CC BY
66
МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.187:621.771
2012 г. А.А. Уманский, А.В. Леонидов
Сибирский государственный индустриальный университет
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ И НАГРЕВА СЛИТКОВ НА КАЧЕСТВО ИХ МАКРОСТРУКТУРЫ
В развитых странах доля разливаемой непрерывным способом стали приближается к 100 %, в отечественной металлургии порядка 25 % стали по-прежнему разливается в изложницы, что в пересчете на абсолютные показатели составляет около 15 млн. т/год. Именно поэтому исследования, направленные на совершенствование технологии производства и обработки слитков, являются актуальными.
Известно, что качество внутренней структуры слитков в значительной степени определяется режимами их затвердевания в процессах транспортировки и нагрева слитков под прокатку. Кристаллизация слитков, разлитых в изложницы, представляет собой сложный, многостадийный, продолжительный по времени процесс. По характеру изменения температуры различных зон слитка процесс кристаллизации отливок можно разделить на три периода (рис. 1): 1 - охлаждение в изложнице; 2 - охлаждение на воздухе (после снятия изложницы); 3 - нагрев под прокатку.
Начало первого периода характеризуется зарождением фронта кристаллизации. В этот момент перепад между температурами образовавшейся твердой корочки и жидкой сердцевины слитка составляет 300 - 400 °С. Интенсивности охлаждения поверхностного и осевого слоев слитка на протяжении первого периода практически не отличаются. Стрипперова-ние слитков (снятие изложниц), которому соответствует начало второго периода, приводит к увеличению скорости охлаждения поверхности слитка и не оказывает заметного влияния на интенсивность охлаждения осевой зоны. В течение третьего периода, ограниченного временными рамками нахождения слитков в нагревательных колодцах, происходит разнонаправленное изменение температуры поверхностных и осевых слоев слитка: поверхность слитков интенсивно нагревается, в осевой зоне продолжается постепенное снижение температуры.
Продолжительность и соотношение продолжительностей указанных периодов кристаллизации определяют скорость затвердевания различных слоев слитка и оказывают
/800 1600 ¡400
Н 1200
| 1000
I S00 с
“ 600 400 200 0
Охлаждение
л 2
Охлаждение на
(.030IW
. • Т
Нш'¡te.fi под прокатку
Периоды кристаллизации
Рис. 1. Изменение температуры осевой зоны (—)
и поверхностных слоев (---) слитка в процессе
кристаллизации
значимое влияние на формирование качества внутренней структуры отливок. Однако среди исследователей отсутствует единое мнение об оптимальных режимах кристаллизации слитков. Так, хотя существует многочисленный положительный опыт внедрения на металлургических комбинатах технологии ускоренной транспортировки слитков к нагревательным колодцам и посада их с незатвердевшей сердцевиной [1 - 3], ряд авторов приводит данные о резко негативном влиянии уменьшения времени охлаждения слитков на качество их макроструктуры. По данным исследований, проведенных на комбинате «Криворожсталь» (Украина), В.Г. Писаренко и его соавторы установили, что посад слитков стали марки 3Гтрпс с повышенным теплосодержанием влечет за собой увеличение потерь по усадочным дефектам более, чем в четыре раза [4]. Также в литературе приводятся данные о том, что технологию нагрева слитков с «жидкой» сердцевиной нецелесообразно применять для сталей сортамента с высокими требованиями по макроструктуре [5]. Такие рекомендации объясняются риском увеличения количества внутренних дефектов из-за уменьшения скорости кристаллизации осевых слоев слитка.
Повышение качества макроструктуры слит-
Т а б л и ц а 1
Продолжительность (т) нагрева слитков при использовании различных технологий при различной температуре Т посада слитков
Технология нагрева т, ч - мин при Т, °С
925 920 915 910 905 900 895 885
С повышенным теплосодержанием 3 - 20 (0 - 30) 3 - 05 (0 - 25) 3 - 00 (0 - 20) 2 - 50 3 - 00 3 - 15 3 - 30 3 - 50
Традиционная для
слитков горячего посада 5 - 10 5 - 10 5 - 15 5 - 15 5 - 20 5 - 20 5 - 25 5 - 30
П р и м е ч а н и е. В скобках приведены данные для режима без подачи топлива.
