Качество непрерывнолитого слитка

Кристаллическая структура непрерывнолитого слитка схожа со структурой слитков, полученных разливкой в изложницы – наружная корка из мелких неориентированных кристаллов (ее толщина 10-20 мм), далее столбчатые кристаллы и в осевой части слитка различно ориентированные равноосные кристаллы; в слитках мелкого сечения зона столбчатых кристаллов может простираться до центра слитка.

Непрерывный слиток благодаря малой толщине и быстрому вследствие этого затвердеванию отличается меньшим развитием химической неоднородности, более равномерным распределением не­металлических включений. От слитков, разливаемых в изложницы, он отличается также более чистой и гладкой поверхностью.

Ниже перечислены основные дефекты слитков, получаемых непрерывной разливкой.

Сильно развита в них осевая пористость, что объясняется наличием в кристаллизующемся слитке очень глубокой и узкой лунки жидкого металла. Осевая пористость заметно усиливается при увеличении перегрева металла и повышенной скорости разливки, иногда переходя в осевые усадочные пустоты. Заметно выражена в непрерывных слитках осевая ликвация, при этом по длине слитка располагаются отдельные участки увеличенной ликвации.

В слитках криволинейных и особенно горизонтальных УНРС наблюдается некоторая несимметричность структуры и распределения составляющих стали, поскольку зона затвердевания последних порций металла, а следовательно, и усадочная пористость, и скопление ликвидирующих примесей смещены к верхней грани слитка; у верхней грани наблюдается также повышенное содержание неметаллических включений вследствие их всплывания.

Иногда наблюдается искажение формы слитка. Для слитков квадратного сечения характерна ромбичность – искажения профиля слитка в кристаллизаторе, когда квадратное сечение деформируется в ромбическое. Причины: перекос слитка в кристаллизаторе под воздействием несоосно расположенных с ним опорных роликов, неравномерное охлаждение различных граней слитка в кристаллизаторе. Раздутие слитка (выпуклость его поперечного сечения) возникает под воздействием ферростатического давления столба жидкой стали в слитке; возникновению дефекта способствуют повышенные скорости разливки и температура металла, что уменьшает толщину затвердевшей корки; недостаточная интенсивность вторичного охлаждения; отклонения в настройке опорных роликов; увеличенное расстояние между опорными роликами.

Распространенным дефектом являются трещины – поверхностные и внутренние. Продольные поверхностные трещины на гранях слитка имеют длину до 1-1,5 м и более и глубину до 10-15мм. Эти трещины (рисунок 72, 5) являются результатом усадочных напряжений и образуются при неравномерном прилегании формирующейся корки к стенкам кристаллизатора в местах уменьшенной ее толщины, которые возникают из-за снижения теплоотвода там, где корка отходит от стенок (например в результате деформации слитка или коробления стенок кристаллизатора). Действенным средством борьбы с этим дефектом является разливка с защитным шлаковым покрытием, поскольку образующаяся между коркой и стенками кристаллизатора тонкая шлаковая прослойка существенно снижает неравномерность теплоотвода.

Продольные трещины по ребрам (углам) (см. рисунок 72, 7) образуются в квадратных слитках при искажении профиля в кристаллизаторе. В слябах такие трещины возникают на расстоянии ~350 мм от уровня металла в кристаллизаторе в случае отхода корки слитка от узкой стенки кристаллизатора вследствие ее износа или изменения угла ее наклона (неправильная установка кристаллизатора).

Поперечные поверхностные трещины (см. рисунок 72, 10) (надрывы корки) возникают в кристаллизаторе вследствие усиленного трения при недостаточной смазке стенок и вследствие зависания корки при наличии на стенках кристаллизатора царапин, вмятин. Такие трещины могут возникать при изгибании или выпрямлении слитка на УНРС с криволинейной осью. Поперечные трещины в углах слитка (рисунок 72, 9) могут также образовываться в результате слишком интенсивного вторичного охлаждения.

		1 – центральная трещина; 2 – диагональные трещины; 3 – осевые; 4 – внутренние трещины перпендикулярные широким граням слитка; 5 – продольные поверхностные трещины на гранях слитка; 6 – трещины, перпендикулярные узким граням слитка; 7 – продольные трещины по ребрам (углам); 8 – паукообразные и сетчатые трещины; 9 – поперечные трещины в углах слитка; 10 – поперечные поверхностные трещины (надрывы корки)   Рисунок 72 – Основные виды трещин в вытягиваемом из кристаллизатора МНЛЗ слитка

 

 

Паукообразные и сетчатые трещины (см. рисунок 72, 8) схожи, каждая трещина распространяется из одного центра в нескольких направлениях. Паукообразные трещины возникают в кристаллизаторе при неравномерном прилегании корки к его стенкам в местах плотного прилегания, т. е в участках наиболее сильного охлаждения. Пораженность этими трещинами снижается при разливке со шлаковым покрытием в кристаллизаторе. Сетчатые трещины образуются в зоне вторичного охлаждения при температурах 700-900⁰С в результате чередования нагревов и охлаждений поверхности слитка (охлаждение у форсунок и разогрев за счет внутреннего тепла слитка при его движении между форсунками). Количество этих трещин сильно снижается при переходе от водяного к более мягкому водовоздушному вторичному охлаждению.

