Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 3.3.1

Качание (осцилляция) кристаллизатора и влияние его параметров на формирование заготовки

Начало процесса образования твердой корочки при непрерывной разливке стали происходит в виде частичного охлаждения мениска в области контакта жидкого металла с кристаллизатором (вплоть до появления твердой фазы). Как показывает практика, в процессе формирования твердой корочки может наблюдаться явление ее прилипания к поверхности кристаллизатора. В этом случае в корочке возникают растягивающие напряжения, которые вызываются движением (вытягиванием) заготовки из кристаллизатора. В конечном счете, в твердой корочке возникают разрывы, которые затем могут приводить к прорывам и вытеканию стали под кристаллизатором.

Предотвращение прилипания и последующего разрыва образовавшейся тонкой корочки стали во время перемещения кристаллизующейся заготовки – одна из главных функций ра- боты кристаллизатора. При разрыве твердой корочки вследствие прилипания ее часть, расположенная вблизи зеркала жидкой стали, сцепляется со стенкой кристаллизатора и отделяется от движущейся вниз корочки (рисунок 3.39, 1). На место образовавшегося разрыва проникает жидкий металл, который при затвердевании уже не успевает образовать корочку достаточной толщины и прочности (рисунок 3.39, 2). Получающееся соединение является достаточно непрочным и может разрушаться как при движении слитка в кристаллизаторе (рисунок 3.39, 3,4) так и при выходе из него (рисунок 3.39, 5).

Минимизации явления прилипания твердой корочки удается достигнуть в том случае, когда усилие трения между поверхностью заготовки и стенками кристаллизатора оказы- вается ниже определенного критического уровня, который определяется в зависимости от прочности корочки.

При анализе процесса трения между заготовкой и кристаллизатором установлено, что уровень величины силы трения зависит от ряда факторов, в том числе от марки разли- ваемой стали. Эта зависимость может быть представлена через коэффициент трения в функции от содержания углерода.

При прочих равных условиях уровень силы трения при литье сталей, содержащих менее 0,06 % С, получается очень высоким. Минимальная сила трения получается при содержании углерода в пределах 0,08 - 0,12%. При дальнейшем повышении содержания углерода в стали уровень сил трения снова несколько повышается. Содержание кремния и марганца в стали также оказывает влияние на уровень сил трения. Так, кремний усиливает трение, а марганец уменьшает его.

Схематическое представление механизма образования прорыва под кристаллизатором вследствие прилипания и разрушения корочки

Рисунок 3.39 – Схематическое представление механизма образования прорыва под кристаллизатором вследствие прилипания и разрушения корочки

Большое значение для уменьшения сил трения, в процессе непрерывной разливки стали имеет технологическая смазка. Смазка снижает усилие сопротивления вытягиванию заготовки в 1,5-2,5 раза. При этом имеет значение метод подвода и равномерность подачи смазки в кристаллизатор. Сила трения также зависит от величины активной поверхности трения, толщины пленки смазки между компонентами трения и от вязкости смазочного материала.

Снижение вероятности прилипания корочки к стенкам кристаллизатора достигается путем придания кристаллизатору возвратно-поступательных движений с определенной частотой и амплитудой. При этом в зазор между корочкой и кристаллизатором подается смазывающее вещество: шлакообразующая смесь или жидкое масло. При температурах непрерывной разливки шлакообразующая смесь в месте контакта с металлом подплавляется, а масло сгорает. Жидкая смесь или остатки продуктов сгорания масла заполняют зазор между коркой слитка и стенкой кристаллизатора, что снижает величину сил трения.

Технология разливки металла с использованием качаний (возвратно-поступательных движений) кристаллизатора предложена З.Юнгхансом (Германия) в начале 30-х годов прошлого столетия. Однако основной эффект от качания кристаллизатора был достигнут только в 50-е годы прошлого века за счет выбора таких параметров осцилляции, при которых в определенные периоды времени кристаллизатор, двигаясь в том же направлении, что и заготовка, обгоняет ее. Этот отрезок времени называется периодом отрицательного раздевания слитка (negative strip time) или временем опережения.

Другим важным шагом модификации параметров качания явился переход к синусоидальному закону движения кристаллизатора. Считается, что впервые в мировой практике синусоидальный закон колебаний применили на двух российских МНЛЗ Новолипецкого металлургического комбината для разливки слябов еще в 1959 году. Схема реализации синусоидального закона качания кристаллизатора представлена на рисунке 3.40. Для реализации этого закона качания кристаллизатора используется электропривод.

