Исследование процессов формирования непрерывнолитого слитка с помощью радиоактивных изотопов

Скребцов А. М., ПГТУ, Дюдкин Д. А.
ДонНТУ

Метод радиоактивных изотопов появился в металлургии в середине ХХ века как один из ветвей использования атомной энергии в мирных целях. Препараты искусственно-радиоактивных изотопов ("меченые атомы") в это время начали получать путем обработки ядерными излучениями различных материалов. Суть использования метода "меченых атомов" заключается в том, что по химическим свойствам они не отличаются от обычных атомов, но обнаруживаются в материалах различных процессов по испускаемым или ядерным излучениям (альфа-лучи, бета-частицы, гамма-кванты и др.).

На УНРС Донецкого металлургического завода (ДМЗ) в период 1971-1973гг. выполнен целый ряд пионерских исследовательских работ с помощью метода радиоактивных изотопов, большинство из которых являются оригинальными, как в прошлое, так и в настоящее время.

Изучение глубины проникновения струи металла в расплав и скорость движения потоков

Опыты проводили с помощью радиоактивного изотопа фосфора-32 с энергией испускаемых бета-частиц 1,7 МэВ и периодом полураспада 14,3 суток. Препарат радиоиндикатора помещался в жестяную ампулу, которую крепили к стальному прутку диаметром 8-10 мм. Ампула на прутке погружалась ниже уровня зеркала металла в кристаллизаторе на глубину 150–200 мм по большей оси сляба, по середине расстояния от струи металла до узкой грани. Ввод индикатора в расплав производили без прерывания струи металла при установившемся процессе разливки.

После разливки плавки, опытные заготовки (2 мерные длины по 5 м) автогеном разрезали на темплеты толщиной 40 мм, через каждые 500 мм и, затем, строгали с двух сторон на толщину 20 мм (рис. 1).

Распределение концентрации радиоиндикатора в темплетах исследовали двумя методами:

а) измерение содержания изотопа в темплетах с помощью счетчиков ядерного излучения, и

б) авторадиографии.

После окончания измерений радиоактивности проб, все темплеты радиографировали на двухстороннюю рентгеновскую пленку повышенной чувствительности. Время экспозиции 15–20 суток. Места темплетов, содержащих изотоп фосфора-32, вызывали потемнение пленки.

Рис. 1. Схема ввода изотопа и отбора темплетов для исследования: * – точка ввода изотопа в слиток; I – поперечные тем-плеты металла; II – осевые продольные темплеты.

На рис. 2 показан пример радиограммы металла. Наружные темные полосы – затвердевший металл до ввода изотопа. В центре светлые пятна от действия бета-излучения на рентгеновскую пленку.

Рентгенограммы продольных и поперечных темплетов тщательно обмеряли и выделяли границу контура радиоактивного металла.

Была проведена серия экспериментальных исследований скорости разливки, расходов воды в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения (ЗВО); с вводом индикатора в верхнюю и нижнюю части жидкой лунки и рассредоточенно, несколькими ампулами по всей высоте жидкой фазы.

При обработке опытных данных по затвердению металла, использовали известное уравнение Стефана о промерзании влажного грунта

, (1)

где – толщина затвердевшего слоя, см;

– время затвердения, мин.;

к – коэффициент затвердевания, см*мин^0,5.

Рис. 2. Фото радиограммы темплета металла ниже точки ввода изотопа фосфора-32 в слитке

Следует отметить, что зафиксированный с помощью индикатора фронт кристаллизации металла отличается от действительного в момент ввода изотопа в верхнюю часть расплава.

В связи с этим была разработана методика расчета скорости потоков, с которой радиоиндикатор распространяется в металле и произведена обработка полученных данных.

В опыте № 1 при скорости разливки 0,53 м/мин протяженность зоны действия струи металла составила около 1,0 м, скорость потоков в зоне действия струи – 9,3 см/с, а в не зоны действия – 0,61 см/с.

В опыте № 2 при скорости разливки 0,9 м/мин глубина проникновения струи металла в расплав составила 150 см, при скорости потоков в зоне действия струи 13 см/с, а вне этой зоны – 0,25 см/с.

На рис. 3 показан профиль глубины проникновения струи при раз-ливке металла со скоростью 0,53 и 0,9 м/мин. Во втором опыте, с более высокой скоростью, профиль проникновения струи становится более равномерным с преобладанием потоков у стенок кристаллизатора.

Рис. 3. Профиль глубины проникновения и раскрытия струи металла в опытах: № 1 (скорость разливки 0,53 м/мин); № 2 (скорость разливки 0,9 м/мин).

