книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках
..pdfИзвестно, что в укрупнении неметаллических вклю чений практическое значение имеет ортокинетическая коагуляция, обусловленная различной величиной и фор мой частиц, неодинаковой их плотностью, а также пе ремешиванием металла. Вероятность столкновения раз личных частиц можно определить выражениями
Кц ~ А. го ' |
' А Ѵ Ъ - |
Ш |
|
|
|
|||
где |
Wn — вероятность |
столкновения |
частиц; |
|
||||
Dij=Di-\-Dj— константы диффузии частиц; |
|
|
||||||
= |
— расстояние между |
центрами |
частиц, |
|||||
|
при |
котором |
может |
осуществляться |
||||
гі, |
сцепление; |
|
|
|
|
|
|
|
Г}— радиусы і и / частиц; |
|
|
|
|
||||
П і , |
r i j — число частиц в единице объема. |
при |
от |
|||||
Из этих уравнений следует, что, например, |
||||||||
ношении размеров частиц п/г3-=10 вероятность |
встреч |
|||||||
возрастает втрое, а при /^/л,-=100 в 26 раз. Из |
приве |
|||||||
денных ранее экспериментальных данных |
видно, |
что |
||||||
размеры неметаллических включений в стали |
отлича |
|||||||
ются и на большие величины |
(ПО, |
135 и 176 раз). Кро |
ме того, из сопоставления вероятности столкновения ча стиц в потоке (Wu) с вероятностью столкновения в спо койной жидкости (W'o) вытекает, что, когда диаметр частиц равен 10 мкм, отношение Wu/W0 превышает ІО5. Поскольку в стали всегда встречаются частицы указан ных размеров, при перемешивании металла резко уве личивается частота встреч.
Из изложенного выше ясно, что жидкая сталь, зали ваемая в кристаллизатор, содержит определенное коли чество неметаллических включений. Кроме того, вслед ствие продолжения химических реакций образуются но вые (по терминологии В. И. Явойского, вторичные и тре тичные) неметаллические включения в процессе охлаж дения металла от температуры, которую он имеет в струе, до температуры ликвидуса, а также в интервале понижения температуры в двухфазной области до точки солидуса. Наиболее существенное значение имеют про цессы, протекающие в период кристаллизации, т. е. в ин тервале температур ликвидус— солидус.
210
При переходе из жидкого состояния в твердое раст воримость в стали кислорода резко уменьшается, в ре зультате чего концентрация кислорода в маточном рас творе может превысить равновесные значения с элемен тами-раскислителями, и реакция между ними в условиях понижения температуры приводит к образованию ок сидных неметаллических включений. Известное влияние на этот процесс может оказывать также ликвация эле-
ментов-раскислителей, обладающих |
поверхностно ак |
тивными свойствами. |
также концентриру |
Во время кристаллизации сера |
ется в жидких объемах металла внутри двухфазной об ласти под влиянием дендритной сегрегации. При дос тижении пересыщения начинают выделяться сульфиды и располагаться в междендритных каналах между рас тущими кристаллами. Как уже указывалось выше, ис следованиями последних лет установлено пластинчатое
строение дендритов и субдендритных осветлений. |
Во |
время роста пластинчатых дендритов в направлении |
от |
вода тепла субдендритные ответвления образуются та ким образом, что жидкий металл остается между меж дендритными ответвлениями.
Исследования с использованием радиоактивных изо топов и электронной микроскопии, а также металлогра фические исследования показали, что междендритные расстояния составляют 50—200 мкм в зависимости глав ным образом от скорости кристаллизации [163]. Экс периментальные данные о междендритных расстояниях, приведенные в предыдущем параграфе, свидетельству ют о том, что образующиеся в процессе кристаллизации включения практически не могут быть удалены, так как они очень мелкие и образуются в замкнутых объемах. В этих условиях конвективные потоки металла уже пре
кращаются и преобладают диффузионные |
процессы |
в |
|||
межосных пространствах кристаллов. |
|
|
|
||
Добавим к сказанному, что сульфиды, присутствую |
|||||
щие в обычных количествах, полностью растворены |
в |
||||
жидкой стали, в то время |
как |
оксиды и |
силикатные |
||
включения не растворены |
в жидкой стали. |
Поэтому |
|||
можно говорить о возможном |
удалении из |
жидкого |
объема металла в затвердевающем слитке только оксид ных и силикатных включений.
