CC BY
167
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. № 16
УДК 621.746.62:669.189
Казачков Е.А.1, Федосов A.B.2
ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОСЕВОЙ ЛИКВАЦИИ В НЕПРЕРЫВНОЛИТОМ
СЛЯБЕ
Рассмотрены особенности образования макроструктуры и осевой ликвации непрерывнолитого слитка. Проведен анализ различных технологических факторов влияющих на процесс формирования структуры слитка и возникновение осевой неоднородности. Рассмотрены возможные пути повышения однородности непрерывнолитого слитка с целью улучшения качества толстолистового проката.
В непрерывнолитых слябах крупного сечения (250-300)х(1550-1650) химический состав металла как по сечению, как и по длине литых заготовок достаточно однороден. Однако в осевой зоне поперечного сечения непрерывнолитых слябов наблюдается узкая полоса металла, обогащенная примесями и неметаллическими включениями - осевая ликвация. Осевая неоднородность является специфическим дефектом непрерывнолитой заготовки. На рис.1 приведена макроструктура слябов с различной степенью развития осевой ликвации.
Рис. 1 - Макроструктура непрерывнолитого сляба стали 10Г2ФБ а - рассредоточенная осевая ликвация; б - сплошная осевая ликвация.
При значительном развитии этого дефекта, последующий нагрев и прокатка не устраняет его, что приводит к появлению осевой неоднородности в толстолистовом прокате [1-3]. 1ПГТУ, д-р техн. наук, проф. 2ПГТУ, аспирант
Осевая химическая неоднородность, а также осевая рыхлость в слябах непрерывной разливки обусловлены ликвационным обогащением центральной зоны слитка в процессе продвижения фронта затвердевания, усадкой металла осевой зоны при затвердевании в замкнутом объеме, выжиманием обогащенного примесями раствора из междендритного пространства в пустоты, образующиеся в результате усадки металла при его затвердевании или выпучивании под воздействием ферростатического давления затвердевшей наружной корки между поддерживающими роликами после смыкания фронтов затвердевания, продвигающихся от широких сторон сляба [4-7].
Целью данной работы является анализ основных факторов, влияющих на развитие осевой ликвации и оценка мероприятий, направленных на устранение этого дефекта.
В процессе кристаллизации непрерывнолитых слитков обычно образуется три структурные зоны: корковая зона (наружная) неориентированных мелкозернистых равноосных кристаллов, зона ориентированной структуры (столбчатых кристаллов), зона крупных неориентированных равноосных кристаллов (осевая зона).
Исследование характеристик осевой ликвации в непрерывнолитых слябах показало, что степень развития этого дефекта для условий отливки на одной и той же МНЛЗ, сильно зависит от ширины зоны равноосных кристаллов в структуре литого сляба. Была установлена четкая зависимость между шириной зоны равноосных кристаллов и осевой ликвацией в непрерывнолитых слябах (рис. 2). Расширение зоны равноосных кристаллов обеспечивает более равномерное распределение сульфидов, неметаллических включений и других ликвантов по сечению заготовки, что значительно повышает качество осевой зоны сляба [7-9].
Рис 2 - Влияние ширины зоны равноосных кристаллов (Ь, %) на индекс осевой сегрегации [7]: 1 - без ЭМП; 2-е ЭМП
Создание условий разливки и кристаллизации, которые позволяют достичь максимальной ширины зоны равноосных кристаллов, обеспечивают повышение качества осевой зоны сляба. Соотношение между протяженностью трех основных, структурных зон сляба зависит от многих факторов: величины перегрева разливаемой стали, размера слябов, химического состава стали, технологических параметров непрерывного литья (линейная скорость вытягивания, плотность орошения в зоне вторичного охлаждения и др.). Так, увеличение толщины сляба с 250 мм до 300 мм (при одинаковой ширине 1650 мм) приводит к увеличению относительной протяженности зоны равноосных кристаллов для углеродистой и низколегированной стали в 1,2 - 1,5 раза. Это обеспечило снижение осевой химической неоднородности с 1 - 3 до 0 - 1 балла, осевых трещин с 1 - 2,5 до 0 - 1 балла [18].
