книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

котором расстоянии от поверхности слитка, не до­ стигают границы раздела твердой и жидкой фаз, они за­ канчиваются на некотором расстоянии (10—17 мм) от фронта затвердевания. Исследована зависимость этого расстояния от толщины затвердевшей корочки слитка (рис. 65). Анализ выполняли методом простой парной корреляции. Установлено, что связь между толщиной ко­ рочки и расстоянием от трещины до фронта затвердева­ ния весьма невелика: коэффициент корреляции между этими величинами равен 0,1862. Уравнение линии регрес­ сии имеет вид

Следовательно, расстояние трещин от фронта затвер­ девания весьма незначительно зависит от толщины за­ твердевшей корочки.

Совместное рассмотрение данных, представленных на рис. 64 и 65, а также результатов исследования природы горячих трещин, позволяет утверждать, что при дефор­ мации изгиба (разгиба) неполностью затвердевшего слитка внутренние горячие трещины не возникают на границе твердой, твердо-жидкой и твердой фаз, т. е. в интервале температур затвердевания; они образуются на строго определенном расстоянии от фронта затвердева-

Рис. 65. Изменение расстояния меж ду трещинами и фронтом за­ твердевания в зависимости от толщины затвердевшей корочки слитка

160

ния в интервале температур 1300—1400°С. Именно в этом интервале и образуются горячие трещины в непре­ рывных слитках, подвергаемых деформации изгиба. Чем же объясняется это очень важное явление?

Дело в том, что при 1300—1400°С заканчивается кри­ сталлизация дендритов, но еще продолжаются физико­ химические процессы затвердевания всего сплава: за­ вершается образование, укрупнение и сегрегация третич­ ных оксидных и сульфидных неметаллических включе­ ний; заканчиваются процессы ликвации вредных приме­ сей и процессы формирования жидких прослоек в меж­ дендритных объемах. Именно слои металла, расположен­ ные на некотором расстоянии от фронта кристаллизации дендритов, практически не способны сопротивляться да­ же малейшим растягивающим напряжениям. Незначи­ тельные колебания содержаний углерода, серы, кислоро­ да и неметаллических включений в пределах одной и той же марки стали резко влияют на свойства металла в этой еще затвердевающей зоне.

Сказанное усугубляется тем, что слои металла с тем­ пературой 1300—1400°С, расположенные на некотором расстоянии от поверхности фронта кристаллизации, по­ стоянно находятся в напряженном состоянии, обуслов­ ленном перепадом температур между наружной поверх­ ностью слитка и фронтом затвердевания. Полностью затвердевшие поверхностные слои слитка сдерживают усадку металла; и в этих слоях процессы затвердевания продолжаются и при 1300—1400°С.

Следовательно, в расчетах допустимых радиусов из­ гиба (разгиба) заготовок с жидкой сердцевиной следует принимать во внимание допустимые относительные удли­ нения не на границе фронта затвердевания, а при дан­ ной толщине корочки принимать в расчетах слои метал­ ла, расположенные на некотором расстоянии от фронта затвердевания (например, для стали Ст.З это расстояние

равно 13 мм).

Какие же относительные деформации допустимы для слоев металла, имеющих температуру 1300—1400°С, но находящихся в процессе затвердевания. На этот вопрос ответить определенно пока не представляется возмож­ ным. Однако некоторые экспериментальные данные по­ зволяют несколько осветить этот вопрос.

На радиальной УНРС Нижне-Тагильского металлур­

гического комбината отливают заготовки сечением 250Х Х'1600 мм. Деформация неполностью затвердевшего слитка осуществляется по кривой, обеспечивающей пос­ тепенное выпрямление слитка после прохождения каж­ дой пары роликов при условии сохранения постоянной деформации поверхностных слоев. По расчетам, при ско­ рости разливки 0,4 м/м,ин относительная деформация внутренних только что закристаллизовавшихся слоев со­ ставляет 0,015%, а при скорости разливки 0,9 -м/мин она равна 0,032%.

Однако, несмотря на такие низкие значения относи­ тельных деформаций, в слябах образуются внутренние горячие трещины [29, 30].

Зарубежные исследователи также указывают, что в большинстве случаев ликвационные трещины образуют­ ся от изгиба и поэтому считают допустимым (с учетом экономических соображений) изгиб незатвердевшей за­ готовки только для малоответственных сортов стали

[121 ].