Согласно общепринятой точке зрения В. И. Явойско-
211
го [164], поведение неметаллических включений в про цессе продвижения фронта кристаллизации определя ется соотношениями удельной поверхностной энергии на границах жидкость — включение (ож.в), кристалл — включение (ак.в) и кристалл — жидкость (стк.ж). Если в процессе кристаллизации возникнут условия, обеспечи вающие справедливость неравенства
а < а + о
то включения будут захватываться кристаллами и фик сироваться в них. В случае возникновения на каком-то этапе кристаллизации условий, нарушающих это нера венство, неметаллические включения испытывают крис таллизационное давление и отталкиваются в глубь жид кого объема металла. Поведение неметаллических вклю чений зависит также от их формы и размера: глобуляр
ные силикатные |
включения лучше |
отталкиваются в |
глубь расплава, |
а мелкие твердые |
включения (корунд) |
лучше захватываются растущими кристаллами. |
||
Распределение неметаллических включений по раз |
||
меру, а также и по процентному |
содержанию, в связи |
с изложенным, зависит от скорости кристаллизации. Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше времени на протекание реакций на поверхности уже сформиро вавшихся включений и укрупнение включений в резуль тате коагуляции. Большие скорости кристаллизации спо собствуют захватыванию включений ветвями растущих дендритов и фиксации их на месте расположения в жид ком металле. При изменении условий кристаллизации, сопровождающихся сильным развитием ликвационных явлений, химический состав жидкого металла вблизи фронта кристаллизации изменяется настолько, что ме няются условия смачивания им включений, происходит обрастание включений кристаллами и фиксация их [164].
В обычных слитках это совпадает с образованием «усов» «ли с изменением дендритной структуры, т. е. на стыках различных кристаллических зон. На основе из ложенных теоретических представлений довольно удов
летворительно объясняется |
достоверно |
установленный |
факт увеличения размеров |
оксидных |
неметаллических |
включений от поверхности обычного слитка к оси, скоп ление наиболее крупных включений в нижней части
212
слитка в осевой зоне равноосных кристаллов, а также обычное увеличение числа и размеров сульфидных включений от края к центру слитка [165, 166 и др.].
Этим же объясняется обычно большее количество ок сидных и сульфидных включений в зоне расположения усов и пограничной зоне .между столбчатыми и равноос ными дендритами и минимальные количества включений в корковой зоне и на протяжении всей столбчатой зоны [134, 165 и др.]. Для объяснения повышенного содержа ния оксидных неметаллических включений в нижней части обычного слитка выдвигается несколько отличаю щихся друг от друга гипотез.
Согласно одной из них [167, 168] опускание оксид ных неметаллических включений в нижнюю часть свя зано с захватыванием их оседающими кристаллами; со гласно другой [154, 169] оксидные включения являются зародышами первых, наиболеее чистых равновесных кристаллов, образующихся в объеме слитка и опускаю щихся в его нижнюю часть. Повышенное содержание оксидных включений в нижней центральной части неко торые авторы объясняют также медленным всплывани
ем включений из нижних горизонтов и более |
быстрой |
|
кристаллизацией |
под влиянием охлаждающего |
дейст |
вия дна изложницы [170]. |
|
|
На основе изложенных теоретических представлений |
||
также довольно |
удовлетворительно можно объяснить |
|
ряд особенностей |
поведения неметаллических |
включе |
ний при кристаллизации криволинейного непрерывного слитка. К таким особенностям относятся: преобладание в поверхностных слоях слитка в составе неметалличе ских включений минеральной фазы стекловидного веще ства над сульфидами и преобладание сульфидов над другими минеральными фазами в более глубоких слоях слитка, сосредоточение мелких оксидных и сульфидных включений в больших количествах в поверхностных сло ях слитка и увеличение количества крупных сульфидов в осевой зоне слитка, отсутствие скачкообразного изме нения содержания оксидных неметаллических включе ний в местах перехода зоны столбчатых дендритов в зо ну неориентированных дендритов, отсутствие изменения химического состава оксидных неметаллических вклю чений в процессе кристаллизации.
Однако на основе изложенных теоретических пред
213
ставлений не представляется возможным объяснить не которые весьма важные особенности поведения неметал лических включений при кристаллизации криволинейно го слитка. К таким особенностям относятся: большое количество мелких оксидных включений на стороне г по сравнению со стороной R и одинаковое количество суль фидов всех размеров по противоположным криволиней ным сторонам, резкое увеличение содержания оксидных включений в пределах одной и той же структурной зо ны столбчатых дендритов по стороне г на строго опре деленном расстоянии от поверхности слитка и отсутст вие этого явления по стороне R.
