Непрерывная разливка стали на металлургических мини-заводах

Общие закономерности формирования сортовой заготовки в кристаллизаторе

При выборе оптимальных параметров технологии непрерывной разливки стали главными проблемами получения качественной заготовки являются: получение бездефектной поверхности и обеспечение гарантированной плотной, здоровой макроструктуры литья. Решение этих проблем определяется, прежде всего, условиями теплоотвода и другими свойствами материала кристаллизатора и гидродинамическими процессами, происходящими ниже уровня мениска жидкой стали. Они вызывают неравномерное распределение температуры и тепловых потоков расплава в объеме кристаллизатора, размыв и подплавление затвердевшей корочки непрерывной заготовки и являются причиной образования как поверхностных, так и подповерхностных дефектов заготовки.

Кристаллизатор является одним из наиболее важных функциональных узлов, определяющих рациональную работу МНЛЗ и оптимальное качество непрерывнолитой заготовки. Кристаллизатор выполняет функцию приема жидкого металла, попадающего в него из промковша, а также перевода части жидкой стали в твердое состояние посредством отвода тепла охлаждающей водой. При этом в кристаллизаторе происходит формообразование геометрии заготовки. В ходе пребывания металла в кристаллизаторе от заготовки отводится от 10 % до 30 % всего тепла, которое аккумулировано металлом. Усовершенствование конструкции кристаллизаторов охватывает методы оптимизации теплоотвода и управления однородностью толщины затвердевшей оболочки слитка, формирующейся в кристаллизаторе; предотвращение деформации кристаллизатора в процессе эксплуатации; удлинение срока службы; оперативное изменения сечения заготовки и пр.

При разливке сортовой квадратной или прямоугольной заготовки кристаллизатор, как правило, представляет собой водоохлаждаемую проточную гильзу, которая выполнена из меди, сплава меди с серебром или сплавов меди с хромом и цирконием, которые обеспечивают высокую интенсивность отвода тепла от поверхности заготовки. В настоящее время на внутреннюю поверхность кристаллизатора наносятся специальные покрытия, которые значительно повышают его стойкость. Длина кристаллизатора обычно составляет 0,8-1,1 м.

Определение закономерностей теплообмена между заготовкой и кристаллизатором является актуальной задачей. Ее важность остается весьма высокой, поскольку от условий теплообмена в кристаллизаторе зависит скорость вытяжки (а, следовательно, и производительность МНЛЗ) и качество поверхностных и подповерхностных слоев заготовки. Знание закономерностей теплообмена между заготовкой и кристаллизатором позволяет оптимизировать конструкцию кристаллизатора для каждого конкретного случая.

Известно достаточно много экспериментальных работ по изучению характера распределения тепловых потоков от затвердевающей стали к стенке кристаллизатора [346, 347]. Установлено, что максимальное значение его проявляется на расстоянии 150 - 170 мм от мениска, а минимальное - на выходе из кристаллизатора. Снижение теплового потока на расстоянии 100 мм и менее от мениска объясняется тем, что часть тепла в этом месте теряется на излучение через мениск жидкого металла в окружающую среду. Неравномерность теплоотвода по высоте кристаллизатора и связанное с ней падение скорости кристаллизации стали вызывано главным параметром непрерывной разливки - образованием зазора между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора. Отход заготовки и образование зазора наступает обычно на высоте 170 - 200 мм от мениска жидкой стали.

На интенсивность затвердевания стали влияют не только теплопоглощающие свойства материала стенки кристаллизатора, но и развитие мощных турбулентных потоков перегретой стали. Известно, что струя стали, попадающая в кристаллизатор из промковша, имеет большую кинетическую энергию, достаточную для перемешивания больших объемов металла. Не анализируя подробно условий перемешивания металла в кристаллизаторе падающей струей, отметим лишь, что там, где эти потоки имеют большую скорость, происходит более интенсивный прогрев стенки кристаллизатора, а нарастание твердой корочки замедляется. Однако, наибольшее влияние на прогрев стенки кристаллизатора и подмыв твердой корочки оказывают потоки в точках пересечения траектории движения струи с поверхностью кристаллизатора.