Переход от столбчатой структуры к равноосной, т.е. ширина зоны равноосных кристаллов, связан с переходом от последовательной кристаллизации к объемно-последовательной. Возможность образования изолированных кристаллов в жидкой фазе требует снятия перегрева жидкой стали и образования некоторого переохлаждения [10,11]. Чем больше величина перегрева стали, тем больше времени расходуется на его снятие. За это время зона столбчатых кристаллов получает значительное развитие.
Для получения максимальной ширины зоны равноосных кристаллов необходимо обеспечить минимальный перегрев стали (рис. 3) [9]. Однако заметное снижение температуры металла в ковше перед разливкой не может быть осуществлено из-за технологических условий разливки. На большинстве МНЛЗ металл разливают на нижнем температурном пределе. Поэтому для увеличения ширины зоны равноосных кристаллов сляба, в настоящее время широко используют различные методы воздействия на сталь. Одним из таких методов является использование расходуемых и нерасходуемых
холодильников [12,13]. Ввод в кристаллизатор МНЛЗ макрохолодильников в виде тонкой стальной ленты обеспечивает существенное снижение степени осевой ликвации [12]. Расплавляясь в перегретом промежуточном ковше на ширину зоны металле, такая стальная лента обеспечивает равнооосных кристаллов. не только снятие перегрева жидкого
Уровень сегрегации: • - высокий, металла, но и служит дополнительным
А - средний, О - слабый. источником твердых кристаллов в осевой
части затвердевающего сляба.
Следует, однако, отметить, что существующие способы непрерывной разливки с применением макрохолодильников имеют ряд недостатков, не позволяющих получать гарантированную структуру непрерывнолитого слитка, что ограничивает их применение. Для снижения степени осевой ликвации при непрерывной разливке стали используют также электромагнитное перемешивание (ЭМП) незатвердевшей части блюма или сляба [7,14,15].
Наложение электромагнитного поля на затвердевающую заготовку вызывает принудительное перемешивание расплава. Это приводит к изгибу и подавлению роста столбчатых дендритов, их разрушению и образованию вторичных центров кристаллизации как «осколков» ветвей дендритов, отделившихся от фронта кристаллизации. Образование и дробление частиц твердой фазы приводит таким образом к увеличению числа центров кристаллизации в расплаве.
Правильно организованное ЭМП позволяет расширить зону равноосных кристаллов, что эквивалентно снижению температуры разливки. Положительное влияние ЭМП на все виды осевой сегрегации, в том числе обусловленную образованием мостов У-образной сегрегации и сегрегацию, связанную с выпучиванием широких граней слябов, можно объяснить меньшей склонностью равноосной структуры к образованию таких дефектов, т.к. равноосная структура не образует мостов, а также затрудняет отсос жидкости, обогащенной ликватами, что является причиной У-образной сегрегации и сегрегации при выпучивании слябов. На рис. 2 показано соотношение между осевой сегрегацией и долей равноосных кристаллов в случае отливки слябов с применением ЭМП и без него [7].
