Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.2

Деформации, напряжения и трещины в твёрдой корочке непрерывнолитой заготовки

Неравномерный отвод тепла от затвердевающей непрерывнолитой заготовки вызывает неодинаковое распределение полей температур в твердой корочке, что обусловливает формирование в ней внутренних напряжений, которые являются причиной деформирования заготовки в поперечном и продольном сечении. Это приводит к развитию многочисленных поверхностных и внутренних дефектов, снижающих качественные показатели и механические свойства литого металла, и сокращению срока службы металлоизделий из них.

К числу наиболее значимых дефектов, связанных с внутренними напряжениями, можно отнести наружные и внутренние продольные, поперечные и диагональные трещины, а также дефекты усадочного происхождения. Основными причинами развития указанных дефектов являются:

  • высокая скорость кристаллизации и низкая прочность литого металла при высоких температурах;
  • высокое содержание серы при низком содержании марганца в стали, понижающее пластические свойства стали в горячем состоянии;
  • загрязненность разливаемого металла неметаллическими включениями, которые следует связывать с технологией внепечной обработки и разливки стали;
  • нестабильность заполнения кристаллизатора жидкой сталью, а также несимметричность движения потоков металла в жидкой ванне кристаллизатора;
  • нестабильность температуры разливки стали и величина превышения температуры разливки (в промковше) над температурой ликвидуса, а также неравномерность распределения тепловых полей внутри кристаллизатора.

С точки зрения причин образования трещин наибольший интерес представляют главные параметры, влияющие на их возникновение: прочность, деформационная способность и скорость деформации металла при температурах затвердевания стали. Для предупреждения нарушения сплошности металла необходимо, чтобы вследствие усадки стали, температурных напряжений и ферростатического давления суммарные напряжения, деформационная способность и скорость деформации не превышали их критических значений, при которых наступает разрыв металла.

На деформационные свойства стали в значительной степени влияет скорость деформации. С увеличением содержания углерода допускаемая скорость деформации увеличивается. Поэтому средне- и высокоуглеродистые стали имеют меньшую склонность к образованию деформационных трещин. Как показывают данные различных исследователей, увеличение скорости деформации уменьшает допускаемую деформацию для всех марок сталей. Деформация металла весьма существенно влияет также и на допускаемые напряжения в затвердевающей стали. Последний показатель в значительной степени связан с наличием в стали фосфора, серы и марганца.

Известно, что при различных химических составах стали механические их свойства в районе температуры ликвидус не сильно отличаются друг от друга. Вместе с тем, присутствие углерода и серы оказывает заметное влияние на склонность к трещинообразованию. Промышленный опыт показывает, что проблемы с растрескиванием непрерывнолитой заготовки возникают уже при содержании углерода в стали на уровне 0,15 % и достигают своего максимума при [C]=0,40 %. При таком содержании углерода усадка стали приближается к максимуму, а прочность на растяжение падает при сохранении относительно низкой пластичности. Для нелегированных углеродистых марок стали с содержанием углерода около 0,17-0,24% пластичность оказывается минимальной.

Присутствие вредных и остаточных элементов в стали (например, повышенное содержание P, S, Cu, Sb, Sn, As) при углероде в диапазоне 0,30-0,50 % оказывает дополнительное существенное ослабляющее влияние на прочность корки слитка. Так, увеличение содержания серы в стали с 0,025% до 0,045% существенно уменьшает предел прочности при растяжении, причем особенно заметное снижение прочности имеет место в пределах изменения содержания серы 0,025-0,030%.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что для отношения Mn/S < или = 25 при разрыве образцов значения относительного сужения составляют менее 10%, при Mn/S = 60 значения относительного сужения возрастают до 40%, а при Mn/S = 100 и 200 – соответственно до 60% и 90%. Непрерывное увеличение пластичности стали с увеличением отношения содержания марганца к сере позволяет сделать заключение об изменяющемся составе сульфидов. В целом же приведенные данные позволяют говорить о возможности повышения качества внутренней структуры непрерывнолитой заготовки путем повышения значения отношения Mn/S. В настоящее время большинство ведущих металлургических фирм мира рекомендуют обеспечивать отношение Mn/S > или = 50-70 при разливке рядовых сталей на сортовую и блюмовую заготовку и повышают отношение Mn/S > или = 100-120 для качественных сталей (особенно при разливке на слябовых МНЛЗ с многоточечным загибом и разгибом).

