CC BY
8
УДК 621.746.628
МакуровС. Л.
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДВУХСЛОЙНЫХ СЛИТКОВ
Большим резервом, экономии дорогостоящих легированных сталей является применение двухслойных изделий, в которых сочетается прочность углеродистой или низколегированной стали со специальными свойствами плакирующих металлов, например, коррозионной стойкостью. В этом случае экономия нержавеющей стали составляет не менее 70 %, а стоимость двухслойных листов ниже монометаллических на 30-60 % [1].
Целью работы явилось улучшение качества двухслойных слитков, получаемых с применением электрошлакового обогрева (ЭШО), путем создания условий для равномерного нагрева и корректировки процесса кристаллизации плакирующего слоя.
Для решения этих задач провели исследование теплофизических процессов при производстве горизонтальных слитков ЭШО методами математического моделирования и экспериментальным путем.
Процесс теплопередачи при формировании биметаллического листового слитка ЭШО описывали уравнением:
где Т - температура;
1 - время;
г - координата, отсчитываемая от поддона;
Н=Н(Т) - энтальпия;
Л=Я (Т, г) - коэффициент теплопроводности;
. Г - плотность джоулевых источников тепла.
Для удобства решения уравнение преобразовали к виду:
<2>
Сзф - эффективная теплоемкость, учитывающая агрегатные превращения в системе:
Сж, Т, >Т,Ь (жидкое состояние) Сэф= Сж.т, Т,5 <Т, <Т;Ь (двухфазная зона) (3)
Ст, Т, <Т18 (твердое состояние)
Здесь Сж, Сж_т, Ст - теплоемкости металла соответственно в жидком, двухфазном и твердом состояниях. '
Уравнение (2) после преобразования к конечно-разностному виду решали на ЭВМ при граничных условиях третьего рода [2]. Отличие разработанной модели от известных [3,4] состоит во введении в программу расчета экспериментальных данных: изменения энтальпии стали и температуры жидкого шлака. Это позволило не только увеличить точность вычислений температуры в различных точках заготовки, но и значительно упростить математическую фор-
мулировку задачи путем исключения рада формальных допущений. Изменение энтальпии стали 09Г2С и 08Х18Н10Т определяли на установке динамической калориметрии [5], температуру жидкого шлака измеряли на опытных плавках с использованием малоинерционных термопар, защищенных наконечниками из нитрида бора Г[о отлаженной программе провели серию расчетов температурного поля матрицы при различной интенсивности электрошлакового обогрева Установлено, что с увеличением удельной мощности обогрева существенно увеличивается скорость нагрева заготовки и уменьшается время достижения подплавления матрицы. Температурой подплавления заготовки из стали 09Г2С считали 1500 °С [6]. Согласно расчетам время подплавления поверхности матрицы при увеличении удельной мощности обогрева с 0,8 до 1,2 МВт/м2 должно сокращаться почти в два раза (с 135 до 75 мин).
Таким образом, математическим моделированием установлено, что прогрев заготовки рационально вести с высокой интенсивностью обогрева шлака. Однако, увеличение удельной мощности обогрева свыше 1,2 - 1,3 МВт/м2 для исследуемого процесса является нерациональным, так как сокращается срок службы графитовых электродов и увеличивается интенсивность испарения фтористых соединений из шлака.
Кристаллизация биметаллического слитка, получаемого путем заливки жидкого металла на плиту с дальнейшим электрошлаковым обогревом, имеет специфические особенности. На рис. 1 приведены результаты расчета на ЭВМ температуры обогреваемой поверхности матрицы и расчетные кинетические кривые кристаллизации плакирующего слоя, полученные при различных режимах обогрева шлака Удельная мощность обогрева до заливки металла плакирующего слоя составляла 1,2 МВт/м2
Рис. 1-Изменение температуры обогреваемой поверхности матрицы (а) и кинетические кривые кристаллизации плакирующго слоя (б) по данным расчета на ЭВМ. Цифры у кривых соответствуют удельной мощности ЭШО, МВт/м2: 1 -1,2 ; 2 - 0,9; 3 - 0,6; 4 - 0,3; 5 - без обогрева.
Приведенные данные показывают, что расплавление гарйисажа происходит через 1700-2000 с при удельной мощности обогрева 1,2 МВт/м2 (первый перегиб сплошной кривой на
рис. 1а), а подплавление матрицы достигается через 2600 с после начала процесса В дальнейшем в зависимости от удельной мощности обогрева в процессе кристаллизации плакирующего слоя температура поверхности матрицы может увеличиваться, уменьшаться или поддерживать-
ся примерно на постоянном уровне. Интенсивней обогрев шлак^ с удельной мощностью ЭШО свыше 0,6 МВт/м2 может привести к значительному торможению процесса кристаллизации,
развитию двухфазной зоны и даже к плавлению плакирующего слоя. Отключение обогрева (кривая 5) или недостаточно интенсивный обогрев шлака (кривая 4) приводит к быстрому снижению температуры поверхности соединения слоев, что вызывает появление внутренних напряжений. Кроме того при высокой скорости затвердевания увеличивается глубина проникновения усадочных дефектов.