Рассмотрим вопрос о возможности образования тре­ щин в зоне быстрого изгиба на радиальных УНРС без деформации слитка до окончания затвердевания для то­ го, чтобы убедиться в правильности рекомендованных формул для выбора их радиуса. Учитывая, что при тем­ пературе металла ниже 1300°С полностью заканчивают­ ся все физико-химические процессы затвердевания, при­ нимаем для дальнейших рассуждений допускаемые от­ носительные удлинения равными 2,2%. Следовательно, при быстром изгибе непрерывного слитка в момент окон­ чания затвердевания степень деформации

_D

не должно образовываться внутренних трещин, так как

162

(133). Из этих формул следует, что радиус криволиней­ ной оси непрерывного слитка для прямоугольных сече­ ний R = 35 D (например, при ß= 10), а для квадратных

сечений R = 42 D.

Рекомендуемый радиус криволинейной оси, найден­ ный по формулам ('132) и (133), превышает минималь­ ные значения Rn0n, так как F(X, х) ^ 0 .

Пригодность формул для выбора радиуса слитка проверена на промышленной радиальной установке не­ прерывной разливки стали Руетавского металлургиче­ ского завода. При радиусе оси слитка на этой установ­

ром изгибе) полностью затвердевшего слитка не возни­ кали [21, с. 400; 122, 123 и др.]

6* Зак. 627

Глава III

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ЗАГОТОВОК

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ГЛ зучению кристаллического строения слитков вер- * ' тикальной непрерывной разливки посвящено до­ вольно много работ [4—6,64 и др.]. В слитках непре­ рывной разливки, как и в слитках обычной разливки в изложницы, различают три основные зоны кристалли­ зации: поверхностную с мелкой дендритной структурой, зону со столбчатыми ориентированными дендритами и центральную зону неориентированных дендритов. Под

туры обычных заключается в сравнительно более высо­ кой дисперсности дендритного строения, относительно большей протяженности корковой мелкозернистой зоны

химический состав стали, температура металла, скорость разливки, интенсивность теплоотвода. Увеличение темпе­ ратуры металла приводит к значительному развитию зоны столбчатых кристаллов. По данным [1251, при не­ прерывной разливке Ст.З в слитки сечением 150X420 мм примерно 40% темплетов не имело столбчатых кристал­ лов, если температура металла в промежуточном ковше не превышала 1540°С; все 100% темплетов имели разви­ тую столбчатую зону, если температура металла была выше 1580°С. В работах [64 и др.] также установлено, что с повышением температуры металла процент слит­ ков со столбчатой структурой увеличивается, а с неооиентированной структурой значительно уменьшается. По-

164

вышение температуры металла с 1530 до 1580°С приво­ дит к увеличению протяженности столбчатой зоны в слитках сечением 200X200 мм для Ст.З с 60 до 65 мм, для стали У7, У8—с 72 до 80 мм. Подразделяя структу­ ру непрерывных слитков на мелкодендритную (I балл), смешанную с крупными дендритами в промежуточной зоне (II балл) и грубодендритную (III балл), установи­ ли, что с понижением температуры металла в пределах 1575—1525 С число слитков с мелкодендритной структу­ рой возрастает с 10 до 100% [18 с. 156].

Вусловиях интенсивного теплоотвода с поверхности

инезначительного понижения температурного градиен­ та структура непрерывного слитка характеризуется на­ ружной зоной мелких кристаллов и зоной столбчатой кристаллизации, распространяющейся до центра [5, 6,

29, 126 и др.].

Многочисленными исследованиями установлено, что уменьшение размеров поперечного сечения непрерывно­ го слитка сопровождается развитием мелкодендритного и тонкодисперсного строения всех структурных зон [125,

ли. Например, по данным [64], протяженность столбча- • тых дендритов в слитках сечением 200X200 мм из угле­ родистой стали Ст.Зсп составляет 60 мм, а из стали У12

оказывает существенное влияние движение жидкого ме­ талла у поверхности фронта кристаллизации [128, 129, 148 и др.]. В ряде работ вынужденное движение в лун­ ке жидкого металла вызывали при помощи электромаг­ нитного поля. Во всех опытах установлено, что движе­ ние жидкого металла подавляет развитие зоны столбча­ тых дендритов и способствует формированию мелких равноосных кристаллов. Для резкого изменения струк­ туры слитка необходима оптимальная скорость движе­ ния его жидкой сердцевины, так как структурные изме­ нения могут и не произойти, если скорость будет ниже

165

В направлении продвижения фронта кристаллиза­ ции грануляционная структура криволинейных слитков неоднородна. После холодного травления 16%-ной HN03 видно, что от корковой зоны мелких неориенти­ рованных трудноразличимых кристаллов в глубь слитка простирается зона столбчатых кристаллов, которая за­ тем в центральной части переходит в глобулярную. Крупные ориентированные кристаллиты располагаются по противоположным криволинейным сторонам симмет­ рично относительно тепловой оси слитка независимо от размера поперечного сечения (табл. 8).

