Непрерывная разливка стали
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.4

Влияние внешних динамических воздействий на формирование непрерывнолитых заготовок и их применение на МНЛЗ

В процессе разливки стали на МНЛЗ на формирующуюся заготовку оказываются различного рода воздействия, которые включают конвективное движение потоков металла и вдуваемого газа в кристаллизаторе, вибрационные и электромагнитные воздействия, упруго-пластические деформации и пр.

По совокупности получаемых эффектов и специфике используемых технологических приемов можно условно выделить следующие наиболее характерные зоны непрерывнолитой заготовки для наложения внешнего воздействия:

  • кристаллизатор или зона расположенная непосредственно под ним;
  • зона вторичного охлаждения, удаленная от нижнего торца кристаллизатора на расстоянии несколько метров (т. е. зона формирования столбчатых кристаллов);
  • объемной кристаллизации (зумпфовая зона).

Нахождение металла в кристаллизаторе сопровождается наиболее динамично развивающимися процессами, которые во многом определяют эффективную работу МНЛЗ в целом и качество непрерывнолитой заготовки как результата разливки. К числу таких процессов следует отнести:

  • взаимодействие жидкой ванны с движущейся струей металла, попадающей в кристаллизатор из промежуточного ковша;
  • взаимодействие располагающейся на зеркале металла шлакообразующей смеси с прилегающим металлом;
  • непрерывное формирование твердой корочки металла вдоль стенок кристаллизатора;
  • возвратно-поступательное скольжение каркаса твердой фазы вдоль стенок кристаллизатора, сопровождающееся циклическими толчками;
  • изменение геометрических размеров заготовки (усадка) в ходе ее затвердевания.

В общем случае динамика развития вышеперечисленных процессов зависит от достаточно большой совокупности факторов, значительная часть из которых обычно считается случайной (например, зарастание или размывание погружного стакана, эрозия головки стопора или стакана дозатора, изменение расхода металла при перековшовках, колебание слоя шлакообразующей смеси или волнообразование в кристаллизаторе, изменения температуры стали в кристаллизаторе и пр.). Для повышения качества заготовки, выходящей из кри-сталлизатора МНЛЗ, и улучшения условий разливки целесообразно применять дополнительные мероприятия, направленные на стабилизацию процессов, происходящих в жидкой ванне кристаллизатора.

Зона вторичного охлаждения непрерывнолитой заготовки соответствует формированию зоны столбчатых кристаллов и в значительной степени определяет качество металлопродукции. По сути, в этой зоне создаются благоприятные условия для формирования транскристаллитной сегрегации, междендритных трещин, а также формируется неравномерность в скорости роста фронта затвердевания, которая в дальнейшем приводит к формированию «мостов» и перемычек.

Зона объемной кристаллизации непрерывнолитой заготовки характеризуется определенной спецификой, которая заключается в проблематичности обеспечения условий питания жидким металлом последних затвердевающих объемов. Кроме того, в этой зоне происходит формирование осевой шнуровой и V-образной ликвации.

Для повышения качества металла на всех стадиях формирования непрерывнолитой заготовки применяют дополнительные мероприятия, наиболее эффективными из них являются внешние динамические воздействия. Физическая основа и интенсивность используемых воздействий в зависимости от целей обработки может быть различной.

Степень эффективности обработки с использованием внешних динамических воздействий зависит от достаточно большого числа внешних факторов, к числу которых можно отнести способ наложения воздействия, его интенсивность, место приложения, длительность и пр. Большинство известных методов основаны на принудительном перемешивании жидкой ванны или ее отдельных зон, а также на проявляющихся в большей или меньшей степени эффектах виброимпульсного характера.

В результате принудительного перемешивания металлических расплавов в интервале температур кристаллизации столбчатая дендритная структура переходит в равноосную.

Это объясняется тем, что турбулентный поток жидкости, вызываемый перемешиванием медленно затвердевающего сплава между температурами ликвидуса и солидуса, приводит к изгибу и подавлению осей дендритов и получению сравнительно мелких равноосных кристаллов.

