CC BY
41
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 621.746.62: 620.192.22
Казачков Е.А.1, Маку ров С. Л,2
ПРОЦЕССЫ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ КРУПНЫХ СТАЛЬНЫХ слитков
Расчетным и экспериментальным путем изучены процессы, влияющие на развитие неоднородности листовых слитков массой 20-30 т. Показано, что ликвационные процессы в крупных слитках определяются исходным качеством жидкой стали, а также конструктивными параметрами слитка, обеспечивающими высокую степень направленности затвердевания. Установлено, что при достаточной чистоте разливаемой стали и оптимальных параметрах слитка возможно увеличение массы крупных листовых слитков с 20 до 30 т без ухудшения качества металла слитков и толстых листов.
Металлургическая промышленность занимает ведущее положение в структуре экономики Украины, однако объем производства в отрасли к настоящему времени по сравнению с 1990 г. сократился приблизительно в 2 раза. Такое положение связано, во-первых, с общим кризисом экономики стран СНГ, во-вторых, с отсутствием на предприятиях свободных средств для внедрения новой техники и передовых технологий, в частности непрерывной разливки стали. В связи с этим основная часть производимого металла ( около 90 %) отливается в слитки по традиционной технологии без применения многих эффективных мероприятий, позволяющих снизить себестоимость продукции при одновременном улучшении качества металла. Вместе с тем, в нынешней ситуации возможно внедрение технологий разливки стали в слитки, требующих небольших затрат и дающих быструю отдачу.
Одним из направлений по снижению расходного коэффициента металла и улучшению качества толстых листов и плит является увеличение массы крупных стальных слитков [1].
Расходные коэффициенты при прокатке листовых слитков массой 20-27 т на заводах Украины составляют 1,70-1,75. Однако, за рубежом имеется опыт отливки листовых слитков массой 43 т с расходным коэффициентом при прокатке 1,46 [2]. Высокое качество поверхности таких слитков обеспечивает сифонная разливка, а качество макроструктуры улучшается за счет увеличения степени обжатия металла при прокатке.
Следует отметить, что недостаточная степень обжатия не позволяет получать высококачественный толстый лист из непрерывнолитых заготовок.
Производство высококачественных толстых листов и плит возможно только из крупных слитков, поэтому требования к качеству внутреннего строения таких слитков непрерывно растут вместе с ростом требований к надежности получаемых из них изделий.
Неоднородность и пороки стальных слитков возникают в процессе затвердевания металла и увеличиваются вместе с ростом массы слитка. На развитие неоднородности влияют теп-лофизические, гидродинамические, массообменные, физико-химические и другие процессы, происходящие при разливке и затвердевании металла, изучение которых необходимо продолжать для создания рациональной формы крупных слитков и оптимальной технологии их производства [3-4].
Перечисленные тгооблемы являются предметом исследований, проводимых более 40 лет на кафедре теории металлургических процессов Приазовского гостехуниверситета, начиная с работ С.Я Скобло [5-7].
1 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
: ПГТУ, канд. техк, наук, доц.
Указанные работы положили начало научному направлению "Физико-химические и те-плофизические процессы формирования стальных слитков", которое успешно развивается до настоящего времени сотрудниками кафедры.
В работе [6] впервые был предложен неразрушающий метод дифференцированного зондирования стальных слитков, который получил дальнейшее развитие в работах [8, 9 и др.]. Метод горизонтального зондирования [10] позволил установить закономерности продвижения бокового фронти затвердевания в крупных листовых слитках.
Наряду с экспериментальными исследованиями проводили компьютерное моделирование процессов затведевания крупных стальных слитков [11], результаты которого показали хорошее совпадение с данными зондирования и ввода радиоактивного индикатора [12]. Достаточно подробная информация о процессе затвердевания крупных слитков была получена при рациональном сочетании-расчетных и экспериментальных методов исследования [13, 14].
Новые данные, полученные в результате проведенных исследований, позволили составить представление об объемно-последовательном механизме кристаллизации крупных листовых слитков [1], который учитывали при разработке оптимальной конструкции и технологии отливки слитка массой 30 тдля производства толстых листов.