Масса стали, перемешиваемой падающей струей в кристаллизаторе и эффективный коэффициент диффузии

В наших исследованиях определяли так же массу стали, перемеши-ваемой в кристаллизаторе в процессе разливки. На рис.4 представлена типичная картина изменения радиоактивности металла по высоте слитка.

Рис. 4. Изменение радиоактивности металла I по высоте непрерывного слитка х (скорость разливки 0,53 м/мин)

Точка а соответствует уровню ввода радиоиндикатора в металле. От точки ввода изотопы распространяются в нижнюю часть слитка (кривая аb'с'). Радиоактивный металл частично затвердевает в процессе разливки и одновременно разбавляется поступающим в кристаллизатор нерадиоактивным металлом. Соотношение интенсивности развития этих процессов определяет характер кривой аbс.

Обозначим v – объем перемешиваемого расплава со средней радиоактивностью – I. Пусть закристаллизовался объем dv, тогда радиоактивность оставшегося металла (v – dv)*I. С другой стороны, если радиоактивность изменилась на величину dI, то при объеме перемешиваемого металла v его радиоактивность будет (I – dI)*v. По балансу радиоактивности имеем

(2)

или

; (3)

, (4)

где s – площадь поперечного соединения заготовки;

x – расстояние от уровня ввода изотопа с радиоактивностью J0 до точки с радиоактивностью I.

Интегрирование (3), с учетом (4) и при условии I = I0 при x = 0, дает

; (5)

Тангенс угла наклона прямой в координатах lg I/I0 и х:

(6)

откуда (7)

а масса перемешиваемой стали плотностью 7 т/м³

(8)

Расчетные величины средней массы перемешиваемого металла при скорости разливки 0,53; 0,7; 0,9 м/мин, составляют соответственно 1,02; 1,09; 1,22 т. Эти данные показывают, что при увеличении скорости разливки в n раз масса перемешиваемой стали в кристаллизаторе увеличивается примерно в раз.

Интенсивность движения расплава в жидкой сердцевине непрерывного слитка можно характеризовать эффективным коэффициентом диффузии вещества в расплаве [1].

Распространение изотопа из точки ввода его в расплав сверху вниз вдоль направления движения заготовки можно рассматривать, как диффузию в ограниченное изотропное тело с отражающей границей. Этой границей можно считать затвердевший металл или двухфазную область, в которой диффузия изотопа прекращается. В расчете предполагалось, что для двух не сильно отличающихся расстояний диффузии r1 и r2 и соответствующей им времени диффузии t1 и t2 коэффициент эффективной диффузии существенно не изменяется и может быть принят постоянным.

Расчетная формула имеет вид [1]:

,(9)

где – отношение радиоактивностей проб металла на расстоянии r1 и r2 от точки ввода изотопа.

Рассчитанные коэффициенты Д для скоростей разливки 0,5 и 0,7 м/мин на 1-2 порядка больше соответствующих величин для блюмингового 7-тонного слитка [1].

Определение значений коэффициента затвердевания. Глубина жидкой фазы

Для определения контура фронта затвердевания по высоте жидкой лунки 6 ампул с изотопом фосфор-32 крепили на металлической штанге через 500 мм и вводили в расплав. После затвердевания отбирали пробы металла, измеряли их радиоактивность, а на полученных авторадиограммах выделили контуры фронта затвердевания в момент ввода изотопа.

Коэффициент затвердевания стали определяли в соответствии с формулой (1). В качестве примера на рис. 5 показано изменение коэффициента затвердевания (К) по высоте действия струйно-циркуляционных потоков. Как видно из приведенных данных, величина К в зоне действия струи изменяется от примерно 1,0 до 2,5 см/мин.

Рис. 5. Изменение коэффициента затвердевания (К) по высоте зоны струйно-циркуляционных потоков

Для определения глубины жидкой фазы при разливке использовали изотоп кобальта-60, который помещали в вольфрамовый цилиндр D 20 мм и высотой 20 мм, который и вводили в расплав. Местонахождение изотопа определяли с помощью радиометра с учетом параметров непрерывной разливки. Были получены следующие данные.

При скорости разливки 0,9 м/мин глубина лунки 6,5 м; 0,63 м/мин - 4,25 м; 0,5 м/мин - 3,4 м.

Отливались заготовки толщиной 150 мм с учетом уточнения фактической толщины заготовки коэффициент затвердевания во всех случаях составлял К = 2,7–2,8 см/мин^0,5 при хорошей сходимости показателей трех экспериментов и с данными [2].

Исследование качества внутренней структуры непрерывнолитой заготовки

В связи с проводимыми исследованиями по повышению скорости разливки для полного использования металлургической длины сущест-вующей конструкции УНРС (10,5 м) была намечена следующая программа:

1. Оценка величины выпучивания оболочки формирующегося слитка между опорными роликами. При этом отдельно учитывали механическое воздействие на оболочку неправильно установленных роликов относительно технологической оси и их возможной кривизны.
2. Контроль изменения нагрузки на тянущие клети.
3. Определение оптимальной интенсивности охлаждения заготовки в ЗВО, обеспечивающей качество внутренней структуры заготовки.