Наибольшая скорость затвердевания, как и следовало ожидать, имеет место при отсутствии обогрева (кривая 5 на рис. 1 б). Скорость кристаллизации металла понижается с увеличением мощности обогрева (кривые 2, 3, 4). Кристаллизация вовсе прекращается при удельной мощности ЭШО 0,9 - 1,2 МВт/м2. Оптимальной следует считать интенсивность ЭЩО порядка 0,6 МВт/м2, при которой температура верхней плоскости матрицы поддерживается практически на постоянном уровне (1150 °С, кривая 3 на рис. 1 а). Это должно обеспечить стабильный отвод тепла в матрицу без возникновения нежелательных градиентов температуры.
Расчетные данные с достаточной надежностью справедливы лишь для центральной об-" ласти слитка, так как в программе не учитывается характер теплообмена у краев заготовки и ряд других факторов. Поэтому для выявления реальных закономерностей рассматриваемых теплофизических процессов были выполнены экспериментальные исследования.
Для экспериментального определения глубины металлической ванны в процессе затвердевания использовали метод зондирования (в девяти точках поверхности). Зондирование провели на 15 опытных плавках, а на одной из них осуществили контрольный ввод индикатора (сернистое железо).
Для сравнительной оценки скорости затвердевания биметаллических слитков в зависимости от режима обогрева выполнили обработку экспериментальных данных, пользуясь законом квадратного корня. Результаты приведены на рис. 2. Здесь же показаны результаты расчета на ЭВМ при соответствующих режимах ЭШО.
Приведенные данные показывают, что затвердевание плакирующего слоя на твердой заготовке при изменении удельной мощности обогрева в пределах 0,4 - 0,8 МВт/м2 практически подчиняется закону квадратного корня, а роль электрошлакового обогрева сводится к улучшению питания затвердевающего слоя и выравниванию фронта кристаллизации. Эти процессы возможно оптимизировать, используя предложенную методику математического моделирования, поскольку расчетные данные удовлетворительно согласуются с результатами экспериментов (см. рис. 2).
Экспериментальные исследования температурных полей матрицы термопарным методом выявили значительное различие температуры центральных и крайних областей в процессе нагрева. Наибольшее отставание в температуре при нагреве имеет место в угловых зонах заготовки (порядка 200 °С) из-за влияния водоохлождаемого кристаллизатора. Эти различия существенно влияют на процесс кристаллизации плакирующего слоя. В работе [7] показано, что фронт кристаллизации является вогнутым.
о
X
5
к' о
5
о
км ф
3
<о ©
100
ш ю
<5 «•>
(О X
ж
3" с .2
80
60
40
20
О 15
4 * г* 0
** * О '.о
* / * 0 ЗГ ж * 1 > ^ . / л * • / У V/ ■ ф
•/в/«, У» # О/ * г * *
»^х * * *
30 45
Время, с
60
Для получения плоского фронта кристаллизации, а значит обеспечения минимальной разнотолщинности биметалла был предложен режим движения кристаллизатора с остановками в крайних положениях. Это позволило в известной мере выровнять скорость кристаллизации нержавеющей стали в центральных и крайних зонах слитка
Наличие усадочных дефектов на поверхности плакирующего слоя зависит не только от формы фронта кристаллизации, но и от условий питания при затвердевании металла. Для улучшения макроструктуры плакирующего слоя и уменьшения глубины залегания дефектов был разработан способ получения биметаллического слитка, согласно которому усадочные дефекты выводятся на край зоны кристаллизации, в так называемую зону бокового питания. В этой зоне металл кристаллизуется в последнюю очередь, подпитывая затвердевающий металл плакирующе- ,
го слоя. На рис. 3 дана иллюстрация предложенного способа
О
Матрица Кристаллизатор
Рис. 2- Обобщенные данные по кинетике кристаллизации плакирующего слоя (сплошные линии - результаты расчета на ЭВМ): А, Б - удельная мощность ЭШО соответственно 0,8 и 0,4 МВт/м2; О - центральные точки; # - крайние точки; *-положение фронта кристаллизации, зафиксированное вводом индикатора.
Набивка (магнезит)
Рис. 3-Схема установки матрицы в кристаллизатор для реализации способа бокового питания слитка
Согласно схеме матрицу помещают в кристаллизатор таким образом, что зазор между одной из ее коротких сторон и ближайшей стенкой кристаллизатора больше зазора между второй короткой стороной и стенкой кристаллизатора в 3-7 раз. Зазоры между стенками кристаллизатора и матрицей засыпают порошком магнезита. Таким образом, в кристаллизаторе создается зона, в которой отвод тепла от жидкого металла меньше, чем у поверхности матрицы (эта зона обогревается электродами до окончания процесса кристаллизациии слитка).