Необходимость увеличения толщины плит, прокатываемых из крупных слитков до значений 200-250 мм, требует увеличения исходной толщины слитка до 0,9-1,0 м, что может привести к усилению его неоднородности. Тем не менее, в мировой практике имеется опыт сифонной отливки листовых слитков массой до 74 т [2].
При конструировании 30- т листового слитка стремились обеспечить возможно меньшее развитие химической, физической и структурной неоднородности, что достигается согласно [4] созданием высокой направленности затвердевания. Процесс затвердевания крупных листовых слитков исследовали путем компьютерного моделирования и вертикальным зондированием по методике работы [13]. Результаты этого исследования приведены на рис. 1.
Рис. 1 - Изохроны кристаллизации крупных листовых слитков по данным компьютерных расчетов и вертикального зондирования: а- серийный 20-т слиток, б-опьпный 27-т слиток, в,г, -возможные варианты 30-т слитка
Оптимальным по соотношению скоростей горизонтальной и вертикальной кристаллизации является слиток (г), однако продолжительность полного затвердевания укороченного слитка (в) на 40 мин меньше, что является существенным преимуществом. Кроме того слиток(в}об-ладает более высокой направленностью затвердевания, показателем которой является параметр ср:
Ф-Тгер/Т»*
где - время горизонтального затвердевания; тьер - время вертикального затвердевания.
При ф = 1 высота слитка достигает 3 м (рис.1 г) а продолжительность полного затвердевания - 360 мин. Увеличение высоты слитка создает неудобство при разливке и способствует возникновению поперечных трещин [4]. В случае ф=1.25 (рис 1 в) высота слитка составляет
2,4 м, а продолжительность затвердевания - 320 мин. Последний вариант был признан оптимальным для проектирования опытного листового слитка массой 30 т [14].
На рис. 2 приведены схемы разработанных конструкций 30-т слитков и сравнительных слитков массой 20 и 27 т.
Рис.2- Схемы крупных листовых слитков массой, £ а-20, 6-27 (сравнительные слитки); в, г -30 (опытные слитки)
Серийные листовые слитки (см. рис.2 а, б) имеют волнистую поверхность, что по мнению [15] препятствует образованию продольных горячих трещин. Однако, наличие волн на поверхности изложницы при сифонной разливке под теплоизолирующими смесями вызывает налипание на поверхность слитка частиц смеси и, как следствие - дефекты поверхности (песочины и подкорковые пузыри). Поэтому новые слитки спроектировали с гладкой поверхностью. Промежуточный вариант (см. рис.2 г) предполагал наличие волн по широкой грани в местах наибольшей концентрации термических напряжений, однако, как показали дальнейшие исследования, в этом нет необходимости при достаточно высоком качестве разливаемой стали.
Для усиления направленности затвердевания и улучшения стрипперования конусность нового слитка приняли переменной по высоте: в нижней части - 15 %, в средней части - 6 %, в верхней части - 2,5 %.
С целью снижения опасности возникновения трещин конструкция 30-т слитка отличалась созданием специального профиля боковой поверхности [16], а также разрядниками напряжений в углах слитка.
Для обеспечения качественной поверхности крупных листовых слитков разливку проводили сифонным способом на четырехместных поддонах через два питателя с минимальным расходом перлито-графитовой смеси (1,0-1,5 кг/т). При необходимости смесь добавляли в процессе разливки и после ее окончания.
Для исключения дефектов поверхности необходимо соблюдать температурные и скоростные режимы разливки [17].
Вопрос увеличения массы слитка всегда связан с оценкой качества металла, одним из показателей которого является химнеоднородность.
Для сравнительной оценки химнеоднородности металла затвердевших слитков массой 20 и 27 т использовали метод сплошного отбора проб по всей поверхности опытных темплетов.Из
слитков вырезали продольные и поперечные темплеты, из которых готовили образцы для кван-тометра. По каждому образцу определяли средний химсостав путем усреднения данных пяти определений на углерод, серу и фосфор. По данным химанализа были установлены зависимости распределения углерода, серы и фосфора в опытном и сравнительном слитке. Результаты исследования приведены на рис.3.