Таким образом, в соответствии с рассмотренной схемой термонапряженное состояние корочки затвердевающей заготовки определяется тремя следующими факторами:

  • прочностными и пластичными свойствами стали при высоких температурах;
  • линейной и объемной усадкой стали и скоростью образования зазора между оболочкой заготовки и стенкой кристаллизатора;
  • интенсивностью теплового потока и внутренними напряжениями в твердой оболочке формирующейся заготовки после образования зазора.

При этом основными видами дефектов, которые сопутствуют вышеперечисленным факторам, являются:

  • выпуклость заготовки по узким граням;
  • продольные поверхностные ужимины (по более широким граням);
  • ромбичность для заготовки квадратного сечения;
  • подповерхностные (в местах нахождения ужимин) диагональные и перпендикулярные поверхности трещины.

Существенное влияние на процесс трещинообразования непрерывнолитой заготовки оказывают механически вызванные деформации, поскольку они происходят в условиях, когда внутри слитка еще имеется жидкая фаза.

Механически вызванные деформации могут возникать по многим причинам. Даже если машина тщательно спроектирована, то механические деформации, возникающие от несоблюдения одного уровня между разгрузочной рамой, искривления геометрической формы поперечного сечения сляба, ошибочного раствора валков и излишней вытяжки сляба у приводных валков, все же сильно зависят от тщательности работы оператора. Регулировка напряжения и вздутия корочки между валками, хотя и зависит от условий работы зоны вторичного охлаждения, является основной задачей конструирования, согласующейся с усовершенствованными анализами процесса выпучивания.

Выпучивание твердой корочки заготовки, в основном, регулируется расстановкой (шагом) роликов, причем ролики размещаются более близко для машин с прямым кристаллизатором, чем для машин радиального типа вследствие более высокой скорости разливки, присущей конструкции МНЛЗ с прямым кристаллизатором.

Вследствие того, что непрерывнолитая заготовка одновременно затвердевает и движется сквозь рабочее пространство МНЛЗ, существует высокая вероятность формирования несплошностей по причине растягивающих деформаций вблизи межфазной поверхности между оболочкой (корочкой) и жидкой сердцевиной. Некоторые исследователи придерживаются той точки зрения, что поскольку дендриты у межфазной поверхности затвердевания действуют нежелательным образом только в условиях растягивающих деформаций, то заготовка может рассматриваться в качестве «датчика растягивающих деформаций», т.е. она чувствительна к любому виду растягивающей деформации.

Обычно в качестве индикатора несплошностей, вызванных растягивающей деформацией, принимаются так называемые «ликвационные полоски» которые наблюдаются как потемнения в виде линий на макротравленных сечениях литого и прокатанного непрерывнолитого слитка. Обширные исследования показали, что ликвационные полосы являются результатом разрушения границ зерен во время затвердевания, ориентированных перпендикулярно к приложенным растягивающим напряжениям.

Вследствие низкой пластичности стали при температуре вблизи температуры солидуса граница зерна у межфазной поверхности затвердевания может разрушиться тогда, когда напряжения превысят некоторую пороговую величину. Междендритная жидкость, обогащенная ликвирующими элементами и фазами (особенно фосфором и сульфидами), из прилегающей лунки втягивается и накапливается в зоне разрушения. Однажды начавшись, процесс разрушения или трещинообразования совместно с накоплением ликватов может продолжать развиваться в затвердевающей стали даже при пониженных уровнях деформаций, поскольку деформации затем концентрируются (локализуются) на разрушенной границе.

Пороговый уровень формирования радиальных полосок сильно зависит от содержания углерода в стали. Общепринятые «безопасные» уровни деформаций и те, которые часто цитируются в литературе, составляют 1,25% для поверхностной деформации и около 0,20% для межфазной деформации.

Предельное относительное удлинение стали при температурах 1470-1430°С колеблется в пределах 0,3-0,4%. Машины с прямыми кристаллизаторами работают при деформациях ниже порогового уровня. Несмотря на то, что разрывы завариваются во время прокатки, участки, обогащенные ликватами, остаются и вызывают появление участков повышенной травимости в прокатанной продукции.

С целью определения деформации, которая может быть допустима у межфазной поверхности затвердевания стали, разработано много лабораторных методик. Большинство методов основано на оценках деформации разрушения, получаемой измерением процентного уменьшения площади в образцах, которые перегреваются от комнатной температуры. Однако замеры уменьшения площади недостаточно точны, т.к. пороговый уровень деформаций на фронте затвердения составляет величину порядка 1% или менее. Деформации выпучивания, изгиба и выпрямления варьируются в этих экспериментах либо за счет скорости разливки (изменяя тем самым толщину корочки по всему затвердевающему слябу), либо за счет величины продольного сжатия, приложенного в этих критических зонах. Немаловажным также является и то, каким образом тестируемый образец подводится к заданной температуре и каким образом эта температура замеряется.

