CC BY
53
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УНТВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип.№17
УДК 669.18.046.546.2
Макуров С. Л.1, Епишев М.В.2, Акритова М.Г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА МНЛЗ
Проведена оценка влияния поверхностного натяжения шлака на форлтрование коркового зоны непрерывнолитого слитка. Методом лежащей капли исследовано поверхностное натяжение ряда шлакообразующих смесей для кристаллизатора МНЛЗ, результаты экспериментального исследования сопоставлены с расчетными данными. Определено влияние межфазного натяжения на границе шлак-металл на форму мениска стали в кристаллизаторе МНЛЗ
Известно, что шлакообразующие смеси (ШОС) играют важную роль в формировании корковой зоны непрерывнолитого слитка МНЛЗ [1]. Для прогнозирования работы ШОС при тех или иных условиях разливки (сечение кристаллизатора, скорость разливки, параметры качания кристаллизатора, марка стали и др.) исследуют такие свойства ШОС как температурный диапазон плавления, скорость плавления, вязкость, температура затвердевания и количество кристаллической фазы в пленке шлака, формирующейся в зазоре между слитком и кристаллизатором (СК-зазор) [2, 3].
Однако, для полного описания работы ШОС в кристаллизаторе МНЛЗ необходимо знать поверхностное натяжение жидкого шлака и межфазное натяжение на границе шлак-сталь. Это связано с тем, что начальная стадия формирования корочки непрерывнолитого слитка происходит в условиях межфазного взаимодействия в системе «металл - шлак - гарнисаж» и сильно зависит от равномерности распределения жидкого шлака в зазоре между слитком и кристаллизатором [4,5]. В свою очередь, равномерность распределения и однородность жидкой шлаковой пленки в СК - зазоре зависит от величины поверхностного натяжения жидкого шлака. При низком поверхностном натяжении в жидкой шлаковой пленке могут происходить разрывы, из-за чего нарушается равномерность теплоотвода, создаются условия для возникновения внутренних напряжений в затвердевающей заготовке с последующим образованием различного рода трещин. Разрыв шлаковой пленки может также привести к под-висанию слитка в кристаллизаторе и вызвать прорыв металла.
Как уже отмечалось, работа ШОС в СК-зазоре, протекает в условиях межфазного взаимодействия шлак - металл. Поэтому, следует ожидать, что условия формирования корочки непрерывнолитого слитка определенным образом зависят от межфазного натяжения на границе шлак -металл. Это подтверждают теоретические расчеты [6] по модели затекания жидкого шлака в СК-зазоре через мениск стали в кристаллизаторе МНЛЗ. В этой модели форма статического мениска стали описывается формулой (1), в которой основную роль играет член а, учитывающий межфазное натяжение на границе металл - шлак.
Твердый шлак
Жидкий шлак
Жидкая сталь
Двухфазная зона
Корка слитка
Рис. 1 - Область мениска в кристаллизаторе МНЛЗ
й, = -л/2сГ -
х2 +-
42а" . \ л/2а^ + л/2а2 -
-1п
а.
(1)
1 ГТГТУ. д-р техн. наук, проф.
ПГТУ, аспирант
3 ПГТУ, студентка
где
а = —-5 £=9,81 м/с2,
(Рм~Рш
(2)
где <7М_ш - межфазное натяжение на границе металл-шлак, мН/м; Рм и Рш ' плотность металла и шлака соответственно, кг/м3; с! 1 - расстояние от стенки кристаллизатора до поверхности заготовки, м; х - расстояние от верхнего уровня мениска, м.
В работе [6] формула (1) используется для расчета толщины шлаковой пленки в СК-зазоре, но сведения о том каким образом изменяется форма статического мениска при изменении величины межфазного натяжения на границе шлак-металл в работе [6] не приводятся.
Цель настоящей работы - исследование поверхностного натяжения ряда ШОС методом лежащей капли, а также определение влияния межфазного натяжения на границе шлак-металл на форму мениска стали в кристаллизаторе МНЛЗ.
Для исследования были взяты пять ШОС, химический состав которых приведен в таблице 1. Первые три ШОС используют при разливке квадратных заготовок различного сечения в широком диапазоне скоростей, в том числе и более 2,5 м/мин, а две другие для разливки слябов при обычных скоростях (0,8 - 1,0 м/мин).
