книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

Таким образом, из уравнений (194), (58) и (197) мо­ жно определить время затвердевания, после которого об­ разование газовых пузырей подавляется внешним давле­ нием. Используя зависимости изменения толщины корки от времени, выведенные в предыдущей главе, можно рас­ считать максимально возможную глубину залегания га­ зовой пористости от поверхности слитка в зависимости от скорости разливки и радиуса установки. Расчеты, вы­ полненные для условий непрерывной разливки стали на радиальной установке Руставского металлургического завода (слиток 180X900 мм, скорость 0,7 м/мин, радиус 8000 мм), показывают, что при толщине корки слитка 46,8 мм образование газовых пузырей полностью подав­

ности фронта кристаллизации непрерывного слитка. По­ нятно, что условия для отрыва газовой частицы от по­ верхности раздела по стороне г, расположенной выше горизонтальной оси из центра кривизны, и по стороне R, находящейся ниже горизонтальной оси, весьма благо­ приятны. Наименее благоприятно расположение пузырь­ ка на поверхности раздела по стороне г ниже горизон­ тальной оси и по стороне R выше горизонтальной оси. Поэтому исследования выполнены для этого случая.

На рис. 105 показаны основные векторы скоростей, действующие на газовую частицу, расположенную на по­ верхности фронта кристаллизации грани г слитка. Если сложить все векторы скоростей, вызывающих перемеще­

250

ние газового пузырька в месте его зарождения, показанные на рис. 105, то получается некоторый

суммарный вектор скорости ш(<р), наклоненный к оси ор­ динат под углом ср:

где ог — скорость подъема газообразной сферической ча­

/(моль-град)]; уКр —скорость кристаллизации, равная в упрощенном

виде К2/21;

Ѵр — скорость разливки (скорость вытягивания).

. .Выделим на рис. 105 элементарный участок, на кото^ ром заменим дуги касательными. Для отрыва газовой ча*

стицы от поверхности раздела необходимо, чтобы W((p)=fc Ф 0 и вектор был направлен в сторону жидкой фазы. Это значит, что угол ф должен быть больше угла а и меньше (а + я ), т. е.

Г(Ф)=^0;

(200)

а < ср < (а + тс).

S51

Расчеты указывают на весьма малые значения крити­ ческого радиуса зародыша водородного пузыря (~1,5Х Х10-3 см), поэтому для водорода, обладающего высокой

диффузионной подвижностью в металле, вектором иг в уравнении (198) можно пренебречь, тогда

Разделив выражение (204) на (205), получив значе­ ние tg ф и полагая, что критическое условие соблюдается при ф = а или

УК * + ѵ%, g*

"Pr r + y

25?

пении (198) можно пренебречь вектором иДИф, но следует учитывать скорость подъема сферического зародыша пу­ зырька из окиси углерода. |В этом случае скорость пере­ мещения пузырьков описывается уравнением [119]:

Задавшись значениями постоянных величин также для условий радиальной установки непрерывной разливки стали Руставского металлургического завода, получили кривую 2, показанную на рис. 106. Из рис. 106 видно, что при установленных рабочих скоростях разливки в слоях слитка 15—40 мм могут образовываться газовые поры, содержащие окись углерода. Конечно, в порах может на­ ходиться и часть водорода, который проникает в них в результате диффузии. Приведенные ранее эксперимен­ тальные данные о распределении газовой пористости хо­ рошо подтверждают выведенные теоретические зависи­ мости. Они свидетельствуют о том, что можно подбором технологических параметров отливки криволинейного слитка регулировать пораженность металла газовой по­ ристостью. Однако и теоретические, и экспериментальные данные указывают, что основной причиной точечной га­ зовой пористости является окись углерода, поэтому для ее устранения в условиях радиальной непрерывной раз­ ливки необходимо обеспечивать надежное раскисление металла, чтобы предотвратить появление зародышей га­ зовых пузырей.

При нарушении режима раскисления металла в про­ цессе кристаллизации криволинейного слитка происхо­ дят следующие явления. В соответствии с уравнением Рыбчинского — Адамара [119] в условиях непрерывной разливки пузыри диаметром до 0,5 мм самостоятельно всплыть не могут, так как скорость их всплывания зна­ чительно ниже скорости опускания слитка. Следователь^

254 ■

но, пузырь может уноситься из зоны образования только потоком жидкого металла, имеющим значительную ско­ рость. Далее пузырь потоком жидкого металла или вы­ носится на мениск металла в кристаллизаторе и удаля­ ется из слитка, или же застревает по пути движения по­ тока между ветвями дендритов.

Поведение пузырей, зарождающихся на криволиней­ ных поверхностях R и г, существенно отличается. Самые поверхностные слои металла затвердевают с высокой скоростью, поэтому газовые пузырьки независимо от по­

тальной плоскостью, часть газовых пузырей если и уно­ сится потоками металла, то на не очень большие рассто­ яния. Они вскоре же вновь запутываются в расположен­ ных на их пути ветвях дендритов.

По стороне R, фронт которой образует положитель­ ный угол с горизонтальной плоскостью, часть газовых пузырей уносится из зоны их образования и выбрасыва­ ется на поверхность мениска в кристаллизаторе. Следо­ вательно, циркуляционные потоки вдоль криволинейных поверхностей раздела как бы очищают от пузырей сто­ рону R и не влияют на уменьшение пузырей по стороне г, а вызывают только лишь их перемещение в зону мак­ симальной циркуляции. В этом принципиальное отличие механизмов непрерывного распределения неметалличес­ ких включений и пузырей по криволинейным сторонам.

