CC BY
135
УДК 621.746.584.047:669.14
А.С. Королёв
ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ АКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ЗАГОТОВОК
При разливке стали на современных машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) активное воздействие на процесс кристаллизации металла обычно ограничивается изменением расхода охладителя по форсуночным секциям зоны вторичного охлаждения в зависимости от технологических параметров (химического состава металла, размеров поперечного сечения слитка, скорости разливки и т.д.). Повышение требования к качеству заготовок делает актуальной задачу поиска новых способов активного воздействия на процесс кристаллизации металла. В течение всей истории непрерывной разливки прослеживается тенденция, состоящая в разработке новых и усовершенствовании существующих способов воздействия на процесс кристаллизации металла. По литературным данным эти разработки заключаются:
- в электромагнитном перемешивании металла;
- в вводе микрохолодильников;
- в обжатии затвердевающего слитка;
- в пульсационной продувке металла в кристаллизаторе
инертным газом;
- в ультразвуковом воздействии на металл.
Наиболее широкое распространение получило электромагнитное перемешивание металла с целью гомогенизации структуры отливаемых слитков, а также равномерного распределения примесей по всему их объему.
Электромагнитное перемешивание может производиться в трех, а иногда и четырех уровнях: в кристаллизаторе, зоне вторичного охлаждения, зоне окончания затвердевания.
Эффект от электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе связывают, с одной стороны, с изменением гидродинамики в жидкой фазе при наложении принудительного, упорядоченного и
© Королёв А.С., 2010
управляемого движения на гидродинамические потоки от струи, истекающей из промежуточного ковша в кристаллизатор [1]. С другой стороны, перемешивание в кристаллизаторе теплофизически создает условия кристаллизации, аналогичные формированию макроструктуры при разливке с небольшим перегревом металла над точкой ликвидуса. Поэтому электромагнитное перемешивание в кристаллизаторе наиболее целесообразно и эффективно.
Электромагнитное перемешивание в зоне вторичного охлаждения также способствует улучшению качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок. В отличие от электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, где формирование корочки изначально происходит под действием потоков, создаваемых магнитным полем, перемешивание в зоне вторичного охлаждения может сопровождаться образованием зоны отрицательной ликвации, выявляемой на серных отпечатках в виде светлого контура [1].
Большое влияние в улучшении качества центральной зоны непрерывнолитых заготовок, особенно из высокоуглеродистых сталей, должно оказывать перемешивание в конечной стадии затвердевания.
С. Г. Коллберг, X. Р. Хакль, А. Ф. Лехман, Я. Э. Эриксон из института ABB Automation Technologies АВ (Швеция) показали [2], что применение системы электромагнитного торможения для разливки тонкого сляба сегодня - одна из современных технологий для высокопроизводительных МНЛЗ. Однако организация оптимального потока жидкой стали в кристаллизаторе при разливке традиционных слябов - задача более сложная. Важно не только обеспечить условия стабильности потока и оптимальную скорость на мениске для улучшения качества поверхности и подповерхностного слоя, но и минимизировать поток вглубь непрерывной заготовки для уменьшения образования внутренних дефектов. Вероятно, в ближайшее время этот метод получит развитие в совокупности с использованием погружных стаканов оптимальной геометрической формы, которая будет создаваться для каждого конкретного случая.
При применении технологии электромагнитного перемешивания металла не были получены те результаты, которые ожидались. В электросталеплавильном цехе Магнитогорского металлургического комбината имеются две сортовые машины непрерывного литья заготовок. На одной есть устройство электромагнитного перемешивания металла, а на другой - нет. Сопоставление качества металла, отливаемого на этих МНЛЗ, не выявило существенного различия в качестве заготовок [3].
Помимо электромагнитного перемешивания металла особую роль занимает технология охлаждения жидкого металла при помощи ввода ленты в кристаллизатор, так называемые микрохолодильники [4]. В работе [4] приводится описание экспериментов по улучшению структуры непрерывнолитых слябов. Авторы осуществляли ввод ленты из низкоуглеродистой стали в кристаллизатор. Результаты этих исследований являются отправной точкой при построении математической модели, используемой для решения одной из предварительных задач - тепловой. Описываемая модель используется для расчета распределения температурных полей при вводе ленты.
Помимо ввода ленты в качестве охладителя, применяют также порошки различного наполнения, продувку аргоном. Возможно также сочетание этих методов [5].
При повышении качества внутренних зон непрерывнолитых слябов особое внимание уделяется условиям движения заготовки в зоне вторичного охлаждения [6]. Помимо процессов развития ликвации в ходе затвердевания, на качество заготовки существенно влияют интенсивность охлаждения, ферростатическое давление, соблюдение геометрических размеров в зависимости от установки направляющих роликов и других факторов. Вполне понятно, что устранить эти факторы без дополнительных мероприятий на практике крайне сложно. По свидетельству ряда исследователей [7], эта задача достаточно успешно решается при использовании метода «мягкого» обжатия заготовки в конце жидкой зоны. Основные положительные эффекты указанного метода - это значительное подавление осевой пористости, снижение осевой ликвации и улучшение условий формирования кристаллической структуры в зоне равноосных кристаллов, уменьшение V-образной ликвации.
Анализ перспективных способов повышения качества непре-рывнолитых заготовок показывает, что каждый из них в отдельности не обеспечивает улучшение всего комплекса показателей качества непрерывнолитых слитков [8]. В этой связи представляется необходимым реализовывать комплексные внешние воздействия на процесс кристаллизации на различных участках жидкой лунки формирующегося непрерывнолитого слитка за счет использования пульсационной продувки металла инертным газом в кристаллизаторе МНЛЗ для уменьшения зоны столбчатых кристаллов и снижения содержания неметаллических включений.