Таблица 1 - Химический состав исследованных шлакообразующих смесей
№ смеси Химический состав, % мае.
г ^се яо2 Ре203 А1203 СаО MgO Ыа20+ К20 МпО СаО/ яо2
1 20-23 27-29 2-3 7-9 22-24 0,5-1 3-6 2-5 4-6 0,82
2 16,5-18,5 31,5-33,5 0-1 4-5,5 29,5-31,5 0-1 4-6 5-7 - 0,94
3 16-19 27-29 1-2 3-4,5 30-32 0-1 2-4 3,5-5,5 4-5 1,1
4 8,9 31,4 0,66 8,9 34,4 - - 8,11 7,2 1.12
5 4,5-5,5 32,0-34,0 1,5 4,5-5,5 38,5-40,5 - 3,0-4,0 5,0-6,5 2,5-3,5 1,11-1,23
Таблица 2 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений поверхностного натяжения исследованных ШОС Поверхностное натяжение ШОС исследовали методом лежащей капли. Смеси расплавляли, нагревали до заданной температуры и фотографировали полученные капли. Затем фотографии капель обмеряли и находили поверхностное натяжение по способу Дорсея.
Результаты полученных значений поверхностного натяжения приведены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что наибольшую величину поверхностного натяжения имеет ШОС № 3, а наименьшую -ШОС № 4. Наиболее стабильное значение о в исследованном температурном интервале имеет ШОС № 1. Здесь же показаны данные (значок □) работы [7] для шлака химического состава, % (масс.): СаО - 30, БЮ2 - 30, А1203 - 5, MgO - 5, СаР2 - 6.
В работе [8] предложена формула для расчета поверхностного натяжения шлака:
(3)
где ош - поверхностное натяжение шлака, НУм;
- мольная доля 7- го компонента шлакового расплава; оi - коэффициент поверхностного натяжения /- го компонента шлакового расплава, Н/м.
Результаты расчета по формуле (3) сопоставлены с полученными нами экспериментальными данными в табл.2. Как видно из табл. 2, несмотря на различие между экспериментальными и
Метод определения поверхностного натяжения ШОС, мН/м № смеси
1 2 3 4 5
Эксперимент 360 320 480 225 345
Расчет по формуле (3) 420 405 435 420 430
расчетными данными по абсолютному значению, пропорциональное соотношение между соответствующими величинами поверхностного натяжения исследованных ШОС сохраняются, что явно видно из рис. 3. Поэтому формулу (3) можно использовать для предварительной (сравнительной) оценки поверхностного натяжения разрабатываемых ШОС.
"§ 600,0 ш
Ф 500,0 *
о;
¡5
I 400,0
о 300,0
О
х
X
о.
2 200,0
О
С
100,0
■5
ч
к \ \
3
-
♦ ^
1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
Температура, С
Рис. 2 - Поверхностное натяжение исследованных ШОС в зависимости от температуры (цифры у кривых соответствуют нумерации смесей в табл. 2, значок □ - данные работы [7])
200 300 400 500
Результаты эксперимента, мН/м
Рис. 3 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений поверхностного натяжения исследованных ШОС
Расстояние от стенки кристаллизатора, м 0 0,05 0,1 0,15
Рис. 4 -формы мениска металла в зависимости от межфазного натяжения на границе шлак-металл
Как отмечалось выше, на процесс формирования корочки непрерывнолитого слитка оказывает влияние межфазное натяжение на границе шлак-металл (сг ш м). Для оценки этого влияния провели расчеты формы мениска по формуле (1) для двух отличающихся друг от друга более чем в два раза величин (7ш_и =700 мН/м и сш_м =1500 мН/м. На рис. 4 представлена форма статического мениска, определенная по формуле (1) для двух вышеуказанных величин ош_м . Как видно из результатов расчета при меньшем значении о форма мениска получается менее скругленная.
что, на наш взгляд, должно привести к формированию следов качания кристаллизатора меньшей глубины и высоты. Поэтому, для уменьшения пораженности заготовки таким дефектом как складчатость следует подбирать смеси, шлак из которых будет обладать более низким значением О
по отношению к разливаемому металлу.
