Отрицательное влияние физико-химических и тепловых процессов при экстремальных технологических режимах непрерывной разливки и способов их устранения

Ефимова В.Г., Ефимов Г.В., Симановский В.М., Квасницкая Ю.Г.
Национальный технический университет Украины «КПИ» МОНУ
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАНУ

В настоящее время, из всех технологий, применяемых в промышленности при производстве стали, способ непрерывной разливки является наиболее перспективным и совершенным. Главным достоинством этой технологии, по сравнению с разливкой стали в изложницы, является высокий выход годного металла. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в нашей стране и за рубежом в области использования непрерывного литья стали, перед металлургами стоят новые задачи в области совершенствования технологии, улучшения качества литого и катаного металла, расширения сортамента профилей и марок стали и сплавов, разливаемых на МНЛЗ. Для решения этих сложных и трудоемких задач большое значение имеют фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования [1,2].

В настоящее время на МК «им. Ильича» и МК «Азовсталь» используются промежуточные ковши с фильтрационными многоканальными перегородками (рис.1). Исходя из результатов моделирования и технологических условий разливки, а также результатов эксплуатации можно считать конструкцию такой перегородки далекой от совершенства. Как видно из схемы такая конструкция перегородки предполагает наличие верхнего цилиндрического ряда горизонтальных каналов, расположенных непосредственно под шлаковым покровом для того, чтобы обеспечить наилучший контакт неметаллической фазы, находящейся в затопленной струе, со шлаковым покровом. Однако на практике такой ряд каналов при перековшовке будет оголяться, затапливаться шлаком и зарастать (рис. 2). На практике это наблюдается при разливке марганцевой [3].

Рис. 1. Схема существующих многоканальных перегородок, применяемых на ОАО МК «Азовсталь» и ОАО МК «им. Ильича». 1 – шлаковый покров; 2 – уровень металла в промковше; 3 – верхний уровень каналов.

Проблеме зарастания каналов разливочных стаканов посвящено большое количество публикаций. Анализируя эти публикации можно заключить, что одним из способов решения этой задачи является подходящий выбор конструкции промковша и геометрии переточных каналов перегородки, организующих оптимальное движение металла для удаления неметаллических включений [4 - 6].

Рис. 2. Зарастание каналов верхнего ряда при разливке разных марок стали через многоканальные перегородки после 6 – ти плавок

Необходимость соблюдения этого мероприятия объясняется существованием следующих потенциальных источников отложений внутри разливочных каналов:

- ассимиляция на стенках стаканов включений корунда и тугоплавких алюминатов кальция (СаО < 30 %), находящихся в разливаемом металле, а также дополнительно выделяющихся в результате снижения температуры металла вблизи стенок канала перегородки промковша;

- окисление поверхности струи, происходящее внутри переточных каналов, и, как следствие, образование неметаллической фазы на границе металл – стенка канала.

Опыт показывает, что в большинстве случаев при переохлаждении шлаковой фазы на 1 – 10 0С уже происходит кристаллизация на мельчайших твердых примесях, служащих центрами или «затравками» для образования кристаллической фазы.

Механизм гетерогенного образования центров кристаллизации в каналах разливочных стаканов заключается в следующем. Для роста кристалла необходимо, чтобы его радиус достиг критической величины, однако, не обязательно, чтобы этот зародыш был полной сферой. Любая часть его поверхности достаточно большого радиуса кривизны обладает способностью к росту [7]. При этом некруглому зародышу соответствует больший критический объем, чем шаровому. Вследствие того, что отклонение от сферического объема увеличивает удельную (приходящуюся на единицу объема) поверхность и соответственно свободную поверхностную энергию, критический зародыш быстро растет и округляется.

Устойчивость зародыша зависит от радиуса кривизны r и устойчивости межфазной границы АА1 (рис. 3). Это условие выполняется, если горизонтальные составляющие поверхностных натяжений уравновешены, т.е. когда

,

где - поверхностные натяжения на границе раздела фаз твердой и жидкой, твердой и кристаллической, жидкой и кристаллической.

Из этих зависимостей вытекает, что сферический сегмент может образовываться на твердой подложке только при условии, когда 0 < m < 1, т.е. радиус кривизны сегмента затравки должен быть равен или больше критического радиуса.

Рис. 3. Устойчивость центра кристаллизации на подложке: 1 – жидкая фаза; 2 – кристалл; 3 подложка.

При температуре кристаллизации Т_Е жидкость переходит в твердую фазу и находится с ней в равновесии. Согласно уравнению Клаузиса – Клапейрона она зависит от давления:

где - объем твердой и жидкой фаз; - давление действующее на расплав; - теплота кристаллизации.

При температуре расплава металла ниже температуры кристаллизации Т_Е происходит переход из жидкого в твердое состояние, сопровождающееся снижением свободной энергии и образованием устойчивых группировок атомов – зародышей кристаллов.