Ликвацию указанных примесей оценивали по формуле:
^мак " £°/оХ1мин
мак
100
(2)
{%х]„
где 8ыак - максимальная ликвация примеси, %; \%х]тт^ [%х]мин - соответственно наибольшее и наименьшее содержание примеси в пределах тела слитка; [%х]0 исходное содержание примеси в жидкой стали.
Результаты исследовании показали, что в крупных листовых слитках имеет место значительная ликвация углерода и серы. Причем в слитке массой 27 т ликвация элементов выражена в несколько большей степени, чем в сравнительном массой 20 т. Так, например, в донной части этого слитка отрицательная ликвация углерода выше на 10 %, серы - на 15 %, фосфора - на 5 %. В головной части положительная ликвация углерода выше на 8-10 %, серы - на 50 %, а ликвация фосфора находится на одинаковом уровне. В средней части слитков существенных различий в ликвации элементов не выявлено. Это позволяет сделать вывод о примерно одинаковой химнеоднородности рассматриваемых слитков. Такой же вывод был сделан при анализе химнеоднородности недокатов - наибольшая ликвация наблюдалась в головной части раската, наименьшая - в донной.
0010
т
Лч ■л.
/ НЧ4
№ ОМ
т
о,ч 0,3$
0,Ь2 0,38
ом
Л у
У
г
V
А
И V г"
V
оде 0,616
о,т
1 / и м
у
0,016
0,828 йт
0,020 в,016 от
А/ 9 т
А
-------
/Н
Н
№ 50 0 50 ЮО
№ 50 0 3) ЮО т 50 О М вв ^Толщина слитка., %
Рис.З - Распределение углерода (а), серы (б) и фосфора (в) в крупных листовых слитках массой 27 т (Г) и 20 т (3); 1,23^5 - уровни отбора проб (соответственно 85,70,601,401,15 % высоты тела слитка)
Исследование химнеоднородности затвердевшего металла не раскрывает механизма этого процесса. Для количественной оценки ликвации примесей в процессе затвердевания крупных слитков была разработана специальная методика отбора проб металла из жидкой сердцевины затвердевающих слитков в кварцевые пробоотборники [17],
Пробоотборники погружали в жидкую сердцевину слитка в заданные моменты времени. По данным химанализа проб металла, отобранных из жидкой сердцевины слитков в различное время после заливки металла в изложницу, определяли степень ликвации углерода, серы, фосфора:
[%х] - |%х|
«х--^-0 100, (3)
[%Х]0
. где £х - степень ликвации элемента, %; [%х]х - содержание примеси в жидкой сердцевине слитка в момент времени т после окончания заливки металла в изложницу; [%х]0 - содержание
примеси в жидкой сердцевине слитка в процессе заполнения изложницы жидким металлом (первая проба).
Как было показано ранее [18], ликвация углерода в процессе затвердевания слитков, связана со скоростью кристаллизации, а ликвация других примесей в крупных слитках линейно связана со степенью ликвации углерода.
Заметное увеличение содержания углерода в жидкой сердцевине слитков отмечали через 60 - 80 мин после окончания заливки металла. К этому моменту в нижней незакристаллизовав-шейся части слитка появляется двухфазная зона, выявляемая дифференцированным зондированием [14].
Развитие двухфазной зоны с последующим ускоренным затвердеванием металла связано со снятием тепла перегрева и затуханием конвективных потоков. Последнее создает условия для оседания кристаллов в донную часть слитка. Это могут быть как кристаллы, сформировавшиеся в объеме, так и обломки дендритов горизонтального фронта кристаллизации - они формируют донный конус.
На первом этапе затвердевания ( до 90 мин), когда скорость затведевания превышает 1 мм/мин, степень ликвации углерода не превышает 10 %, что согласуется с теоретическими расчетами [19].
На втором этапе (объемно-последовательной кристаллизации) по мере уменьшения скорости затвердевания и развития двухфазной зоны вертикальной кристаллизации степень ликвации углерода быстро увеличивается и составляет к 160-й минуте около 30 %.