ков в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач для ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». На комбинате, где годовое производство разлитых в изложницы слитков составляет 4 млн. т, по данным за 2010 г. получено более 9000 т дополнительной обрези по дефектам макроструктуры (расслой, усадочная рыхлость, неметаллические включения). Кроме того, получено более 1100 т брака готовой слябовой заготовки по этим же дефектам.
С целью исследования влияния режимов нагрева слитков на формирование внутренней структуры слитков в условиях ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» проведен опытно-промышленный эксперимент. (Исследования выполнены в рамках НИР, тема 17-01. Руководитель работы И.С. Кузнецов; исполнители А.Е. Прахов, А.А. Уманский и др.)
Слитки плавки стали 3пс текущего производства, посаженные в ячейку нагревательных колодцев с одинаковой (900 °С) температурой, были разделены на две партии. Первая партия, состоящая из нечетных по ходу разливки слитков, выдавалась из нагревательных колодцев через 3 ч 15 мин, что соответствует продолжи-
тельности нагрева слитков при использовании технологии их нагрева при повышенном теплосодержании. Длительность нагрева слитков второй партии, состоящей из четных по ходу разливки слитков, составила 5 ч 40 мин, что соответствует традиционной технологии нагрева слитков горячего посада (табл. 1).
После нагрева слитки обеих партий были прокатаны на блюминге на слябовую заготовку одинакового сечения 173x590 мм, от готовых слябов отобраны пробы для оценки качества макроструктуры. Использовали следующую схему отбора проб: от слябов, соответствующих головной части слитка, пробы отбирали из центра поперечного сечения по всей длине, от остальных слябов - из центра поперечного сечения по одной пробе от каждого сляба. В общей сложности от каждого слитка отбирали по 18 проб.
В результате проведенного исследования макроструктуры установлено, что несплошно-сти без скопления неметаллических включений (рис. 2, а) имеются на слябах, прокатанных из слитков обеих партий. Однако количе ство таких несплошностей на слябах, получен-
Рис. 2. Макроструктура слябов: а - незаварившиеся несплошности, заполненные жидким шлаком; б - незаварившиеся несплошности без скопления
неметаллических включений
Т а б л и ц а 2
Анализ макроструктуры слябов
Общее количество проб, шт. Количество проб с незаварив-шимися несплошностями, шт. Количество проб с незаварив-шимися несплошностями, %
т, ч - мин незаполненными шлаком незаполненными шлаком
заполненными шлаком заполненными шлаком
5 - 40 18 14/4 77,8/22,2
З - 15____________________18_________________________________10/-________________________________________55,6/-
ных из слитков с меньшим временем нагрева, меньше в 1,4 раза (табл. 2). Кроме того, в макроструктуре проб от нагретых по традиционной технологии слитков в довольно значительном количестве (22 % от общего количества проб) имеются заполненные шлаком несплошности (рис. 2, б), а на слитках с меньшим временем нагрева такие дефекты отсутствуют.
В результате проведенного металлографического анализа установлено, что основными составляющими шлака являются оксиды железа, кремния, марганца, а также сложные соединения на их основе (фаялит Fe2SiO4). Состав шлака в неслошностях существенно отличается от состава конвертерного шлака. Конвертерный шлак содержит 43 - 52 % CaO; 14 -22 % SÍO2; 8 - 25 % FeO; 2 - 6 % Fe2O3; 3 - 12 % MnO; 3 - 7 % AI2O3; 1,5 - 4,0 % MgO; 0,5 -4,0 % P2O5; менее 3,0 % CaF2; менее 1,0 % CaS (по массе). Таким образом можно сделать вывод, что в основном шлак в несплошностях образуется в результате окисления металла печной атмосферой при нагреве слитков под прокатку.
При увеличении времени нахождения слитков в нагревательных колодцах при высокой температуре повышается вероятность нарушения сплошности «моста» плотного металла (рис. 3), в результате чего происходят оголение усадочной раковины и окисление последней кислородом печной атмосферы с образованием шлака. Наличие в составе шлака фаялита с температурой плавления 1178 °С приводит к тому, что при нагреве слитков под прокатку до температуры 1300 °С шлак переходит в жидкое состояние и проникает в расположенные под усадочной раковиной поры (подусадочная рыхлость) (рис. 3). В процессе проведения опытных плавок присутствие шлака в жидкой фазе зафиксировано при наблюдении процесса обрезки концевых участков раската на ножницах после блюминга.