Таким образом, для предварительного определения минимально допустимых радиусов кривизны заготовки в местах ее загиба и разгиба необходимо учитывать напряженное состояние заготовки и механические свойства металла в области температур несколько ниже затвердевания (1300-1400 oС).

Деформации загиба и выравнивания представляют самый важный аспект проблемы обеспечения высокого качества внутренней структуры непрерывнолитой заготовки. Так, проектировщики машин с прямым кристаллизатором настаивают на том, чтобы приводные валки, обеспечивающие движение заготовки, размещались по всей длине машины.

Пользуясь эффектом ферростатического давления, действующего за пределами приводных валков, и используя трение, развивающееся между поверхностями валка и сляба, машина создает вытяжное усилие, которое буквально проталкивает полосу через секцию загиба, радиальную секцию и секцию разгиба. Несмотря на то, что сляб подвергается растягивающим нагрузкам по мере того, как он выходит из кристаллизатора и на коротком пути вдоль вертикально расположенной рамы, он подвергается сжимающим нагрузкам, начиная с приводных валков. В машине с радиальным кристаллизатором сляб выталкивается тянущими валками так, что вся полоса оказывается под действием растягивающих нагрузок на участке от кристаллизатора до конца секции разгиба. Величина растягивающих нагрузок повышается с увеличением скорости разливки вследствие повышенного противодействия линии, вызываемого увеличенным выпучиванием более тонкой корочки сляба. В обеих конструкциях приблизительно одинаковое количество энергии используется для транспортировки затвердевающего сляба от кристаллизатора до газорезки.

Рассматривая динамику формирования твердой фазы при затвердевании непрерывнолитой заготовки, необходимо отметить, что в области температуры солидус (фронт затвердевания) металл находится как в твердом (дендриты), так и жидком (междендритное пространство) состоянии (рисунок 4.2). Только на некотором расстоянии от фронта затвердевания находятся слои металла, имеющие целиком твердую фазу. Между тем, эти слои металла находятся в напряженном состоянии, обусловленном перепадом температур между наружной поверхностью заготовки и фронтом затвердевания.

Следовательно, в расчетах допустимых радиусов загиба и разгиба заготовки с жидкой сердцевиной следует принимать во внимание допустимые относительные удлинения не на границе фронта затвердевания, а на некотором удалении от него (10-15 мм).

Для определения оптимального формата МНЛЗ рекомендуется принимать коэффициент относительного удлинения стали в зоне критических температур на уровне 0,2%.

Критическая скорость деформации при этом должна находиться в пределах 0,01 с-1, а предел прочности твердой корочки – в диапазоне 2-3 МПа (для ряда сталей до 4-6 МПа). Для низкоуглеродистых марок сталей скачок пластичности от больших значений к малым при охлаждении начинается в области температуры 1200 oС и продолжается до 1450 oС. При этом абсолютные значения скачка уменьшаются с увеличением отношения марганца к сере.

Более точные оценки напряженного состояния непрерывнолитой заготовки в процессе ее формирования и деформации могут быть выполнены с помощью методов расчета аккумулированных напряжений. Предполагается, что для предупреждения нарушения сплошности металла необходимо, чтобы вследствие усадки стали, температурных напряжений, механических (литейных) деформаций и ферростатического давления суммарные напряжения, деформационная способность и скорость деформации не превышала их критических значений, при которых наступает разрушение металла. Для углеродистых сталей допускаемые суммарные критические значения растяжения заготовки (разгиб-загиб, термические, напряжения затвердевания) не должны превышать 0,70%.

Таким образом, формирующаяся в кристаллизаторе твердая оболочка подвергается при движении разнообразным деформациям и нагрузкам. Независимо от причины деформации в оболочке возникают внутренние напряжения, которые при достижении критического значения вызывают образование трещин по фронту затвердевания. Трещины заполняются находящимся перед фронтом затвердевания обогащенным расплавом и таким образом самозалечиваются. Напряжения, которые приводят к образованию трещин, могут возникнуть в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения. Критические деформации в кристаллизаторе приводят к образованию продольных трещин, а под кристаллизатором – поперечных трещин. Зачастую эти напряжения накладываются друг на друга, поэтому в производственных условиях в большинстве случаев невозможно определить истинные причины образования трещины. Снижения вероятности образования внутренних трещин удается достичь за счет специальных конструктивных мероприятий, выполненных на базе соответствующих теоретических расчетов и статистической обработки данных применительно к конкретной МНЛЗ.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.2

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