Не совсем строго можно объяснить и резкое увеличе ние содержания неметаллических включений в осевой зоне мелких неориентированных дендритов, кристалли зация которой в непрерывном слитке идет с высокой скоростью. Совершенно очевидно, что эти особенности в распределении неметаллических включений могут ока зать вредное влияние на качество металла, поэтому не обходимо проанализировать условия их возникновения и разработать пути их предотвращения. Для этого не
обходимо, no-видимому, обратиться |
к теоретическим |
||
предпосылкам, |
согласно которым существенную |
роль в |
|
распределении |
неметаллических |
включений |
играют |
конвективные потоки жидкого металла в объеме крис таллизующегося слитка. В самое последнее время эта точка зрения начинает получать все большее признание.
Причинами описанных особенностей поведения неме таллических включений при кристаллизации криволи нейного непрерывного слитка могут быть:
1)вынужденные конвективные потоки жидкой стали
уфронта кристаллизации в зоне действия струи;
2)различное расположение криволинейных фронтов кристаллизации по сторонам г я R слитка относительно вынужденных потоков жидкого металла;
3)естественные конвективные потоки в объеме жид кого металла за пределами действия струи;
4)прекращение конвективных потоков жидкого ме талла при кристаллизации осевой структурной зоны.
Если учесть эти факторы, то можно следующим об разом представить модель неравномерного распределе ния неметаллических включений в криволинейном не прерывном слитке. Основное количество неметалличе
214
ских включений поступает в объем жидкого металла кристаллизующегося непрерывного слитка со струей из промежуточного ковша. Возникающие под действием струи вынужденные конвективные потоки жидкого ме талла, имеющие высокие скорости, увлекают с собой ок сидные неметаллические включения и выносят их на фронт кристаллизации. Поскольку криволинейные фронты кристаллизации по сторонам г м R слитка мо гут быть по-разному расположены относительно на правления циркуляционных потоков жидкой стали, при отрицательных углах встречи потока с плоскостью фрон та кристаллизации происходит задержка оксидных включений на «щетке» растущих дендритов. Естествен но, это в первую очередь касается мелких оксидных не металлических включений, так как они легче увлекают ся конвективными потоками и надежнее задерживают ся на дендритных ответвлениях.
Выше указывалось, что сульфидные включения пол ностью растворены в жидкой стали. Во время кристал лизации сера концентрируется в жидких объемах метал ла внутри двухфазной области; при достижении пере сыщения в междендритных каналах начинают выделять ся сульфиды. Следовательно, вынужденные конвектив ные потоки жидкого металла не могут повлиять на пе рераспределение сульфидов. Этим и объясняется обнаруженное экспериментально одинаковое количество мелких и крупных сульфидных включений по противо положным криволинейным сторонам слитка.
За пределами зоны вынужденных конвективных по токов жидкого металла неметаллические включения витают в объеме жидкого металла, так как скорость их всплывания значительно меньше скорости опускания непрерывного слитка. Неметаллические же включения, к которым приближается фронт кристаллизации, частич но увлекаются естественными криволинейными потока ми и переносятся ими в узкую зону лунки жидкого ме талла, где отсутствуют конвективные потоки и проис ходит кристаллизация центральной зоны слитка в усло виях застойного состояния жидко-твердого металла.
Этим объясняется повышенное содержание неметал лических включений в осевой зоне слитка, несмотря на высокую скорость кристаллизации последних порций стали. Те же неметаллические включения, которые не
215
были увлечены естественными конвективными потоками вдоль фронта кристаллизации, впоследствии захватыва ются ветвями растущих дендритов и фиксируются на месте их расположения в жидком металле. Этим обу словлено одинаковое содержание оксидных неметалли ческих включений по противоположным криволинейным сторонам непрерывного слитка за пределами зоны дей ствия вынужденных конвективных потоков жидкого ме
талла. |
о |
Исходя из описанной модели оценим |
факторы, ис |
пользуя которые можно добиться устранения неравно мерности распределения оксидных неметаллических включений в криволинейном непрерывном слитке.
Для определения скорости всплывания неметалли ческих включений из жидкой стали обычно применяют уравнение Стокса, которое описывает скорость подъема твердых шариков в спокойной жидкости (/?е<1):
у = |
4 - |
fünf™ . g г \кя см/с, |
(164) |
|
9 |
г) |
|
где |
|
g —ускорение силы тяжести, см/с2; |
г/см3; |
рм , |
рвкл — плотность среды и включения, |
||
|
твкл — радиус включения, см; |
г/(см-с). |
|
|
|
ц —динамическая вязкость среды, |
Определим максимальный радиус частиц, попадаю щих в кристаллизатор из разливочного ковша. Высота уровня металла в основном разливочном ковше состав ляет [171]
или
Нр = 0 , 5 7 уО З р , |
(165) |
где Qp— вес металла в ковше, тс.