Если циркуляционные потоки неравномерно распре­ деляют между сторонами R и г какое-то определенное, уже имеющееся в жидкой стали количество оксидных не­ металлических включений, способствуя их накоплению по стороне, имеющей отрицательный угол, то эти же по­ токи уменьшают количество газовых пузырей, образую­ щихся на стороне, имеющей положительный угол, не из­ меняя их общего количества по стороне, имеющей отри­ цательный угол.

Таким образом, способы борьбы с неравномерным распределением газовых пузырей не могут быть такими же, как и способы борьбы с неравномерным распределе­ нием неметаллических включений. Изменение направле­ ния струи в этом случае не может существенно умень­ шить количество газовых пузырей по стороне г. Для уст-

255

ранения неравномерного распределения газовых пузырей прежде всего необходимо обеспечить надежное раскис­ ление металла, предотвратив развитие реакции образо­ вания окиси углерода при кристаллизации стали.

Газовые пузыри, не увлеченные по каким-либо при­ чинам восходящими потоками жидкой стали или обра­ зовавшиеся за пределами гидродинамического воздейст­ вия струи, остаются во взвешенном состоянии и витают до тех пор, пока их не настигнет продвигающийся фронт кристаллизации.

6. НЕОДНОРОДНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Многочисленными исследованиями неоднородности химического состава непрерывных слитков вертикальной разливки доказано, что в них могут получать развитие ликвационные процессы в осевой зоне, а внеосевая сегре­ гация, за очень редкими исключениями, отсутствует.

Неоднородность химического состава в криволиней­ ных слитках исследовали по серным отпечаткам с темп-

темплета от 9 слитков сечением 75X500 мм, 6 темплетов от 2 слитков сечением 150X600 мм, 6 темплетов от 3 слит­ ков сечением 145X130 мм и 98 темплетов от 78 слитков сечением 180X900 мм. Марка стали во всех случаях бы­ ла одна и та же — Ст.З.

Изучение серных отпечатков показало, что в криво­ линейных слитках всех сечений получает развитие лик­ вация в осевой зоне, а внеосевая ликвация отсутствует. Степень развития осевой ликвации характеризуется сле­ дующими данными:

Таким образом, исследование серных отпечатков по­ казывает, что осевая ликвация в криволинейных слитках,

256

отлитых по разработанным технологическим парамет­ рам, характеризуется незначительным развитием. Следу­ ет отметить, что случаи осевой ликвации 4-го балла сос­ тавили 1,7%, а 5-го балла — вовсе отсутствовали.

Пробы для химического анализа отбирали из попе­ речных темплетов сверлом диаметром 5 мм. От слитков сечением 75X500 мм и 150X600 мм отбирали в осевой зоне 5 проб (через каждые 80 мм от центра) и по малой

столбчатых дендритов по противоположным криволиней­ ным и плоским сторонам слитка. От слитков сечением 180X900 мм пробы отбирали из осевой зоны через каж­ дые 5 мм, а затем эти пробы на участках 30 мм объеди­ няли для анализа. По противоположным криволинейным сторонам слитка 180X900 мм пробы отбирали через ка­ ждые 10 мм, начиная от поверхности, в месте подвода струи жидкого металла, по малой оси симметрии попе­ речного сечения и на участке, противоположном подводу струи.

Для сравнительной оценки химической неоднородно­ сти были подсчитаны коэффициенты сегрегации углеро-

Таблица 17

СегрегацияД

Расстояние о т поверхности слитка,нм

Рис. 107. Содержание элементов в криволинейных непрерывных слитках в зависимости от расстояния от поверхности (180Х Х900 мм; Ст. Зои; три опытные плавки)

да, серы, фосфора и марганца по длине и поперечному сечению слитков:

/сс = Ст7 с- юо%,

где Кс — коэффициент сегрегации; Ст — содержание элемента в данной пробе;

Ск — среднее содержание элемента в слитке.

Данные о неоднородности химического состава ради­ альных слитков сечением 75X500 мм приведены в табл .17.

258

Как видно из табл. 17, по длине непрерывных слит­ ков сечением 75X500 мм не наблюдается закономерного изменения химического состава металла. В поперечном сечении слитков по противоположным криволинейным сторонам сегрегация примесей практически отсутствует. В осевой зоне наблюдаются отдельные случаи отрица­ тельной сегрегации серы, углерода и фосфора. Как уже указывалось, сегрегация в осевой зоне характерна и для вертикальных непрерывных слитков.

В слитках сечением 145X130 мм сегрегация элементов на радиальных сторонах незначительная и не превышает сегрегации на плоских сторонах (сера от +8,3 до 25,0%, углерод от +4,8 до +9,6%, фосфор от —5,3% до

+ 15,8%).

Изменение степени сегрегации в криволинейных неп­ рерывных слитках сечением 180X 900 мм в зависимости от расстояния от противоположных криволинейных пове­ рхностей показано на рис. 107. Из рис. 107 видно, что по сторонам R и г степень сегрегации элементов не отлича­ ется. Абсолютные значения коэффициентов сегрегации колеблются в довольно узких пределах: углерод от +14 до —13%, сера от +12 до —14%, фосфор от +12,5 до