Еще одним способом снижения осевой ликвации является ввод порошковых проволок (ПП) с редкоземельными наполнителями [16, 17]. Применение ПП с химически активными элементами позволяет проводить управляемый и дозированный ввод легирующих компонентов с высокой степенью их усвоения. Процесс обработки ПП состоит в вводе дозированного количества компонентов в промежуточный ковш на заданную глубину в объем жидкого металла. Обработка стали силикокальцием (остаточное содержание Са-0,003-0,004 %) позволяет за счет измельчения дендритной структуры и увеличения скорости кристаллизации внешних участков сляба снизить осевую ликвацию, а также способствует глобуляризации сульфидных и оксидных выделений с образованием мелкодисперсных недеформируемых
100
%
во о
ч ч
(Я
н и
а
Ы и 3
X и о о X во ее а
3
X
О
Г) «
X X
а а
Перегрева стали,°С Рис. 3 - Влияние перегрева стали в
оксисульфидов кальция. В результате повышается сплошность и однородность металла, существенно (в 2,5-3,0 раза) возрастают структурно-чувствительные (ударная вязкость и относительное сужение) свойства металла в осевой зоне толстого листа в направлении толщины проката при одновременном повышении механических характеристик основного металла [16,17]. Неуклонный рост требований к качеству осевой зоны непрерывнолитой заготовки стимулировал в последнее десятилетие развитие принципов «мягкого» обжатия в конце затвердевания для подавления осевой пористости и ликвации [19]. Первоначально метод «мягкого» обжатия предполагал деформацию заготовки с помощью роликов в зоне ее выравнивания, что довольно просто реализовать. Однако, как показали исследования, существует несколько серьезных препятствий для эффективной работы данной схемы. Обжатие заготовки происходит в строго фиксированных точках, что требует точного контроля температуры разливки и режимов охлаждения; в противном случае смещается положение точки окончания зоны жидкой фазы, а эффект обработки нивелируется.
Для толстых слябов разработана схема [20], при которой усилие накладывается с помощью установленных специальным способом плоских брусов. Технологические преимущества такой схемы заключаются в возможности управления процессом обжатия заготовки, т.е. контроля за положением брусов в зависимости от границы окончания жидкой лунки. Каждый брус, контактируя со слябом, осуществляя его обжатие, имеет возможность перемещаться вдоль его поверхности. Максимальный эффект подавления осевой ликвации достигается при постоянном контроле за соприкосновением поверхностей брусов и сляба как в поперечном, так и в продольном направлениях.
Рассмотренные практические данные, безусловно, свидетельствуют о перспективности применения метода динамического «мягкого» обжатия непрерывнолитых заготовок. Однако для различных геометрических размеров заготовки, металлургических условий, марок сталей и требований к качеству металлопродукции этот метод должен быть реализован разными способами [19, 20].
Выводы
1. Для снижения осевой ликвации в непрерывнолитых слябах необходимо организовать такие условия разливки и кристаллизации, которые обеспечивают получение максимальной ширины зоны равноосных кристаллов.
2. Максимальная ширина зоны равноосных кристаллов в непрерывнолитом слябе достигается при минимальном перегреве стали в промковше, а также при увеличении толщины сляба.
3. Ввод в кристаллизатор макрохолодильников позволяет существенно снизить степень осевой ликвации. Однако существующие способы применения макрохолодильников имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение.
4. Правильно организованное ЭМП позволяет снизить осевую ликвацию. Однако из-за трудности подбора параметров электромагнитных колебаний, при отливки широких слябов ЭМП используется ограничено.
5. Эффективным способом устранения осевой ликвации является использование «мягкого» обжатия в конце затвердевания сляба. Однако при этом значительно усложняется организация разливки и конструкция зоны вторичного охлаждения.
6. Простым и достаточно эффективным средством снижения осевой ликвации является обработка стали в промковше 1111 с различными наполнителями. Для повышения эффективности этого способа требуется проведение дальнейших исследований, направленных на оптимизацию состава наполнителей и режимом ввода 1111.
Перечень ссылок
1. О развитии осевой неоднородности в прокате трубных сталей // М.Е.Казачкова, А.А.Гоцуляк, И.Ф.Пемое, Н.Я.Казачкоеа // Известия вузов. Черная металлургия.-1985.-№11.-С.48-51.
2. Исследование центральной неоднородности в непрерывнолитых трубных сталях / Ю.И.Матросов, А.О.Носоченко, В.В.Емельянов и др. //Сталь.-2002.-№9.-С. 107-110.
3. Флендер Р. Образование внутренних трещин в непрерывнолитых заготовках /Р.Флендер, КВюнненберг. //Черные металлы.-1982.-№23.-С.24-32.
