) составила:
