Применение внешних воздействий при затвердевании слитков
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Процессы производства крупных слитков улучшенного качества

Применение внешних воздействий при затвердевании слитков

В процессе производства крупных слитков для подавления и предотвращения дефектов получили распространение многочисленные технологические приемы, воздействующие на слиток в процессе затвердевания. В основу динамических методов положен принцип принудительного физического воздействия на жидкую фазу в ходе затвердевания. Эти приемы обычно обеспечивают активное воздействие не только на тепло- и массоперенос в жидкой фазе, но также существенно изменяют характер протекания процессов в двухфазной зоне.

Методы динамического воздействия на жидкую фазу расплава при его затвердевании, нашедшие практическое применение при производстве слитков и заготовок, по характеру физического воздействия можно условно разделить на две группы: методы электромагнитного и электрофизического воздействия и методы виброимпульсных воздействий.

Метод электромагнитного перемешивания получил широкое распространение для повышения качества непрерывнолитых заготовок. Эффект перемешивания в этом случае достигается посредством наложения на расплав электромагнитного поля. При этом, регулируя параметры тока, подаваемого на расположенные у поверхности заготовки катушки, можно получить различную скорость и направление движения потоков жидкой стали.

Под действием потоков металла происходит подплавление верхушек дендритов или просто их обрушение. В свою очередь, обломки дендритов, становясь дополнительными центрами кристаллизации, увеличивают зону равноосных кристаллов. Следовательно, принудительное перемешивание может остановить процесс роста зоны столбчатых кристаллов и способствовать началу образования зоны равноосных кристаллов. Помимо этого, перемешивание жидкого металла вблизи затвердевающей корочки отливаемой заготовки обеспечивает усреднение температуры и химического состава кристаллизующегося металла, что является эффективным средством снижения осевой зональной ликвации.

Турбулентное движение расплава, развивающееся при электромагнитном перемешивании, уменьшает тенденцию к осаждению на межфазной поверхности раздела уже существующих в стали оксидных включений; кроме того, отмечается их принудительная транспортировка к мениску, где они переходят в защитный шлаковый слой. Направленный поток также обеспечивает размывание локальных объемов обогащенных ликватами зон расплава. Формирующиеся в подобных условиях сульфиды мельче и более равномерно распределены в осевой зоне кристаллизующейся заготовки.

Между тем, применение метода электромагнитного перемешивания для управления качеством крупных слитков и отливок представляется весьма проблематичным, поскольку по мере увеличения сечения заготовок существенно возрастают проблемы с обеспечением равномерного проникновения поля по всему сечению жидкой фазы.

Электрофизические воздействия обладают большими потенциальными возможностями вследствие существенного влияния на структурно-чувствительные свойства, процессы кристаллизации и тепловые аспекты формирования литого металла. При наложении электростатического поля определенной напряженности удается уменьшить межфазное натяжение в расплаве, критический радиус зародыша и работу его образования, что способствует измельчению структуры слитка и повышению скорости кристаллизации. Экспериментальные исследования показали, что в заготовках, полученных в условиях электрофизического воздействия, улучшаются структура и механические свойства, сокращается газовая пористость, уменьшается содержание неметаллических включений при их более равномерном распределении.

Идея виброимпульсной обработки металла в процессе затвердевания слитков и отливок известна достаточно давно и была предложена Д. Черновым. Вибрационная обработка обеспечивает измельчение литой структуры, изменяет форму и глубину проникновения усадочной раковины, а также благоприятствует улучшению абсолютных показателей механических свойств (твердость, предел текучести и прочности, относительное удлинение и т.д.) при повышении физической и химической однородности. Достижение определенных положительных эффектов обычно связывается с проявлением в ходе вибрационной обработки различного рода физических эффектов: кавитационных явлений, волновых процессов на поверхности расплава, эффектов развития неустойчивости термогравитационных потоков и формирования зон с направленным принудительным перемешиванием жидкой фазы, эффектом зарождения и роста в расплаве частиц твердой фазы и пр.

Как видно из рис.7.1, идея наложения на расплав виброимпульсного воздействия может быть реализована различными способами. Выбор способа наложения воздействия, видимо, во многом определяется спецификой каждого конкретного объекта, а также целями, которые решаются в ходе обработки. В общем случае виброимпульсное воздействие может прикладываться либо к изложнице, либо непосредственно вводиться в расплав с помощью специальных приспособлений.

Приложение виброимпульсного воздействия непосредственно к литейной форме (рис.7.1, а-б) представляет весьма значительный практический интерес, поскольку в этом случае оказывается возможной одновременная обработка нескольких слитков любого размера и массы. Вместе с тем, интенсивность обработки в этом случае может иметь определенные ограничения, которые связаны с устойчивостью изложниц на виброплатформе.