Таблица 8

РАЗМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ ЗОН КРИВОЛИНЕЙНЫХ НЕПРЕРЫВНЫХ СЛИТКОВ ПОСЛЕ ТРАВЛЕНИЯ (Ст.З)

Ширина кристаллитов в значительной мере зависит от размера поперечного сечения слитка. Размер зерна по противоположным криволинейным сторонам увеличи­ вается одинаково от наружной поверхности пропорцио­ нально расстоянию вплоть до определенной глубины, после которой величина зерна остается постоянной.

Для выполнения дендритной структуры термообра­ ботанные темплеты травили реактивом Обергоффера. Исследование дисперсности дендритного строения ра­ диальных непрерывных слитков проведено по методике, описанной в работах [133, 134] и примененной в усло­ виях вертикальной непрерывной разливки стали [124]. Дисперсность дендритной структуры определяли под­ счетом количества дендритных осей главного направле­ ния на 40 мм длины темплета через каждые 5 мм от на­ ружной поверхности к оси.

Анализ шлифов, протравленных реактивом Обергоф­ фера, показал существенное расхождение между распо­ ложением кристаллитов и дендритной структурой в кри­

167

волинейных слитках. В зависимости от расположения структурных зон имеется, как правило, две разновидно­ сти макроструктуры. Первая отличается тем, что по сто­ роне меньшего радиуса плотно упакованные мелкие ден­ дриты в корковом слое переходят в зону столбчатых чет­ ко ориентированных дендритов, которые на определенном расстоянии от поверхности сменяются крупными разориентированными дендритами, переходящими в осевую зону мелких неориентированных или глобулярных ден­ дритов. По стороне большего радиуса в корковой зоне плотно упакованные дендриты переходят в зону ориен­ тированных (столбчатых) дендритов, которая раньше, чем со стороны меньшего радиуса, переходит в зону круп­ ных неориентированных дендритов.

Вторая разновидность макроструктуры отличается от предыдущей тем, что по стороне меньшего радиуса столбчатые дендриты сразу переходят в осевую зону мелких неориентированных или глобулярных дендри­ тов, а зона крупных неориентированных дендритов от­ сутствует. О размерах структурных зон в радиальных слитках можно судить по данным, приведенным в табл. 9.

Таблица 9

РАЗМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ ЗОН В КРИВОЛИНЕЙНЫХ СЛИТКАХ (ТРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВОМ ОБЕРГОФФЕРА, Ст.З)

Расстояние от поверхности, мм

* Две разновидности дендритной структуры.

Основная особенность литой структуры криволиней­ ных слитков состоит в том, что зона столбчатых дендри­ тов прекращает развиваться прежде всего по стороне

168

большего радиуса. Однако суммарная протяженность зоны столбчатых дендритов и следующей за ней зоны крупных неориентированных дендритов по стороне боль­ шего радиуса всегда равна зоне столбчатых дендритов (или суммарной с ней зоной крупных неориентирован­ ных дендритов при наличии последней) по стороне меньшего радиуса.

На величину запаздывания прекращения роста столбчатых дендритов по стороне большего радиуса по сравнению с противоположной стороной оказывают влия­ ние температура металла, расход воды на вторичное ох­ лаждение, скорость разливки и сечение отливаемого слитка.

Разница в протяжении столбчатых дендритов по про­ тивоположным криволинейным сторонам возрастает с увеличением температуры металла (рис. 66),уменьшает­ ся с увеличением расхода воды на охлаждение широкой грани большего радиуса и увеличивается с возрастани­ ем общего расхода воды на вторичное охлаждение

(табл. 10).

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прекращение роста столбчатых дендритов по криво­ линейным сторонам слитка определяется температур­ ными условиями в лунке жидкого металла и условиями охлаждения слитка.

169