Для подтверждения полученных выводов о влиянии продолжительности нагрева слитков на качество их макроструктуры проведен анализ данных по 50-и плавкам стали 3пс текуще-
го производства, из которых слитки 25 плавок нагревали по технологии с повышенным теплосодержанием, а слитки оставшихся 25 плавок - по традиционной технологии для слитков горячего посада (согласно нормативов, приведенных в табл. 1). По результатам анализа производственных данных установлено, что при использовании технологии нагрева слитков с повышенным теплосодержанием количество дополнительной обрези из-за наличия внутренних дефектов в среднем меньше в 1,9 раза количества обрези при использовании традиционной технологии нагрева (табл. 3). Это подтверждается экспериментальными данными.
По полученным данным при нагреве слитков по технологии с повышенным теплосодержанием расходный коэффициент металла на прокат при переработке слитков в слябы снижается на 1,5 кг/т (табл. 3). На уменьшение расходного коэффициента наибольшее влияние оказало снижение потерь в виде угара и окалины (1,2 кг/т), что обусловлено меньшей на 2,0 - 2,5 ч продолжительностью нагрева при использовании технологии нагрева слитков с повышенным теплосодержанием.
Кроме того, зафиксировано уменьшение количества технологической обрези на ножни-
Рис. 3. Строение слитка полуспокойной стали:
1 - наружная корочка слитка; 2 - зона сотовых пузырей; 3 - усадочная раковина; 4 - подусадочная рыхлость;
5 - «мост» плотного металла
Т а б л и ц а 3
Сравнительный анализ величины отходов при производстве слябов из слитков, нагретых по различным технологиям
Значение показателя при нагреве слитков
Показатель с повышенным теплосодержанием традиционном для слитков горячего посада Отклонение
Дополнительная обрезь по дефектам внутренней структуры, м/плавка 0,26 0,49 -0,23
Расходный коэффициент, кг/т 1104,8 1106,3 -1,5
цах после блюминга на 0,3 кг/т. Наличие технологической обрези обусловлено необходимостью удаления концевых участков раската, имеющих отличную от правильной геометрическую форму после прокатки (дефект -торцевая утяжка). Соответственно протяженность такого дефектного участка определяет величину технологической обрези. В данном случае уменьшение величины торцевой утяжки связано с более благоприятным распределением температур по сечению слитка при использовании технологии нагрева слитков с повышенным теплосодержанием. Более высокая температура металла в осевой зоне слитка по сравнению с температурой поверхностных слоев в момент прокатки способствует снижению развития торцевой утяжки, что подтверждается авторами исследований [2].
При уменьшении времени нагрева слитков существует вероятность выдачи в прокатку непрогретых слитков с пониженной пластичностью, что приведет к увеличению нагрузки на основное и вспомогательное оборудование, повысит вероятность возникновения поверхностных дефектов при прокатке. Проведенным анализом данных по вышеприведенной выборке из 50-и плавок стали марки 3пс установлено, что при использовании технологии нагрева слитков с повышенным теплосодержанием температура прокатки слитков на блюминге ниже температуры слитков, нагретых по традиционной технологии, в среднем на 10 °С, что не превышает погрешности измерительных приборов. Таким образом можно констатировать, что уменьшение времени нагрева слитков
в указанных пределах не приводит к снижению степени их прогрева.
Выводы. В результате промышленных экспериментов, проведенных в условиях ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», установлено, что применение режимов ускоренной транспортировки и нагрева слитков с незатвердевшей сердцевиной позволяет улучшить макроструктуру слябов, получаемых из слитков. При этом не происходит ухудшения прогрева слитков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Б о й к о В.С. Производство проката из слитков с жидкой сердцевиной // Сталь. 2001. № 9. С. 43 - 45.
2. М а н т у р о в В.В. Технология производства слябов при нагреве слитков с жидкой сердцевиной // Сталь. 1994. № 11. С. 38 -40.
3. Тили к В.Г. Новые режимы нагрева слитков для прямой транзитной прокатки на комплексе слябинг - стан 1680 // Сталь. 2003. № 10. С. 29 - 31.
4. П и с а р е н к о В. Г. Влияние технологических факторов прокатного производства на дефектность заготовок сортамента обжимных цехов комбината «Криворож-сталь» // Производство проката. 2004. № 10. С. 27 - 32.
5. К а з а н ц е в Е.И. Энергосберегающая
технология нагрева слитков. - М.:
Металлургия, 1992. - 176 с.
© 2012 г. А.А. Уманский, А.В. Леонидов Поступила 19 апреля 2012 г.