Для оценки качества внутренней структуры и определения интервала времени образования дефектов был выбран метод ввода радиоактивного изотопа фосфора-32 в расплав при квазистационарном состоянии процесса разливки. Методика ввода изотопа и обработка опытного металла описана выше. Отливали заготовки сечением 150x1000-1200 мм со скоростью от 0,5 до 1,25 м/мин.

На рис. 6 представлен характерный участок радиограмм продольного темплета с микротрещинами, которые обнаруживаются в зоне радиоактивного и частично нерадиоактивного металла. На рисунке приведен так же фрагмент радиограммы с поперечного темплета с ярко выраженной угловой трещиной. Этот случай нетипичный и связан с грубым нарушением условий формирования заготовки. На нем мы останавливаться не будем. Наиболее серьезным дефектом, возникающим в промежуточной зоне, являются внутренние трещины, ориентированные перпендикулярно широким граням заготовки и расположенные по большой оси сечения.

Рис. 6. Фрагменты радиограмм с продольного и поперечного тем-плетов непрерывного слитков

Методика исследования с применением изотопов позволяет определить время и место образования дефектов по технологической линии для предметного их изучения. Визуальный анализ рентгенограмм показал, что внутренние трещины расположены симметрично относительно вертикальной оси заготовки по обеим сторонам широких граней. Расстояние между трещинами по вертикали соответствует шагу установки поддерживающих роликов ЗВО. Отсюда следует, что причиной образования этого дефекта является процесс выпучивания – обжатия оболочки заготовки.

Травлением темплетов (толщиной 20 мм) установили, что каждая из трещин проникает на всю толщину темплета и образует поверхность, расположенную по границам дендритов, ориентированную перпендикулярно широким граням [3]. Наличие по месту трещин участков, обогащенных ликватами и радиоактивными изотопами показывает, что внутренние трещины образуются на фронте кристаллизации. В момент обжатия оболочки, в плоскости, проходящей через центры противолежащих роликов, на фронте затвердевания возникают максимальные растягивающие деформации, прямо пропорциональные величине выпучивания [4]. При этом оси дендритов "раскрываются" и жидкий расплав втягивается, заполняя образующееся пространство. На следующей стадии оболочка вновь претерпевает выпучивание, оси дендритов сходятся, выталкивая расплав из межденд-ритного пространства, но следы разрывов остаются.

В проведенной серии опытов установлено, что увеличение скорости разливки с 0,5 до 0,9 м/мин при неизменном удельном расходе воды (примерно 1,4 л/кг) количество трещин на 1 пог. м темплета увеличилось с 18 до 40-80; длина всех трещин увеличилась со 158 до 1150 мм, при этом ухудшилось качество и осевой зоны. Обильное трещинообразование вызвано повышенным выпучиванием оболочки, что привело к возрастанию усилия вытягивания в тянущих клетях на 35–40 %. Так пришли к выводу, что интенсивность охлаждения, при прочих равных условиях, определяет прочностные свойства оболочки и сопротивляемость ее выпучиванию между опорными роликами.

В конечном итоге было установлено, что появление трещин определяется взаимосвязью технологических и конструктивных параметров – скоростью движения заготовки, определяющей толщину оболочки по высоте, интенсивностью вторичного охлаждения, влияющего на прочность затвердевшей корки, и шагом установки роликов при минимальном их отклонении (0,2–0,5 мм) от технологической оси.

Проведенные исследования позволили определить значения основ-ных технологических параметров, с учетом конструктивных особенностей данной машины, обеспечивающих при увеличении скорости разливки более чем в 2 раза – до 1,4–1,5 м/мин, должное качество внутренней структуры [4].

Библиографический список:

1. Скребцов А. М. Радиоактивные изотопы в сталеплавильных про-цессах. – М.: Металлургия, 1972. – 304 с.

2. Бойченко М. С., Рутес В. С., Фульмахт В. В. Непрерывная разливка стали. – М.: Металлург – Издат. 1961.

3. Дюдкин Д. А., Коваленко В. С., Тауб Л. А. Связь внутренних де-фектов с зональной и дендритной структурой // В кн. Усовершенствование технологии производства толстолистовой стали – М.: Металлургия, 1981. – С. 64-67.

4. Дюдкин Д. А. Качество непрерывнолитой стальной заготовки. – К.: Тэхника, 1988. – 253 с.

© Скребцов А. М., Дюдкин Д. А., 2010