К концу кристаллизации слитка степень ликвации углерода в вертикальной части осевой зоны может достигать 75-85 % [19]. «
Таким образом, процессы формирования химической неоднородности крупных слитков следует рассматривать в связи с механизмом их объемно-последовательной кристаллизации, в котором следует выделить 2 этапа в двух зонах: последовательной и смешанной кристаллизации. Оптимальным можно считать такое распределение элементов по слитку, при котором он будет макрохимически однороден (зональная ликвация минимальна). Для этого необходимо, чтобы затвердевание слитка происходило с достаточно большой скоростью по всему объему, однако в крупных слитках добиться этого невозможно. Частичное решение проблемы возможно за счет разработки оптимальных параметров слитка, увеличивающих скорость направленной вертикальной кристаллизации.
Следует отметить, что уровень ликвации примесей в 23-т листовых слитках мартеновской стали, отливаемых сверху, в соответствующие моменты времени оказывается выше, чем в слитках 20-30 т конвертерной стали Д18], подвергаемой внепечной обработке. Это связано с чистотой разливаемой стали. Как показано в работе [20] на степень ликвации примесей в крупных слитках оказывает существенное влияние начальный уровень содержания кислорода, серы и фосфора.
В работе [21] отмечается сильное влияние содержания водорода в стали на развитие вне-центренной ликвации в крупных слитках.
Содержание водорода в углеродистых сталях, разливаемых сифоном в слитки массой 20-30 т, после аргонной продувки стали в ковше составляет примерно 0,0002 % (2 р р m ). В мартеновской стали без внепечной обработки содержание водорода в 2-2,5 раза выше.
Дополнительное улучшение качества стали может быть достигнуто при обработке синтетическим шлаком [12] и защите струи металла от вторичного окисления при разливке.
С целью защиты струи металла сконструировано специальное устройство [22], которое состоит из кольцевого коллектора для подачи инертного газа и двух соосно перемещающихся цилиндров. Ковш вместе с устройством опускается на центровую, причем гибкое соединение цилиндров огнеупорной тканью позволяет избежать поломки устройства. Внутрь устройства подается аргон с расходом ~10'3м7с после чего начинается процесс разливки.
Для оценки положительного влияния предложенной технологии аргонной защиты струи провели серию опытных плавок с отливкой углеродистой и низколегированной стали. От опытных и сравнительных слитков отбирали пробы металла с последующим анализом окис-ленности на установке "LEKO RO-116". После прокатки опытных и сравнительных слитков отбирали пробы толстого листа для исследования механических свойств металла, неметаллических включений и контрольных анализов на кислород. Подсчет неметаллических включений в объемных процентах проводили на металлографическом микроскопе «Неофот-21» при увеличении в 400 раз по 20 полям зрения.
В результате проведенных исследований установлено некоторое снижение окисленности металла и снижение в 12 раза оксидных неметаллических включений в случае использования аргонной защиты струи. Механические свойства металла толстых листов соответствовали требованиям стандарта.
В заключение следует отметить, что исследование структурной неоднородности и мех-свойств металла крупных листовых слитков массой 20-30 т, а также толстых листов, прокатанных из них [22], не выявило существенных отличий в качестве металла при увеличении массы слитка в 1,5 раза.
Выводы
1. Неоднородность крупных стальных слитков связана с механизмом их объемно-последовательной кристаллизации и возрастает с увеличением массы слитка.
2. Степень ликвации примесей в процессе затвердевания крупного листового слитка определяется уровнем содержания примесей в стали и скоростью кристаллизации.
3. Разработаны принципы конструирования формы слитка для усиления направленности затвердевания с целью снижения осевой и внецентренной ликвации элементов и улучшения структурной однородности металла.
Перечень ссылок
1. Казачков Е.А. Затвердевание и неоднородность крупных листовых слитков // Вопросы теории и практики сталеплавильного производства: Сб. науч. тр. / ММИ,- М., 1991,- С. 154-166.
2. OrieR. Т. Big Ingots, Big Plates for Big Jobs//Open Hearth Conference Award Paper.- New York, 1970,- Vol.52.- P. 8-11.
3. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали.-М.: Металлургия, 1976,- 552 с.
4. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поковок,-М.: Металлургия, 1973,- 247 с.
5. Скобло С.Я., К вопросу о механизме образования конуса осаждения в слитке // Производство и обработка металлов: Сб. науч. тр. /ЖдМИ.-М., 1955.-Вып,3. - С. 33-46.