Обычно ослабление прочности корочки происходит, прежде всего, в местах, прилегающих к углам кристаллизатора (рис.4.20).

Рис. 4.20. Нарушение геометрической формы квадратной заготовки при нарушении условий разливки стали открытой струей (сечение заготовки 125*125 мм)

Вследствие усадки корочки вдоль ее граней происходит образование зазора, резко сокращающего теплоотвод от турбулентных потоков внутри затвердевающего каркаса непрерывной заготовки. Указанные обстоятельства также приводят к развитию неравномерной кристаллизации в поперечном сечении затвердевающей заготовки (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Профиль твердой корочки непрерывнолитой заготовки (сечение 125*125 мм) с характерным утоньшением в углах

Воздушный зазор между стенкой кристаллизатора и коркой непрерывного слитка может быть устранен или, по крайней мере, сокращен до минимума, а теплопередача оптимизирована, если контур кристаллизатора будет в максимальной степени соответствовать контуру корки непрерывного слитка [348]. Контур корки в значительной мере определяется ее первичным формированием на мениске и характеризуется изменением объема под влиянием температуры во время прохода через кристаллизатор.

С повышением скорости разливки до 3-6 м/мин многими исследователями рекомендуется делать поправку на естественную усадку непрерывнолитого слитка и выполнять внутреннюю поверхность кристаллизатора в виде так называемого параболического профиля [349]. Параболический профиль достигается, например, путем создания многоступенчатой конусности стенок кристаллизатора (рис.4.22).

Рис. 4.22. Типичный параболический профиль внутренней полости кристаллизатора высокоскоростной сортовой МНЛЗ

Промышленные испытания таких кристаллизаторов продемонстрировали, что они позволяют достичь высокой скорости литья для заготовок малого сечения (до 5 - 6 м/мин). При этом благодаря улучшению условий теплопередачи по всей поверхности, технологическая длина кристаллизатора увеличивается до 1000 - 1200 мм. Вместе с тем, следует отметить, что при использовании параболических кристаллизаторов может наблюдаться повышенное трение заготовки на выходе из него, что приводит к рывкам в движении заготовки и затрудняет работу системы автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе.

Использование кристаллизаторов с параболической конусностью наибольшее распространение получило на МНЛЗ компании «Danieli» (Италия). В Украине 6-ти ручьевая высокоскоростная сортовая МНЛЗ с параболическими кристаллизаторами запущена в эксплуатацию в ЭСПЦ ЗАО «ММЗ «Isteel (Украина)» в середине 1999 г. Практика последнего времени показала, что для квадрата 100 мм скорость разливки может составлять 5,4-5,5 м/мин. Выбор скорости разливки в большей степени определяется требованиями к качеству заготовки.

Определенные трудности при эксплуатации кристаллизаторов с параболической конусностью вызывает повышенный износ их стенок в случае излишней конусности. Наиболее ярко это проявляется в области ребер слитка в нижней части кристаллизатора, что вызывает недопустимо большое трение при вытягивании (рис. 4.23).

Вместе с тем, многие экспериментальные и расчетные данные показывают, что на расстоянии 300 - 400 мм от мениска контакт углов слитка с поверхностью гильзы кристаллизатора становится нестабильным. При этом часть углов заготовки (обычно один и реже два) полностью отходят от поверхности гильзы, а часть углов заготовки сохраняет такой контакт еще некоторое время. Соответственно, в нижней части кристаллизатора происходит несимметричное нарастание твердой корочки заготовки, что в значительной степени оказывает влияние на формирование в ней высокого уровня внутренних напряжений. Проявлением внутренних напряжений является формирование ромбичности заготовки и образование внутренних угловых трещин (рис. 4.20).