Локализацию обогрева в зоне питания осуществляют остановкой кристаллизатора в момент, когда электроды находятся над этой зоной. Благодаря тепловому потоку Q (см. рис.3) металл в этой зоне остается жидким вплоть до полного затвердевания плакирующего слоя. Жидкий металл из зоны бокового питания поступает в кристаллизующийся слой и заполняет усадочные пустоты. При этом в боковой зоне сосредотачиваются основные усадочные дефекты, которые при последующей обработке слитка удаляются в обрезь.
Отливка слитков с применением бокового питания позволила улучшить качество поверхности плакирующего слоя и исключить строжу слитка перед прокаткой. Это позволило снизить массу отходов нержавеющей стали на 34 кг/т.
Качество биметалла, получаемого с применением разработанной технологии, оценивали в литом и катаном состояниях. Проведенными исследованиями было установлено, что биметалл, полученный по новой технологии имеет качественную макроструктуру, высолю химиче-скую однородность и чистоту по газам и неметаллическим включениям. Особое внимание уделяли исследованию зоны сплавления. Образцы отбирали от слитков и листов, изготовленных как по существующей, так и по новой технологии. Изменение содержания таких элементов как хром, никель, марганец, кремний в переходной зоне изучали на микрозонде MS-46 "Сашеса". На рис. 4 показано изменение содержания хрома и никеля в зоне сплавления биметалла
Анализ приведенных данных показал, что переход элементов от стали 08Х18Н10Т к 09Г2С осуществляется плавно. Так зона перехода хрома и никеля в биметаллических образцах, отобранных от слитка, составляет примерно 400 - 500 мкм, а от листа толщиной 0,01м - порядка 150 мкм. Аналогичные результаты были получены для марганца и кремния. Каких-либо дефектов в зоне сплавления выявлено не было. Разнотолщинность слоев опытных листов почти полностью отсутствует, прочность соединения слоев в 2-2,5 раза превышает требования стандарта
Исследования опытного биметалла на склонность к межкристаллитной коррозии йока-зали высокую стойкость металла плакирующего слоя.
в4
Ш 16
ф £
Ш 12
п я
я 8
ф
i I
о
I • > - •ч •
• N Рг
< Ni i
о \
«ГО 800 200 1 DO
§ 1в I-I S 5
3
0 в
S 3
я о. н
1 §
I
о
У
too 200
• • Ч,
Ni -1— •д
О — о
< L
Расстояние от линии сплавления, мкм
200 160 100 50 0 80 100 Расстоянии от линии Сллаолвния, мкм
а б
Рис. 4-Изменение содержания хрома и никеля в зоне сплавления биметалла в исходном (а) и катаном (б) состояниях
Таким образом, результаты математического моделирования и экспериментальных исследований позволили разработать оптимальную технологию производства горизонтальных биметаллических слитков, включающую оптимальные режимы ЭШО и рациональную подпит-ку плакирующего слоя при усадке.
Внедрение новой технологии позволило уменьшить массу отходов нержавеющей стали на 34 кг/т, снизить затраты на подготовь^ слитков к прокатке и улучшить качество биметаллического листа
Перечень ссылок
1. Ефимов В А. Состояние и перспективы научных исследований в свете стоящих задач по развитию производства и применения биметаллических и многослойных отливок // Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных отливок: Сб. научи, тр. ИПЛ АН УССР,-Киев,-1987.-С. 4-10.
I
2. Казачков Е.А., Макуров С.Л. Математическое моделирование процесса затвердевания стальных слитков прямоугольного сечения // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 1974,-№11.- С.54-57.
3. Вороник А. Е, Демченко В.Ф., Латаш Ю.В. и др. Особенности затвердевания слитков при элекгрошлаковой разливке стали // Теплофизика стального слитка: Сб. науч. тр. ИПЛ АН УССР.-Киев. - 1980.-С.25-29.
4. Костенко Е.Д., Легенчук В.И. Кинетика затвердевания биметаллических отливок на основе сплавов железа // Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных оТливок: Сб. науч. тр. ИПЛ АН УССР,-Киев,- 1987.-С.22-26.
5. Казачков ЕА., Макуров С.Л. Экспериментальное исследование теплофизических свойств сталей в жидком, двухфазном и твердом состоянии // Исследование процессов с участием окис-ных и металлических расплавов: Сб. науч. тр. МИСиС №148. -М: Металлургия . - 1983. -С. 120-126.
6. Казачков Е.А, Макуров С.Л., АлакозовВ.Ф. и др. Исследование теплофизических процессов при элеюрошлаковом нагреве заготовки для производства биметаллов // Изв. ВУЗов. Черная металлургия,-1984.-№1. - С. 52-56.
7.Казачков Е.А., Макуров С. Л, Алакозов В.Ф. и др. Исследование процесса кристаллизаций биметаллических слитков, получаемых элекгрошлаковой отливкой // Сталь. - 1982. - № 8. -С. 48-50.