Основные способы виброимпульсной обработки затвердевающего металла

Рисунок 7.1 - Основные способы виброимпульсной обработки затвердевающего металла

Акустические и ультразвуковые методы воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл (рис.7.1, в) получили достаточно широкое распространение в металлургии цветных и специальных сплавов. Благодаря высокой интенсивности, ультразвуковое воздействие оказывает влияние на протекание тепломассообменных процессов в жидкостях и газах, на структуру твердых тел и процессы контактного взаимодействия. Основные положительные эффекты, достигаемые при такой обработке следует связывать с эффектом интенсивного развития процессов кавитации. Вместе с тем, нельзя не отметить, что использование ультразвуковой обработки представляется весьма проблематичным для промышленных слитков большой массы. Это объясняется тем фактом, что эффект ультразвуковой обработки расплава проявляется в весьма ограниченном объеме, прилегающем непосредственно к источнику колебаний.

Метод электрогидроимпульсной обработки (рис. 7.1, г) показал достаточно высокую эффективность в условиях металлургического производства. Идея этого метода заключается в наложении короткоимпульсных воздействий большой мощности на затвердевающий слиток. При этом в ходе прохождения импульса формируется широкий спектр частот колебаний. Между тем, электрогидроимпульсная обработка обладает рядом особенностей, затрудняющих эффективную техническую реализацию метода в промышленности. В первую очередь, это относится к тому факту, что амплитуда колебаний выходных звеньев обычно невелика (порядка десятых долей миллиметра), а эффект такой обработки зависит от качества контакта рабочего органа с обрабатываемой поверхностью. По существу высокий положительный эффект обработки достигается только при условии так называемого «безотрывного контактирования », выполнение которого в случае воздействия на слитки представляется крайне затруднительным. Кроме того, использование системы боковых разрядных устройств в системе «стенка изложницы - нарастающая оболочка – расплав» связано с высокими потерями механической энергии через формирующуюся оболочку и через стенку изложницы, а также с сужением спектра генерируемых частот.

Обработка расплава погружаемым колеблющимся стержнем (рис.7.1, д) с частотой 0,2-3,0 Гц обеспечивает, главным образом, интенсификацию процесса зародыше-образования. Зарождение кристаллов начинается симметрично от источника колебаний в областях, прилегающих одновременно к затвердевающей корочке и свободной поверхности расплава. Процесс носит лавинообразный характер, и мелкодисперсные кристаллы заполняют все пространство, окружающее вибрирующий стержень. По ходу обработки частицы твердой фазы оседают с малой скоростью в донную часть слитка. Исследования, выполненные на промышленных (6 т) стальных слитках, свидетельствуют о более мелкозернистой структуре слитка в равноосной зоне при уменьшении протяженности зоны столбчатых кристаллов. При этом значительного изменения распределения sликвирующих элементов в опытных слитках не наблюдали.

Принципиальная схема метода пульсационной обработки жидкой сердцевины слитка включает в себя периодическое заполнение и вытеснение металла из погружаемой в расплав огнеупорной трубы. Колебания уровня металла в трубе достигаются путем определенного изменения давления газа в ее внутренней полости. При обработке жидкой фазы слитков огнеупорную трубу располагают в центральной части прибыли. Направленное циклическое движение вытесняемой струи металла существенно изменяет направление и скорость движения потоков в жидкой ванне. Кроме того, в ходе обработки на расплав накладываются колебания достаточно высокой интенсивности, что обеспечивает развития кавитационных эффектов, которые сопутствуют ранее рассмотренным методам виброимпульсных воздействий. В отличие от всех ранее рассмотренных методов пульсационное воздействие обеспечивает управление расположением внецентренной ликвации в слитке.

В целом методы динамических воздействий (табл.7.1) обеспечивают разносторонние качественные эффекты, что делает их более предпочтительными с точки зрения кардинального повышения качества слитков и заготовок. Особенно высокая эффективность динамических воздействий достигается в случае наложения на расплав вибрационных импульсов в совокупности с регламентированным принудительным перемешиванием.

Таблица 7.1 - Влияние различных методов воздействия на подавление дефектов и качество слитков

Однако, для достижения максимального положительного эффекта необходимо ответить на определенную совокупность вопросов:

  1. какие энергетические показатели перемешивания наиболее рациональны;
  2. рациональное место приложения источника воздействия;
  3. какой объем расплава необходимо перемешивать (весь объем или локальную область);
  4. предпочтительное движение потоков (линейное или циркуляционное);
  5. целесообразность реверсирования движения потоков через определенный временной интервал;
  6. какая предельная скорость движения потоков допустима;
  7. в какой степени требуется реконструкция существующего технологического оборудования при реализации предлагаемой схемы перемешиваниия.