Различают следующие наиболее существенные особенности затвердевания металлических сплавов при принудительном перемешивании жидкой фазы:

  • при наличии потоков принудительного перемешивания происходит деформация или полное подавление потоков естественной термогравитационной конвекции, что значительно изменяет условия формирования ликвационных зон и дефектов;
  • чтобы при принудительном перемешивании начала образовываться твердая фаза, она должна содержать меньшее количество ликвирующих элементов (иметь большую температуру затвердевания); если сплав относится к такому типу, в котором ликвационные выделения в жидкую фазу повышают прочность, то структура сплава, получаемая перемешиванием и последующей термообработкой, дает композитный материал с чрезвычайно прочными связями между обогащенной примесью матрицей и мягкой первичной твердой фазой;
  • размеры кристаллов, затвердевших в условиях принудительного перемешивания, зависят от интенсивности теплоотвода, гидродинамической схемы развития турбулентных потоков и мощности перемешивания; дробление кристаллов не носит лавинообразного характера и происходит только при достаточно высоких скоростях турбулентного перемешивания расплава;
  • увеличение скорости перемешивания жидкой фазы способствует интенсификации теплоотвода от окружающей кристалл среды к стенке кристаллизатора и значительному увеличению скорости роста ветвей дендритов.

В зависимости от мощности и интенсивности принудительного перемешивания можно получить такие типы кристаллических структур:

  • при медленном перемешивании, когда теплоотвод изменяется незначительно, происходит обыкновенный рост разветвленных дендритов в окружающей его жидкой фазе;
  • при умеренном теплоотводе и более интенсивном перемешивании расплава с развитыми ветвями дендритов происходит интенсивное их разрушение и образование многочисленных вторичных центров кристаллизации;
  • при очень интенсивном перемешивании, когда процесс обламывания ветвей дендритов прекратился, а теплоотвод от жидкой фазы прогрессивно увеличивается, наступает период быстрого роста уже имеющихся центров кристаллизации сплава.

К числу физических эффектов, возникновение которых обусловливается наложением внешних воздействий с виброимпульсными эффектами, можно отнести явления:

  • подавления потоков термогравитационной и развития потоков вынужденной конвекции;
  • развития волновых процессов на поверхности и в объеме расплава;
  • кавитации в объеме жидкой фазы;
  • зарождения и дробления частиц твердой фазы в расплаве;
  • роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве.

В зависимости от режимов воздействия и способа приложения вибрации возможны следующие основные эффекты в жидкой ванне кристаллизатора: а) стабилизация термоконвекционных течений; б) разрушение термогравитационных потоков вплоть до их полного подавления; в) формирование новых конвективных потоков как во всем, так и в отдельных частях объема жидкой ванны. Анализируя известные практические данные по исследованию эффекта перемешивания жидкости методами вибрационного воздействия, следует отметить, что во всех случаях имеется возможность интенсивного перемешивания локальных объемов жидкости при сравнительно низкой интенсивности перемешивания всего объема в целом. Причем максимальная интенсивность перемешивания наблюдается или у поверхности расплава (при наложении вибрации на расплав вместе с емкостью), или в зоне, непосредственно прилегающей к источнику вибрации.

Возникновение волн на поверхности расплава обычно связывается с проявлением эффекта резонанса: совпадением частоты вынуждающего вибрационного воздействия с какой- либо гармоникой частоты собственных колебаний поверхности жидкости в сосуде. Волны на поверхности способствуют, по меньшей мере, перемешиванию жидкой фазы непрерывнолитой заготовки у зеркала и захвату шлакообразующей смеси в металл. Глубина проникновения перемешивающего эффекта стоячих волн в расплав прямо пропорциональна длине волны (обычно высота слоя вовлекаемой в перемешивание жидкости примерно равна длине стоячей волны). Развитие стоячих волн при высоких энергетических параметрах приводит также к спонтанным всплескам (выбросам) жидкости над поверхностью.

Образование большого количества частиц твердой фазы в охлаждающемся расплаве подтверждается в целом ряде работ. Согласно представлениям Дж.Гиббса, В.И.Данилова и Б.Чалмерса, можно утверждать, что различные виброимпульсные воздействия способствует интенсификации зародышеобразования как при гомогенном, так и при гетерогенном механизмах зарождения центров кристаллизации. Зародыши кристаллов в затвердевающих расплавах образуются преимущественно на частицах нерастворимых примесей, поверхность которых полностью или частично смачивается расплавом.