Помимо влияния на складчатость, поверхностные свойства металла и шлака должны оказывать влияние на формирование таких дефектов как заворот корки слитка и переливы металла через мениск. Они образуются в результате в о звр атно -постулате ль ног о движения кристаллизатора [1, 9]. В период отставания заготовки от кристаллизатора верхняя часть корочки слитка отгибается
от стенки кристаллизатора в результате давления потока шлака, а в период опережения - эта часть корочки вытягивается вверх вслед за движущимся совместно с кристаллизатором жидким слоем шлака. Чем больше она вытягивается, тем меньше вероятность того, что жидкий металл перельется через мениск. Очевидно, что в этот период мениск (верхняя часть корочки слитка) будет вытя-
болыпе поверхностное натяжение шлака ош и угол смачиваемости в между металлом и шлаком.
1. В результате экспериментального исследования поверхностного натяжения пяти шлако-образующих смесей выбрана смесь, обеспечивающая получение шлаковой пленки с наиболее стабильными значениями межфазного натяжения на границе шлак-металл, что создает благоприятные условия для формирования качественной поверхности непрерывнолитой заготовки.
2. При сравнении расчетных и экспериментальных данных по поверхностному натяжению расплавов смесей обнаружено несоответствие между их абсолютными значениями. Однако при этом наблюдается примерная пропорциональность между этими величинами. Это позволяет рекомендовать расчетный метод определения поверхностного натяжения ШОС для предварительной (сравнительной) оценки.
3. На процесс формирования корочки непрерывнолитого слитка оказывает влияние межфазное натяжение на границе шлак-металл ош_м , поверхностное натяжение шлака ош и угол смачиваемости в между металлом и шлаком. При меньшем значении <7Ш_М форма мениска стали в
кристаллизаторе МНЛЗ получается менее скругленная, что должно уменьшить глубину и высоту следов качания кристаллизатора на поверхности формирующейся непрерывнолитой заготовки.
1. Streinriick Н. Numerical Investigation of the Entrainment of Flux into the Lubrication Gap in Continuous Casting of Steel / H. Streinriick, K. Redischer II 5th World Congress on Computational Mechanics, July 7-8, 2002, Vienna.- Vienna.-2002,- P. 256-271.
2. Казачков E.A. Экспериментальное определение и прогнозирование свойств шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали / Е.А. Казачков, А. В. Остроушко, С. В. Живило // В1сник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мариуполь, 2003. - Вип. 13. - С. 37-41.
3. Mills К. С. Mould powders for continuous casting / К.С. Mills. - Johannesburg: The South African Institute of Mining and Metallurgy. - 1997. - 156 p.
4. Технологические свойства некоторых шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали / А.Н. Смирнов, С.Л. Макуров, М.В. Епишев и др. II Металл и литье Украины,- 2006,- № 7-8,- С. 13-16.
5. Условия формирования корки непрерывнолитого слитка / Д.А. Дюдкин, Н.А. Маняк, П.А. Левин, КБ. Шукстульский II Сталь. - 1987. - №9. - С.43-45.
6. Yamauchi A. A Mathematical Model for Prediction of Thickness of Mould Flux Film in Continuous Casting Mould / A. Yamauchi, T. Emi, S. Seetharaman IIISIJ International.- 2002,-Vol. 42,-№. 10,-P. 1084-1093.
7. Физические свойства расплавов системы CaO - Si02 - A1203 - MgO - CaF21 А. А. Акбердин, И. С. Куликов, В. А. Ким и др.-М.: Металлургия, 1987,- 144 с.
8. Nakashima К. Interfacial Properties of Liquid Iron Alloys and Liquid Slags Relating to Iron-and Steel-making Processes / K. Nakashima, K. Mori II ISIJ International.- 1992,- Vol. 32,-№ l.-P. 11-18.
9. Yamamura H. Formation of Solidified Hook-like Structure at the Subsurface in Ultra Low Carbon Steel / H. Yamamura, Y Mizukami, K. Misawa II ISIJ International.- 1996,- Vol. 36,-Supplement.- P. S223-S226.
Рецензент: А.В.Остроушко
канд. техн. наук, проф., ПГТУ
гиваться тем больше, чем больше работа адгезии шлака к металлу
Выводы
Перечень ссылок
Статья поступила 07.03.2007