4. .Irving W.R. Effect of chemical, operational and engineering factors on segregation in continuosly cast slabs / W.RIrving, A.Perkins, M.G.Broaks II Ironmaking and Steelmaking.-1984.-V. 11.-№3.-P.-152-159.
5. Еетеее Д.П. Непрерывное литье стали / Д.П.Еетеее,И.Н.Колыбалое,- М.:Металлургия, 1984.-200 с.
6. Арсентьев П.П. Структура и свойства непрерывнолитой заготовки / П.П.Арсентьев// Производство чугуна и стали.-Том 16 (Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР).-М. >1985.-С. 142-197.
7. Бират Ж.П. Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке заготовок блумов и слябов / Ж.П.Бират, Ж.Шоне // Достижения в области непрерывной разливки стали.-М.: Металлургия, 1987.-С.-98-116.
8. Ирвинг В. Основные параметры, влияющие на качество непрерывных слябов / В.Ирвинг, А.Паркинс II Непрерывное литье стали: Сб. трудов междунар. конференции.-М.: Металлургия, 1982.-С. 164-185.
9. Nemoto Н. Development of Continuous Casting Operation IH. Nemoto// -Tetsu to Hagane.-1974.-V.60.-№7.-P.755-773.
10. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка / В.Т.Борисов.-М.: Металлургия, 1987.-224с.
11. Казачков Е.А. Исследование температурного состояния жидкой сердцевины стальных слитков // Е.А.Казачков, С.Л.Макуров, В.А.Федоров // Известия вузов. Черная металлургия.-1976.-№3.-С.37-40.
12. Уменьшение осевой ликвации элементов в непрерывнолитой заготовке при введении стальной ленты / О.В.Носоченко, О.Б.Исаев, Л.С.Лепихов и др. // Сталь.-2003.-№9.-С.42-44.
13. Исследование процесса непрерывной разливки слябов с использованием макрохолодильников / О.В.Носоченко, Е.А.Казачков, А.Г.Богаченко и др. // Новые технологические процессы в черной металлургии - Nove technologicke procesy v hutnictvi zeleza: Sb. konf. 23-26 kve t.-1988.- Fridek-Mistek, Dobra.-1988.-Sek.2.-S.138-155.
14. Электромагнитное перемешивание жидкой стали в металлургии / Р.С.Айзатулов, А.Г.Кузъменко, В.Г.Грачев и др. ,-М.: Металлургия, 1996.-С. 184.
15. Смирнов А.Н. Эффективность электромагнитного перемешивания при затвердевании непрерывнолитых заготовок / А.Н.Смирнов II Металлургическая и горнорудная промышленность .-2001. -№5. -С.21 -23.
16. Улучшение качества структуры осевой зоны заготовки путем обработки микролигатурами при разливке / И.Л.Бродецкий, В.П.Харчевников, А.И.Троцан и др. // Сталь.-2005.-№2.-С.45-46.
17. Подавление осевой неоднородности в непрерывнолитой стали путем ее модифицирования плакированным порошковым модификатором / В.М.Харчевников, И.Л.Бродецкий, А.И.Троцан и др. // Металлург.-2002.-№3.-С.48-51.
18. Особенности литой структуры непрерывнолитых слитков крупного прямоугольного сечения / В.М.Паршин, Е.А.Казачков, А.И.Корниенко и др. // Изв. вузов. Черн. металлургия.-1987.-№ 11.-С.43-47.
19. Процессы непрерывной разливки / А.Н.Смирнов, В.Л.Пшюшенко, А.А.Минаев и др,-Донецк: ДонНГУ , 2002,- 536 с.
20. New technology to tackle centerline segregation / M. Hatton, S. Nagata, A. Ihaba et al. II Steel technology international. - 1990/91.-P.189-193
21. Яахола M. Последний результаты динамического мягкого обжатия заготовок на слябовой установке непрерывной разливки // М. Яахола, М. Хаарала II Новости черной металлургии за рубежом,- 2001.-№2.-С.64-66.
Статья поступила 27.02.2006