Многообразные внутренние трещины образуются в результате совместного воздействия термических напряжений в охлаждаемом слитке и механических усилий от опорных, тянущих и изгибающих роликов. Распространены внутренние трещины, перпендикулярные широким граням слитка (см. рисунок 72, 4); основной причиной их возникновения считают механическое воздействие роликов на затвердевающую корочку слитка и средством борьбы с ними – правильную настройку роликовой проводки и сохранение постоянства расстояния между роликами. Такие трещины могут также возникать из-за термических напряжений при неравномерном вторичном охлаждении.

Гнездообразные трещины (см. рисунок 72, 4а) – скопления мелких, схожих с трещинами типа 4 и располагающихся ближе них к центру слитка образуются при разгибании слитка с жидкой сердцевиной.

Осевые трещины (см. рисунок 72, 3) в слябах располагаются по их большой оси в зоне смыкания фронтов кристаллизации. Считают, что эти трещины образуются в результате усадки стали, если она не компенсируется сжимающим усилием опорных роликов; особенно они проявляются при выпучивании широких граней слитка, когда сжимающие усилия явно недостаточны. В слитках квадратного сечения, где усадка сконцентрирована в центре слитка, форма осевых трещин иная (см. рисунок 72, 1).

Трещины, перпендикулярные узким граням (см. рисунок 72, 6) и расположенные вблизи от них, возникают при выпучивании широких граней слитка, т. е при недостаточном поддержании оболочки слитка опорными устройствами.

Диагональные трещины (см. рисунок 72, 2) на стыке кристаллов, растущих от двух смежных граней, встречаются преимущественно в слитках квадратного сечения при искажении профиля в тупых углах.

Газовые пузыри в корковом слое слитка возникают при достаточно раскисленном металле, высоком содержании в нем водорода, повышенном содержании влаги в защитной шлаковой смеси, вводимой в кристаллизатор. Ряд поверхностных дефектов слитка связан с неудовлетворительной организацией разливки. Шлаковые включения на поверхности возникают при заливке жидким металлом прилипающих к стенкам кристаллизатора частиц шлака или размытых огнеупоров. Ужимины (поперечные углубления на поверхности слитка) возникают в результате резкого изменения напора струи и колебаний уровня металла в кристаллизаторе, при местном размывании корки струей металла и в участках неплотного прилегания корки к стенкам кристаллизатора.

 

Литейно-прокатные комплексы

 

При сооружении этих установок используется принцип со­вмещенных процессов отливки и прокатки листовых заготовок большой длины, т.е. двух технологий — непрерывного литья заготовки, поперечное сечение которой приближается по пара­метрам к размерам готового изделия, и непосредственного со­вмещения процесса разливки с прокаткой тонкой полосы. Схе­матически это можно представить следующим образом: непрерывное литье тонких заготовок - разделение полосы - подогрев, выравнивание температуры - горячая прокатка - охлаждение, смотка

Литейно-прокатные комплексы с тонкослябовыми (с толщиной заготовки до 100 мм) МНЛЗ начали сооружать в начале 90-х годов и в настоящее время их количество составляет более 1000 шт.

Другим вариантом получения листового проката являются у становки непрерывной отливки полосы. Патент на прямую отливку полосы с подачей металла в за­зор между двумя вращающимися валками получен в 1866 г. Генри Бессемером.

Технология прямой отливки полосы обладает многими пре­имуществами, но прежде всего она исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, по­вторный нагрев и горячая прокатка. В результате значитель­но сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудо­ванием, и уменьшаются примерно на 85% энергозатраты по сравнению с традиционной технологией.

Из всех валковых машин в настоящее время находятся в эксплуатации только двухвалковые машины (рисунок 73). В этих установках кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промежуточным ковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь поступает в пространство между валками и при контак­те с поверхностью валков кристаллизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из вал­ков в форме листа, толщина которого определяется расстоя­нием между валками, а ширина — боковыми стенками крис­таллизатора.

Очень важная проблема — отвод тепла из зоны кристал­лизации, скорость потока которого составляет 10² —10⁴ °С/с. Вначале валки изготавливали из стали, затем из меди, сейчас наиболее широко используют сплав меди с хромом, в некото­рых случаях с покрытием поверхности валка никелем, что обес­печивает высокую теплопроводность и достаточную механи­ческую прочность инструмента. Для отвода выделяющегося тепла валки охлаждают водой.

