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.

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).

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

где V_c – скорость вытягивания (разливки) заготовки;

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.

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).

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

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 V_с и частоты качаний по формуле

A = V_с / 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 d_c (мм) представляется возможным определить по эмпирической формуле

d_c = 0,65 * 1,145A * (200 * 0,9A) t_N.

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.

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).

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.