При переходе некоторого объема жидкой фазы в твердую протекают два процесса:

1) снижение объемной свободной энергии сферического объема кристаллической фазы:

2) увеличение поверхностной свободной энергии системы при образовании границы раздела между жидкостью и кристаллом:

Действительно, при возникновении участков новой фазы свободная энергия системы изменяется под влиянием двух факторов в противоположных направлениях. С появлением зародышей новой фазы образуется новая межфазная поверхность, которая увеличивает свободную энергию системы. Одновременно, если новая фаза термодинамически более устойчива, нежели исходная, поскольку уровень свободной энергии должен быть меньше, это приводит к тому, что общая свободная энергия системы уменьшается. В общем виде это можно представить следующим образом:

где V, F - объем и поверхность новой фазы.

Рис. 4. Моделирование существующих многоканальных перегородок и гидродинамика раздаточной камеры при стационарном режиме разливки

Таким образом, свободная энергия кристаллической фазы непременно будет меньше энергии исходной фазы, а уменьшение свободной энергии за счет образования новой фазы должен быть большим, нежели ее увеличение за счет образования поверхности раздела фаз, т.е. термодинамические условия образования зародышей новой фазы будут следующими:

Если сделать допущение, что зародыши кристаллической фазы имеют сферическую форму с радиусом r, то

Рис. 5. Перегородка для изготовления реакционной камеры: а – схема; б – на гидромоделе.

Перегородки состоят из двух частей – нижней и верхней: 1- верхняя часть перегородки без отверстий, обычной толщины (а); 2 - нижняя часть перегородки толщиной 150 мм со щелью 50?700 мм; 3- щель имеет угол наклона ? =200⁰ и 300⁰

В связи с тем, что зависимость соответственно уравнению должна проходить через максимум, величина может быть найдена, если

откуда

В общем случае, если зародыши имеют критический размер, они могут стать центрами кристаллизации независимо от того, возникли они вследствие гетерофазных флуктуаций или иным путем (стенках каналов перегородки промежуточного ковша). Вероятность зарождения при кристаллизации новой фазы I, т.е. числа способных к дальнейшему росту зародышей критических размеров, появляющихся в единице объема, в единицу времени при температуре Т, может быть представлена выражением:

где K_I - кинетический коэффициент, зависящий от природы жидкости; E_A – энергия активации кристаллизации; A_k - работа, затрачиваемая на образование зародыша критического размера; R – универсальная газовая постоянная; Т_Е – абсолютная температура.

Первый экспоненциальный множитель учитывает тормозящие факторы, связанные с преодолением энергетических барьеров при перегруппировке ионов, соответствующих переходу из жидкого состояния в кристаллическое, и может быть охарактеризован как среднее число зародышей критического размера, существующих в единице объема; второй экспоненциальный множитель учитывает термодинамический фактор, способствующий кристаллизации, и может быть охарактеризован как число актов активации зародыша критических размеров, происходящих в единицу времени и превращающих его в зародыш, способный к дальнейшему росту. Энергия активации – это энергетический барьер, или приращение термодинамического потенциала системы, при возникновении зародыша новой фазы критического размера. Работа, затраченная на образование критического зародыша новой фазы, - это барьер термодинамического потенциала, который нужно преодолеть, чтобы перевести критический зародыш в состояние дальнейшего роста [8].

Энергия активации E_A зависит от природы расплава и не зависит от переохлаждения, а работа, затраченная на образование кристаллического зародыша, A_k как функция переохлаждения выражается формулой:

где В – величина, зависящая от физических констант вещества.

Таким образом, если учесть все факторы, тормозящие образование центров кристаллизации, и факторы, способствующие ему, можно получить такую формулу для определения вероятности зарождения центров кристаллизакции в каналах перегородок промежуточных ковшей:

Рост кристаллов осуществляется через образование двухмерных зародышей на его границах. Зависимость скорости роста от переохлаждения может быть выражена зависимостью:

где x - граничная энергия на периферии двухмерного зародыша.

Отсюда можно сделать заключение, что при переохлаждении (условии оголения верхнего ряда каналов при перековшовке), вследствие понижения теплового движения скорость зарождения роста кристаллов увеличивается, что соответствует образованию твердого огнеупорного слоя, так называемого гарнисажа.

Перегородка и схема расположения каналов предусматривает рафинирование за счет создания определенной гидродинамической структуры потоков, обеспечивающих быструю коагуляцию и удаление в шлаковую зону как экзогенных так и эндогенных, сформировавшихся неметаллических включений.