6. Скобло С.Я., Особенности затвердевания стали в изложнице // Металлургия ртали: Сб. науч. тр. / ЖдМИ-М., 1961.-Вып. 7.-С. 108-122.
7. Скобло С.Я., Направленность и характер затвердевания слитков различной конфигурации // Сталь. - 1962. - №3. - С. 219-223.
8. Изучение кинетики процесса затвердевания осевой части слитка методом дифференцированного зондирования / Скобло С.Я., Казачков Е.А, Страхов ВТ. и др. //Изв. вузов. Черная металлургия .- 1962.-№3.-С.53-59.
9. Развитие методов исследования процессов затвердевания и неоднородности стальных слитков / Казачков Е.А, Скобло С.Я., Кирюшкин Ю.И. и др. // Теория и практика металлургии чугуна и стали: Сб. науч. тр. / ЖдМИ,- М.,1971. - Вып. 14. - С. 196-208.
10. Казачков Е.А., Ревтов Н.И., Фёдоров В.А. Кинетика кристаллизации крупных слитков спокойной и полуспокойной стали//Изв. вузов. Черная металлургия,- 1973.-№9.-С.39-42.
.11. Казачков Е.А., Шакуров СЛ. Математическое моделирование процесса затвердевания стальных слитков прямоугольного сечения //Изв. вузов.Черная металлургия,- 1974,- №11.-С.54-57.
12. Шакуров СЛ. Оптимизация технологии производства крупных стальных слитков // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып. 7. - С. 165-176.
13. Казачков Е.А., Шакуров СЛ. О рациональном сочетании расчетных и экспериментальных , методов исследования процесса формирования стальных слитков // Изв. вузов. Черная металлургия.-1979-№3.-С. 29-3 1.
14. Исследование процесса затвердевания крупных листовых слитков / Казачков Е.А., Шакуров СЛ., Шосюра Б.Н. и др. II Формирование стального слитка: Сб. науч. тр. / ИПЛ АН УССР-М, 1986,- С.64-67.
15. Киселев А. А., Явойский ВИ. Улучшение трещинноустойчивости стальных слитков // Сталь. - 1961. - №2. - С. 112-119.
16. A.c. 1303254 СССР, MKHB22D 7/00. Слиток IЕ.А.Казачков, Б.Н.Шосюра, Г.Е.Змиевсшщ СЛШакуров и др. (СССР).-№ 3787801/22-02; Заявлено 18.09.84; Опубл. 15.04.87, Бюл. №14. -Зс.
17. A.c. 859857 СССР, МКИ G01N1/10. Пробоотборник жидкого металла / СЛШакуров, Е.А Казачков, ВИ. Шибанов (СССР).- № 2856518; Заявлено 21.12.79; Опубл. 30.06.88, Бюл. №32-2 с.
18. Казачков Е.А., Шакуров СЛ. Механизм формирования химической неоднородности крупных стальных слитков и оптимизация их параметров //Процессы литья. -1996,- №1. - С. 35-44.
19. Казачков Е.А. Математические модели ликвации примесей при затвердевании стальных слитков // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999. - Вып 7. - С. 143-154.
20. Сотоп J., Delorme J., Bastien P. Hétérogénéité des gros lingots de forge//Revue de Metallurgie. -1973. -V. 70, №4. - P. 37-44.
21. Ferry R., Roques С Santé des gros lingots de forge//Rev.de Metallurgie-1957.- V. 54, № 3 -P.175-180.
22. Badaraajakosci stali z wlewkowplaskick o masie do 30 ton/KudlinskiZ., Bondar W. J., Makurow S.L., Kazaczkow J.A. //Hutnik. - 1988. - №10. - S. 280-282.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки Украины, зав. кафедрой 'Теория металлургических процессов" Приазовского государственного технического университета, окончил Московский институт стали и сплавов в 1949 году. Основные направления научных исследований - физико-химические и теплофизические основы новых перспективных процессов выплавки, внепечной обработки и разливки стали. Макуров Сергей Леонидович. Канд. техн наук, доцент кафедры "Теория металлургических процессов", окончил* Мариупольский металлургический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - физико-химические свойства металлургических расплавов, совершенствование процессов разливки и кристаллизации стали.