Пульсационная продувка инертным газом при разливке совмещает в себе два процесса воздействия на формирующуюся
заготовку: продувку инертным газом и пульсационное перемешивание расплава.
Пульсационная продувка в кристаллизаторе МНЛЗ может быть осуществлена при следующих технологических параметрах [9]:
- расход аргона до 5 л/мин;
- частоте пульсаций до 16 Гц;
- амплитуда колебаний давления газа в системе от 0,08 до 0,15 МПа.
В процессе проведения эксперимента по данному методу выявлено, что при расходе газа 4-5 л/мин на «зеркале» металла в кристаллизаторе наблюдаются волны.
Данная технология проста в эксплуатации, не требует крупных установок. Время затвердевания слитка с пульсационной продувкой меньше на 5-7%, чем слитка, отлитого без внешнего воздействия, практически отсутствует температурный градиент во всем объеме жидкой лунки.
Перспективным представляется ультразвуковое воздействие на кристаллизующийся металл. В настоящее время во ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» совместно с ОАО «ММК» в рамках государственного контракта проводится работа по разработке инновационной технологии улучшения структуры непрерывноли-тых слябов [10]. Она основана на обработке расплава механическими колебаниями определенной частоты.
Если выбранная частота и частота собственных колебаний отличаются (перекрытия спектров не происходит), то эффект от воздействия не проявляется [11]. Однако если подобрать частоту воздействия, совпадающую с частотой собственных колебаний, то в системе достигается резонанс. В этом случае даже при небольшой мощности возбуждающих колебаний результирующая амплитуда возрастает многократно. Последнее позволяет использовать компактные излучатели и генераторы существенно меньшей мощности, что ведет к резкому снижению потребляемой энергии и массогабаритных параметров установки.
Технология ультразвукового воздействия на металл является комплексной. Помимо самого воздействия необходимо в кристаллизующийся металл вводить ленту из низкоуглеродистой стали. Воздействие ультразвука на вводимую в металл ленту, которая снижает перегрев металла в кристаллизаторе, вызывает ее дробление и образование в жидком металле центров кристаллизации. Однако введение расходуемой ленты в кристаллизатор является самой сложной технической задачей [12].
Сопоставление основных достоинств и недостатков основных способов активного воздействия на металл в процессе кристаллизации непрерывнолитых заготовок приведено в таблице.
Краткая характеристика способов активного воздействия на металл в процессе непрерывной разливки
Параметр Способ активного воздействия на металл
Электромагнитное перемешивание Микрохолодильники Мягкое обжатие Пульса-ционная продувка Ультразвук
Габариты установки Большие Большие Средние Средние Компактные
Дороговизна обслуживания + + + ± —
Качество непрерыв-нолитой заготовки ± ± + + +
Из таблицы видно, что перспективным методом активного воздействия на процесс непрерывной разливки металла является ультразвуковое воздействие, так как установка компактная, не нуждается в дорогостоящем обслуживании, качество непрерывно литой заготовки при таком способе воздействия значительно выше по сравнению с остальными методами.
Список литературы
1. Intern. Symposium on Electromagnetic Processing of Materials. 1994. Nagoya. ISIJ. P. 398.
2. Традиционная разливка стали на МНЛЗ с применением электромагнитных систем / С.Г. Коллберг, Х.Р. Хакль, А.Ф. Лехман и др. // Сталь. 2007. №5. С.53-61.
3. Влияние электромагнитного перемешивания на структуру и химическую неоднородность в сортовой непрерывнолитой заготовке / А.Б. Великий, А.С. Казаков, В.П. Филиппова и др.// Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. №4. С.37-40.
4. Dauby P., Kunstreich S. Application of micro-refrigerators as the active element on the crystallization of metal // ISS Tech. 2003. P.491-504.
5. Wolf M. Application of micro-refrigerators // Iron and Steel Intern. №9. 1995. Р.36-37.
6. Lee S.M., Kwon O.D. Micro-refrigerators as the active element acting on the crystallization of metall // ISSTech. 2003. Р505-518.
7. Непрерывная разливка стали на слябы / Смирнов А.Н., Пилю-шенко В.Л., Минаев А.А. и др.// Процессы непрерывной разливки. Донецк: ДонНТУ, 2002. С.33 - 41.
8. Пути повышения качества металлопродукции / Быков П.О., Ка-наев А.Т., Богомолов А.В. и др.// Труды международной научно-технической конференции «Современные проблемы механики, строительства и машиностроения». Павлодар, 2006. Т.2. С.98-104.
9. Качество непрывнолитых заготовок / Быков П.О., Никитин Г.М., Сержанов Р.И., Богомолов А.В., Иксан Ж.М. // Труды Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана» (6-7 декабря 2007 г.) / Мин-во образования и науки Республики Казахстан; Караганд. гос. техн. ун-т. Караганда, 2007. С. 379-383.
10. Голенков М.А., Жихарев П.Ю. Разработка перспективных способов волнового резонансного воздействия для улучшения структуры непрерывнолитых слябов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. №1. С. 41-46.
11. Kittaka S., Kanki T., Watanabe K., Miura Y. Ultrasonic methods оf influence on the crystallization of metal // Nippon Steel Technical Report. 2002. № 86, July. P. 68-73.
12. Nakashima J., Kiyose A., Ohtani Y., Fukuda J., Kawase T., Doki M. Micro-refrigerators// Nippon Steel Technical Report. 2002. N 86, July. P. 68-73.