Рис. 4.23. Износ нижней части кристаллизатора после разливки 120 плавок

В связи с этим австрийской фирмой «VAI» предложена конструкция кристаллизатора «Daiemould» с открытыми угловыми областями в нижней зоне (рис. 4.24). Это позволяет повысить равномерность процесса формирования твердой корочки в нижней части кристаллизатора с повышенной параболической конусностью [350].

Рис. 4.24. Принципиальная схема кристаллизатора конструкции «Daiemould»

Другим достаточно эффективным способом уменьшения влияния интенсивного охлаждения углов непрерывнолитого слитка и повышения степени однородности охлаждения заготовки в кристаллизаторе является технология «Convex» («Concast», Швейцария) [351]. Как видно из схематического представления динамики образования твердой корочки в кристаллизаторе традиционной геометрической формы (рис.4.25 I), при формировании твердой корочки в углах происходит её сильная усадка и отделение от поверхности кристаллизатора. Появление газового зазора между стенкой кристаллизатора и заготовкой приводит к уменьшению интенсивности теплоотвода и, как следствие, к локальному разогреву твердой корочки в углах заготовки за счет тепла кристаллизации жидкой фазы.

Рис. 4.25. Сравнение динамики роста корочки кристаллизатора традиционной формы (I) и конструкции «Convex» фирмы «Concast» (II): а – зона мениска; б – середина кристаллизатора; в – выход из кристаллизатора

Технология «Convex» предполагает применение кристаллизатора переменного поперечного сечения (рис.4.26 II). В зоне мениска поверхность заготовки имеет ярко выраженную выпуклую форму, что улучшает условия теплоотвода через стенки кристаллизатора. По мере опускания заготовки выпуклость боковых граней, которая формируется стенками кристаллизатора, плавно уменьшается и на выходе из кристаллизатора заготовка приобретает строгую квадратную форму. При этом толщина твердой корочки по всему поперечному сечению заготовки сохраняется постоянной. Использование технологии «Convex» на промышленных МНЛЗ позволило повысить скорость разливки на сортовой МНЛЗ металлургического завода «Trinecke Zeleziarne» (Чехия) до 6,4 м/мин (квадрат 108 мм) [49]. Уже в 1997 г. технология использовалась в мире на одиннадцати МНЛЗ, что в сумме составило 46 ручьев. Это составляло примерно треть от всего количества скоростных ручьев в мире.

Таким образом, процессы отвода тепла от поверхности твердой корочки заготовки через стенки кристаллизатора имеют определяющее значение с точки зрения динамики нарастания твердой фазы и, как следствие, формирования поверхностных и подповерхностных дефектов. Для обеспечения высокой производительности МНЛЗ и требуемого качества поверхности ведущие производители МНЛЗ стремятся к оптимизации геометрической формы кристаллизатора, отходя от классических конструкций кристаллизаторов. Благодаря этому для сортовых МНЛЗ достигнуто повышение скорости вытяжки заготовки в 2 - 3 раза. Видимо, усилия в области создания оптимальной геометрической формы кристаллизатора будут продолжаться, что позволит разливать сталь с еще большими скоростями.

Между тем, неравномерный отвод тепла от затвердевающей заготовки вызывает неодинаковое распределение температур в твердой корочке, что обусловливает возникновение 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, что является основной причиной снижения качества непрерывных заготовок;
• 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 и неравномерность распределения тепловых полей внутри кристаллизатора.

С точки зрения причин образования макротрещин наибольший интерес представляют главные параметры, влияющие на их возникновение: прочность, деформационная способность и скорость деформации металла при температурах затвердевания стали. В так называемом «эффективном» интервале кристаллизации наблюдается резко выраженный провал пластичности металла. Основной механизм пластической деформации в твердожидком состоянии заключается во взаимном перемещении кристаллитов, причем сами кристаллиты при этом могут деформироваться. Принято считать, что верхней границей «эффективного» интервала кристаллизации является температура переплетения и срастания дендритов в кристаллический каркас. Последний может образовываться и в отсутствии срастания, когда при деформировании кристаллизующегося металла происходит заклинивание кристаллитов. Нижней границей «эффективного» интервала кристаллизации является температура реального солидуса. Эта температура в диапазоне скоростей деформации, имеющих место при непрерывной разливке стали, практически является границей температурного интервала хрупкости, при переходе через которую резко изменяется механизм деформации металла, а именно наряду с межкристаллитными смещениями интенсивно развивается пластическая деформация самих кристаллитов.