Серьезную проблему представляет конструкция боковых стенок, которые должны удерживать жидкую сталь, предотв­ращая ее прорывы из кристаллизатора, и обеспечивать одина­ковую температуру металла около стенок и в средней части кристаллизатора, чтобы исключить деформацию кромок лис­та. В качестве материала боковых стенок используют нитрид бора или кремния.

Проводятся исследования по удержанию ванны жидкой стали с помощью электромагнитного поля.

1 — ковш; 2 — разли­вочный узел; 3 — погружной стакан; 4 — валки; 5 — уплотнение; 6 — регулятор нагрузки; 7 — направляющий желоб; 8 — прием­ные валки; 9 — сматыватель   Рисунок 73 - Схема двухвалковой МНЛЗ

Еще одна важная задача — получить лист заданной толщи­ны. Расширение валков при нагреве приводит к уменьшению зазора. Если при отливке сляба толщиной 150 мм изменение ширины на 1 мм несущественно и при горячей прокатке испра­вимо, то при отливке 2-3мм листа оно недопустимо. Следует, безусловно, избегать образования трещин и морщин на поверх­ности листа, так как при отливке тонкого листа трещина глубиной 1 мм может оказаться сквозной.

 

Продолжительность непрерывной разливки зависит глав­ным образом от срока службы прижимных боковых плит-уплотнителей (ограничителей жидкой ванны). Последние из­готавливают из несмачиваемых сталью композитных материа­лов. Износ использованных на установке плит составлял 0,5 и 1,3 мм/км полосы при отливке соответственно тонкой (2,8 мм) и толстой (4,2 мм) полос. Максимальный срок соответственно 100 и 129 мин (при разливке 90-т плавки).

Расчетная стойкость никелевого покрытия роликов отве­чает разливке 3 — 7 тыс.т стали в зависимости от толщины от­ливаемой полосы.

Рисунок 74 – Потребление энергии (МДж/т) при производстве тонкого листа по различным технологическим схемам

Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ позволяет в 8—10 раз снижать затраты энергетических ресурсов, в 40—50 раз сократить потери металла в окалину, в 5—10 раз повысить производительность труда, в 10—20 раз снизить выбросы парниковых газов при существенном уменьшении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования. Сравнение энергозатрат при различных вариантах производства полосового проката приведено на рисунке 74.

Рекомендуемая литература

 

1 Юсфин, Ю.С. Металлургия железа: учебник для вузов [Текст] / Ю.С. Юсфин, Н.Ф. Пашков. – Рекоменд. УМО. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 464 с.

2 Металлургия чугуна [Текст]: учебник для вузов / Е.Ф. Вегман [и др.]; под ред. Ю.С. Юсфина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. – 774 с.

3 Бабарыкин, Н.Н. Теория и технология доменного процесса [Текст]: Магнитогорск, - ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. - 257 с.

4 Тарасов, В.П. Теория и технология доменной плавки [Текст] / В.П. Тарасов, П.В. Тарасов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2007. – 384 с.

5 Дюдкин, Д.А. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали. – М.: Теплотехник, 2008. – 528 с.

6 Бровман, М.Я. Непрерывная разливка стали/ М.Я. Бровман. - С.: "ЭКОМЕТ", 2007. – 484с.

7 Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов.- М.: "Мир", ООО "Издательство АСТ", 2003. - 528 с.

8 Коротич, В.И. Основы теории подготовки сырья к доменной плавке [Текст]. - М.: Металлургия, 1978. – 208 с.

9 Воскобойников, В.Г. Общая металлургия [Текст]. / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 768 с.

10 Авдеев, В.А. Основы проектирования металлургических цехов./ В.А. Авдеев, В.М. Друян, Б.И Кудрин. – Справочник. М.: ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 2002. – 462 с.

11 Явойский, В.И. Металлургия стали. Учебник под редакцией Явойского В.И., Кряковского Ю.В. М.: Металлургия, 1983. - 210 с.

12 Поволоцкий, Д.Я. Внепечная обработка стали./ Д.Я. Поволоцкий, В.А. Кудрин, А.Ф. Вишкарев. М..: МИСиС, 1995. - 255 с.

13 Чалмерс, Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. 280 с.

14 Емельянов, В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. – М.: Металлургия, 1988. – 143с.

 

ШАПОВАЛОВ А.Н.

 

 

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Металлургические технологии»

 

 

Направление подготовки: 22.03.02 «Металлургия»

Квалификация (степень) выпускника: Бакалавр

Форма обучения: очная, заочная