Не менее важным источником возникновения центров кристаллизации в затвердевающем расплаве являются «осколки» матричного сплава, отделившиеся по каким-либо причинам от растущего твердого каркаса. Дополнительно такие частицы могут образовываться в расплаве благодаря следующим динамически развивающимся сопряженным процессам:

  • механическому разрушению твердой корочки на поверхности расплава при развитии волновых эффектов и процессов;
  • разрушению вторичных и третичных ветвей дендритов на фронте кристаллизации под действием конвективных потоков и ударных нагрузок;
  • кавитационному разрушению частиц твердой фазы при схлопывании пузырьков (эффект удара давления).

Вероятность развития того или иного процесса зависит от свойств металла в твердом и жидком состояниях, условий затвердевания, способа и интенсивности виброимпульсного воздействия и пр. Поэтому в количественном отношении при конкретных условиях каждый из вышеперечисленных механизмов может стать определяющим, и число твердых частиц в расплаве может увеличиться на несколько порядков. Разрушение вторичных и третичных ветвей дендритов на фронте кристаллизации под действием конвективных потоков и ударных нагрузок оказывается возможным, если материал, формирующий дендритный каркас, становится достаточно хрупким в области температур, приближающихся к температуре затвердевания.

В целом же, прямым следствием образования и дробления частиц твердой фазы является увеличение их числа в расплаве на несколько порядков при определенных режимах виброимпульсных воздействий. Это, в свою очередь, кардинальным образом изменяет теплофизические условия формирования слитка, что связано с ростом частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве и, как следствие, существенным перераспределением температурных полей в жидкой ванне.

При этом наличие достаточно большого числа частиц твердой фазы в расплаве может обусловить переход от зоны столбчатых к зоне равноосных кристаллов.

В промышленных масштабах на МНЛЗ наибольшее применение получили следующие методы внешних воздействий: электромагнитное перемешивание; продувка жидкой ванны металла в кристаллизаторе инертным газом; «мягкое» обжатие в ЗВО.

Идея применения метода электромагнитного перемешивания для управления качеством непрерывнолитых заготовок известна достаточно давно и запатентована впервые З.Юнгхансом. В настоящее время он получил наибольшее распространение в металлургии. Наложение электромагнитного поля на непрерывнолитую заготовку может обеспечивать принудительное перемещение потоков расплава в вертикальной или горизонтальной плоскости, а также их геликоидальное движение. Оборудование для электромагнитного перемешивания в настоящее время хорошо изучено и разработано, а преимущества различных схем его наложения подробно рассмотрены в разделе 4.5.

Вдувание аргона в жидкую ванну кристаллизатора осуществляется, как правило, через внутреннюю полость стопора-моноблока. Расход вдуваемого аргона колеблется в пределах 2-10 л/мин.

При вдувании защитного газа через стопор-моноблок формирующаяся в полости стакана-дозатора струя металла имеет традиционную для свободно вытекающей струи геометрическую форму, а инжектируемый газ располагается, главным образом, во внутренних зонах струи и движется со скоростью жидкостного потока, не нарушая его естественной конфигурации. Учитывая характер расположения и движения пузырьков газа в струе можно предположить, что они также сообщают ей дополнительную устойчивость при движении за счет компенсации уменьшения сечения струи вследствие увеличения объема пузырьков при их нагревании. При вдувании инертного газа через стопор-моноблок наблюдается равномерное распределение пузырьков газа в жидкой ванне кристаллизатора, а глубина проникновения струи металла вглубь жидкой ванны снижается в 1,5-2,0 раза.

Метод «мягкого» обжатия заготовки при наличии жидкой фазы является наиболее радикальным приемом, обеспечивающим повышение качества внутренних зон непрерывнолитой заготовки. Вследствие деформации внутренних слоев непрерывнолитой заготовки (при наличии жидкой фазы) происходит разрушение осей дендритов у фронта затвердевания, повышается количество центров затвердевания в жидко-твердой зоне, улучшаются условия питания заготовки жидким металлом, подавляется процесс формирования осевой ликвации и пористости. Эти эффекты могут быть достигнуты только при условии правильного выбора режимов обжатия применительно к конкретным условиям литья. Метод «мягкого» обжатия рассмотрен в разделе 4.6.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 4.4

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