Тогда |
скорость |
опускания уровня металла в процессе |
|
разливки |
|
|
|
_ |
0,57Мр |
(166) |
|
|
|
|
|
У |
3 |
/ ~ т |
' |
|
У |
Qp |
|
где М р — скорость разливки, т/с.
216
Емкость промежуточного ковша обозначим через qP, уровень металла — через Лр. Средняя скорость опуска ния уровня металла в промежуточном ковше составит
лр Мр
Яр
В. С. Рутес определил, что высота уровня металла в промежуточном ковше, равная 650 мм, обеспечивает вслывание включений диаметром более 800 мкм и, как показали опытные работы, устраняет их попадание в кристаллизатор.
На современных установках hp «[0,6^м -г- 0,7 м;
% = 0,05 + 0,1 Qv,
тогда
Следовательно, влиянием промежуточного ковша на степень очистки металла от включений диаметром ме нее 800 мкм можно пренебречь. В этом случае макси мальный диаметр неметаллических частиц будет полно стью определяться всплыванием их в большом ковше. К моменту разливки тр поступит металл, расположен ный на расстоянии х от дна ковша. В этом случае мак симальный размер частиц определится из соотношения
(167)
где тв — время выдержки металла в ковше; Ар— разность плотностей металла и включений.
Так |
как |
|
X = |
0 , 5 7М р |
|
---------- — Т. |
|
|
следовательно, |
|
|
г |
2 ,6 т) М р Тр |
(168) |
|
Ql g&? (*в + тр)
217
где
После преобразования
Г2.6T]Qp/aTp
( 169)
e b ? (Тв + Тр)
Согласно выражению (169), максимальный диаметр неметаллических частиц, попадающих в кристаллизатор, определяется емкостью основного ковша, временем вы держки металла перед разливкой, удельным весом ча стиц, скоростью и продолжительностью разливки. Для оценки справедливости формулы (169) рассчитаем мак симальный диаметр неметаллических включений, попа дающих в кристаллизатор в условиях радиальной уста новки непрерывной разливки стали Руставского метал лургического завода. После подстановки известных данных гвил.max составит порядка 60 мкм. Полученные расчетные значения удовлетворительно совпадают с экс периментальными.
Сопоставляя выражения (169) и (164), определим максимально возможную скорость всплывания частиц в кристаллизаторе:
м/с. (170)
Анализ соотношения (170) показывает, что скорости всплывания частиц ничтожно малы и составляют поряд ка 0,5—1,0 мм/с. Эти скорости значительно меньше ско ростей разливки (8—12 мм/с), и, следовательно, всплы вания неметаллических включений, попавших в кристал лизатор, трудно ожидать.
Очевидно, основная роль в перераспределении неме таллических включений внутри затвердевшего непрерыв ного слитка принадлежит потокам жидкой стали, возни кающим под действием струи. В главе 11 установлено, что скорость струи определяется по формуле
ОСЬ= (3,8 V Ар+ 4,4 y h r) e
218
Можно предположить, что глубина проникновения струи определяется расстоянием, на котором интенсивность вынужденной и естественной конвекции является, одинаковой. Показателем интенсивности может служить критерий Нуссельта. Согласно [81], при естественном1 перемешивании
Nu = 0,165 frärPr, |
(171) |
при вынужденном движении
Nu = 0,024'Re0,8 Pr0,35. |
, |
(172) |
Приравнивая выражения (171) и (172), получаем с небольшой погрешностью (приняв /Ѵ°-0І7= І)
I
Re0,8 = 6,88 Gr 3 |
, |
|
(173) |
где |
|
|
|
w°Cb D |
|
|
|
D — определяющий размер — половина толщины слит |
|||
ка; |
|
|
|
Gr = D3 ß g A t |
|
|
|
8чг |
|
|
|
ß — коэффициент |
термического |
расширения |
стали в |
жидком состоянии; |
случае температура |
||
A t— перепад температур, в данном |
|||
перегрева. |
|
|
(ѵ=0,9Х |
После подстановки известных |
данных |
Х10~б м2/с, ß==10~4) и преобразований получим следую
щее выражение для определения |
глубины проникнове |
|||||
ния струи (калибры): |
■ |
• |
• |
|
|
|
X |
ІП |
14,41 |
(3,8 У1ГР + 4,4У 1^) |
'/ |
||
d0 |
|
|
D \ 0 .2 5 |
o ,4 2 . . |
+ |
|
0,061 + 0,043' |
|
/ |
||||
+ |
4. |
|
I t J |
41 |
(174) |
|
|
|
|
|
|||
В частностиг для слитка |
сечением 130X145 мм при |
|||||
подстановке конкретных данных |
(если принять величи |
|||||
ну перегрева жидкого мевдДЗ |
15-—20°С) получим |
глу |
W