Вплоть до последних 10-15 лет синусоидальный режим колебаний рассматривался как стандартный режим, применяющийся практически на всех МНЛЗ. Это объясняется тем, что его модель достаточно проста в реализации и имеет преимущества меньших моментов инерции и меньших рывков ускорения (величина изменения ускорения во времени).

Схема электромеханического привода механизма качания кристаллизатора

Рисунок 3.40 – Схема электромеханического привода механизма качания кристаллизатора (синусоидальные движения): 1 – привод механизма качания; 2 – система рычагов; 3 – стол качания кристаллизатора; 4 – непрерывнолитая заготовка; 5 – кристаллизатор; 6 – места установки акселерометров для контроля параметров качания

Для синусоидального закона качания кристаллизатора различают два основных критерия выбора параметров качания:

  • время опережения N , определяемое по формуле
  • где Vc – скорость вытягивания (разливки) заготовки;

  • индекс опережения, устанавливающий соотношение между средней скоростью движения кристаллизатора Vm = 2hf (h – величина хода кристаллизатора за один цикл качаний; f – частота колебаний) и скоростью разливки Vc.

В последнее время основная доля новых и модернизированных МНЛЗ оснащается кристаллизаторами с гидроприводами, которые позволяют осуществлять несинусоидальный режим качаний (рисунок 3.41). Считается, что несинусоидальные режимы качания позволяют существенно повысить скорость разливки и улучшить качество поверхности и подповерхностных слоев заготовки.

Графики изменения скорости движения кристаллизатора для синусоидального и несинусоидального закона с частотой цикла 2 Гц

Рисунок 3.41 – Графики изменения скорости движения кристаллизатора для синусоидального и несинусоидального закона с частотой цикла 2 Гц

Обычно рекомендуется обеспечивать величину времени опережения N на уровне 0,25-0,30 с и более (не превышая значения 1,0 с). Для высокоскоростных сортовых МНЛЗ величина времени опережения выбирается на уровне 0,12-0,14 с. При этом оптимизация величины N осуществляется не только из соображений минимизации вероятности прорывов и обрывов заготовки, но и из условия уменьшения глубины проникновения в нее следов качания. При оптимизации параметров качания кристаллизатора с помощью индекса опережения обычно рекомендуется принимать его оптимальное значение на уровне 1,25-1,40.

Общий вид приводов механизма качания представлен на рисунке 3.42. В результате качаний кристаллизатора на поверхности заготовки формируются поперечные углубления в виде канавок, которые принято называть «следами качания» (рисунок 3.43).

Привод качания кристаллизатора: электромеханический для сортовой МНЛЗ и гидравлический для слябовой МНЛЗ

Рисунок 3.42 – Привод качания кристаллизатора: электромеханический для сортовой МНЛЗ (а) и гидравлический для слябовой МНЛЗ (б)

Характер расположения следов качания на поверхности заготовки для двух различных режимов качания

Рисунок 3.43 – Характер расположения следов качания на поверхности заготовки для двух различных режимов качания

Характер расположения следов качания на поверхности заготовки позволяет судить об особенностях поведения твердой корочки в кристаллизаторе. Нормальным положением следов качания считается их параллельное расположение друг относительно друга с одинаковым расстоянием между следами. Любые отклонения от такой картины следует рассматривать либо как сбои в работе механизма качания, либо как последствия прилипания корочки вследствие недостаточной смазки поверхности кристаллизатора. Интервал (или шаг) A между следами качания определяется в зависимости от скорости вытяжки заготовки Vс и частоты качаний по формуле

A = Vс / f .

Важным параметром оптимизации закона качания кристаллизатора является глубина проникновения следов качания, которая может колебаться от нескольких десятых долей-миллиметра до 1,5-2,0 мм и более. Это представляется весьма важным фактором уже потому, что в кристаллизаторе корочка является непрочной и достаточно тонкой. Следовательно, следы качания еще больше уменьшают ее прочность, что может приводить к поперечным трещинам и прорывам. Обычно максимальная глубина проникновения следов качания наблюдается в области углов заготовки, что обусловлено более низкой температурой жидкой стали на этих участках. Наименьшая глубина следов качания наблюдается, как правило, в середине грани, что особенно хорошо проявляется при литье слябов.