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 развития деформации. С увеличением содержания углерода допускаемая скорость деформации увеличивается. Поэтому средне- и высокоуглеродистые стали имеют меньшую склонность к образованию трещин. Как показывают данные различных исследователей, увеличение скорости деформации уменьшает допустимую деформацию для всех марок стали. Деформация металла весьма существенно влияет также и на допустимые напряжения в затвердевающей стали. Последний показатель в значительной степени связан с наличием в стали фосфора, серы и марганца. Химический состав стали во многом определяет свойства в интервале температур кристаллизации. Так, присутствие углерода и серы оказывает заметное влияние на склонность к трещинообразованию [352 - 354]. С повышением содержания углерода c 0,1 до 0,18 % прочность стали возрастает почти линейно. При содержании углерода 0,18 - 0,20 % сталь обладает максимальной прочностью и аномально низкими пластическими характеристиками. Собственно в этом диапазоне содержания углерода сталь по фронту затвердевания не обладает способностью к пластической деформации. При дальнейшем увеличении содержания углерода прочность стали постепенно уменьшается. Увеличение содержания серы от 0,025 % до 0,045 % уменьшает предел прочности при растяжении, причем особенно заметное снижение прочности имеет место в пределах изменения содержания серы от 0,025 до 0,030 %.

Хотя максимальное значение предела прочности при растяжении и имеет место при концентрации углерода примерно 0,18 %, сталь с таким содержанием углерода особенно склонна к образованию трещин. Это позволяет предположить, что пластичность (способность к пластической деформации) оказывает большее влияние на склонность стали к трещинообразованию, чем прочность, так как при содержании углерода 0,18 - 0,20 % сталь по фронту затвердевания практически не обладает способностью к пластической деформации.

Многочисленные экспериментальные исследования, рассмотренные, например, в работе [352], показывают, что допустимая полная деформация сильно зависит от соотношения Mn/S. Для Mn/S < 25 при разрыве образцов (диапазон температур 1000-1250°С) значения относительного сужения составляют менее 10 %, при Mn/S = 60 значение 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 и о другом месте их выделения при более высокой концентрации марганца. Образование легкоплавкого сульфида железа, обогащенного марганцем, подавляется преимущественным образованием сульфида марганца, который выделяется не по границам зерен.

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 компаний мира рекомендуют обеспечивать отношение Mn/S > 60-70 при разливке рядовых сталей на сортовую и блюмовую заготовку.

Формирующаяся в кристаллизаторе твердая оболочка заготовки подвергается разнообразным деформирующим воздействиям. Независимо от причины деформации в оболочке заготовки возникают напряжения, которые при достижении критических значений вызывают образование трещин по фронту затвердевания. Трещины заполняются находящимся перед фронтом затвердевания обогащенным расплавом и самозалечиваются. Не исключено, что в трещину засасывается также обогащенный расплав из междендритного пространства.

В целом термонапряженное состояние корочки затвердевающей заготовки определяется тремя основными 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; продольные поверхностные ужимины (по более широким граням); ромбичность для заготовки квадратного сечения; подповерхностные (в местах нахождения ужимин) диагональные и перпендикулярные поверхности трещины и т.п. Снижения вероятности образования вышеперечисленных дефектов удается достигнуть за счет специальных конструктивных мероприятий, выполненных на базе соответствующих теоретических расчетов и статистической обработки данных применительно к конкретной МНЛЗ.