Используемые на комбинатах перегородки имеют конструкцию представленную на рис.1. Здесь верхний ряд каналов расположен далеко от шлакового покрова на глубине 450 мм. Поэтому контакт неметаллической фазы со шлаковым покровом неосуществим. Более того, как показало моделирование и практика, в этом случае горизонтальные верхние затопленные струи сбивают траектории наклонных затопленных струй, направленных к поверхности щелевыми каналами. В результате гидродинамика циркуляционных потоков переносится в нижнюю часть промежуточного ковша, в непосредственную зону воздействия выпускного стакана. Это, в свою очередь, приводит к существенному количественному захвату неметаллических включений и втягиванию их в кристаллизатор (рис.4).

Как показали наши исследования, такие перегородки имеют еще один существенный недостаток. Они создают реальные условия для риска срыва технологии в первоначальный момент разливки. В первый момент разливки, при прохождении металла через узкие малочисленные каналы нижнего ряда расход очень мал. Контакт малых порций металла с достаточно большой поверхностью канала, а затем днища и стопора, имеющих более низкую температуру на 400 – 500 ⁰С, приводит к очень существенным удельным теплопотерям. Это может в достаточной степени охладить первые порции металла и приморозить стопор, рис. 5, а.

Еще одним существенным недостатком является наличие малого уровня металла в районе стопора, в первый момент разливки, который обуславливает наличие вихреобразной воздушной воронки, приводящей к затягиванию неметаллических включений (рис.6, а). Это, как правило, ведет к избыточному содержанию неметаллических включений в первом и последнем слябах, что обуславливает их отбраковку.

При помощи моделирования [9] разработана конструкция перегородки, которая удаляет приведенные выше недостатки, рис. 5 а, б. Перегородка оборудована сплошной щелью, сечение которой равно суммарному сечению многощелевой перегородки. Щель расположена у самого днища промежуточного ковша под определенным углом наклона, который обеспечивает требуемое отражение от торцевой стенки промежуточного ковша и создающая эффективную вихреобразную гидродинамическую структуру, распространяющуюся в верхней части раздаточной камеры. Эта структура непосредственно охватывает шлаковый покров и находится на существенном удалении от зоны захвата выпускного стакана. Эта гидродинамическая структура обеспечивает эффективную коагуляцию и удаление как эндогенных так и экзогенных неметаллических включений.

Поскольку щель находится у днища промежуточного ковша и имеет большое сечение, то она сразу пропускает большие объемы металла, обеспечивая высокий уровень металла в раздаточной камере, что исключает теплопотери и образование вихреобразных воронок в первый момент разливки, а также исключает зарастание канала, рис. 6, б. Такие перегородке успешно внедрены и используются на ОАО МК «Азовсталь».

Библиографический список:

1. I. Koyubi "Imaizumi Kaichiro". Ferrum. Vol.5, pp. 578-584 (2000)

2. H. Tanaka et al. "Establishment of a New Steelmaking Process: Zero Slag Process". NKK Giho. No.169, pp. 6-10 (2000).

3. А.А. Алексеенко, Е.В. Байбекова, С.Н. Кузнецов, Б.Я. Балдаев, А.В. Зиборов, Д.А. Понаморенко, А.Г. Понаморенко «Исследование проблемы затягивания стаканов при разливкена сортовой МНЛЗ малоуглеродистой низкокремнистой стали, раскисслеенной алюминием. Электрометаллургия 2007 №3.

4. Кривых Л.Ю., Бабенко А.А., Ремиго С.А. Технология конвертерной плавки с формированием износоустойчивого гарнисажа на базе известково-магнезиальных железистых шлаков //Черная металлургия:Бюл. НТИ.-2008.-№6.-c.54-56.

5. Структура карбонитридного гарнисажа, образующегося в горне и лещади / Гостенин В.А., Сибагатулин С.К., Мавров А.Л. и др. //Сталь.-2007.-№2.-c.29 – 30.

6. Формирование магнезиальных высокореакционных шлаков и износоустойчивого гарнисажа при переработке чугунов в кислородных конвертерах / Бабенко А.А., Челпан С.М., Бодяев Ю.А. и др. //Труды девятого конгресса сталеплавильщиков.-М., 2007.-c.102.

7. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М., «Металлургия», 1968,288 с.

8. Б.Х. Хан, И.И. Быков, В.П. Кораблин, С.В. Ладохин Затвердевание и кристаллизация каменного литья. – «Наукова думка». – К., - 1969. – 162 с.

9. Ефимова В.Г. Физическое моделирование на прозрачных средах процессов, протекающих в раздаточной камере промежуточного ковша МНЛЗ.// Металл и литье Украины. – 2003 . - №1-2. – С.23-26.

Рис. 6. Моделирование гидродинамики разливки во время пуска промковша с многощелевой перегородкой (а) и однощелевой (б)

© Ефимова В.Г., Ефимов Г.В., Симановский В.М., Квасницкая Ю.Г. 2010