Глубина следов качания зависит от способа разливки: при низкой частоте качаний (< 130 циклов/мин) разливка со шлакообразующей смесью (ШОС) приводит к образованию более глубоких меток, чем при литье открытой струей. При увеличении частоты качаний данное соотношение практически не меняется. Другим важным параметром, влияющим на глубину следов качания, является скорость разливки: более высокая скорость разливки приводит к образованию менее глубоких следов качания. Следовательно, если требуется свести к минимуму глубину проникновения следов качания, то, в первую очередь, следует повысить скорость разливки до уровня, допускаемого другими технологическими параметрами.

При заданной скорости разливки и размахе качаний кристаллизатора глубина следов качания уменьшается при возрастании частоты качаний. Другими словами, глубина следов качания снижается с уменьшением величины интервала между следами качания.

Глубину проникновения следов качания dc (мм) представляется возможным определить по эмпирической формуле

dc = 0,65 * 1,145A * (200 * 0,9A) tN.

Различают, по меньшей мере, два механизма образования следов качания кристаллизатора: для разливки открытой струей с маслом и для разливки под уровень со шлакообразующей смесью.

При разливке открытой струей с маслом процесс формирования твердой корочки можно представить схемой, изображенной на рисунке 3.44.

Динамика формирования и движения твердой корочки во время качания кристаллизатора

Рисунок 3.44 – Динамика формирования и движения твердой корочки во время качания кристаллизатора (разливка без ШОС)

При движении кристаллизатора вверх и заготовки вниз на поверхности кристаллизатора образовывается и нарастает новый пояс твердой корочки. Рост корочки продолжается и при движении кристаллизатора вниз. На участке опережения эта корочка «догоняет» основной твердый каркас и сваривается с ним. При этом глубина следов качания зависит от эффективности стыковки твердой корочки основного каркаса и твердой корочки нового пояса. Если пояс твердой корочки не стыкуется с твердым каркасом, то возможным вариантом является либо глубокая бороздка, либо прорыв под кристаллизатором вследствие недостаточной толщины корочки. Если же пояс твердой корочки упирается в твердый каркас и как бы продолжает движение вместе с кристаллизатором, то может произойти деформация вершин твердого каркаса, при которой он загибается вовнутрь. В этом случае глубина следа качания увеличивается.

При разливке под уровень со шлакообразующей смесью характер формирования твердой корочки существенно изменяется (рисунок 3.45).

Динамика формирования заворотов твердой корочки во время качания кристаллизатора

Рисунок 3.45 – Динамика формирования заворотов твердой корочки во время качания кристаллизатора (разливка с ШОС)

Это, прежде всего, объясняется тем фактом, что в зазор между корочкой и кристаллизатором попадает достаточно жидкой шлакообразующей смеси, обеспечивающей смазку между ними в процессе движения, что препятствует разрушению твердой корочки и ее отрыву от твердого каркаса. Собственно, твердая корочка появляется уже в углу мениска. Дальнейшее движение твердого каркаса обусловливает затекание жидкой стали поверх твердой корочки, а затем процесс повторяется в соответствии с циклами качания кристаллизатора.

Определенная часть вершины твердой корочки оплавляется в более низких горизонтах жидкой ванны кристаллизатора.

На силу трения, а, следовательно, и вероятность прилипания корки слитка к стенке кристаллизатора можно повлиять изменением параметров качания кристаллизатора, величины хода и частоты качаний.

Если рассматривать максимальную силу трения в зависимости от частоты качаний f с величиной хода A как параметром, то могут быть выявлены две зависимости: при одной и той же частоте качаний максимальная сила трения с увеличением хода A возрастает и при одной и той же величине хода A максимальная сила трения возрастает с повышением частоты качаний f.

Оптимальным считается режим разливки, который при прочих равных условиях (тип МНЛЗ, марка отливаемого металла, поперечное сечение заготовки и его размеры, режим охлаждения в кристаллизаторе, скорость вытягивания слитка и др.) наилучшим образом удовлетворяет требованиям стабильности литья и качества поверхности заготовки, то есть обеспечивает необходимое время опережения при максимальной частоте и минимальной амплитуде качания кристаллизатора. Соответственно и параметры качания кристаллизатора (частота и амплитуда) в оптимальном режиме тоже считаются оптимальными.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 3.3.1

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