4.Области применения тмо

В условиях ВТМО необходимо снижать температуру нагрева под горячую деформацию, не снижая заметно температуры конца деформации, уменьшить скорость деформации (что отрицательно влияет на производительность оборудования), уменьшить максимально допустимую за один проход степень деформации и вводить дробную деформацию и т.д.

Одним из первых объектов, на которых была опробована эффективность ВТМО, явилась рессорная сталь.

ВТМО сталей для бурового инструмента (33ХС, 30ХГСА) повышает его стойкость на два-три раза.

Разновидностью ВТМО, имеющей перспективы применения к низколегированным сталям, в частности к строительным, с целью повышения их конструкционной прочности, пластичности и вязкости, является так называемая контролируемая прокатка.

Массовость применения этих сталей (строительство, газопроводные трубы большого диаметра, судостроение) и возможность снижения массы изготавливаемых изделий делают внедрение контролируемой прокатки важной задачей.

Большой интерес представляют результаты применения НТМО для уменьшения склонности сплавов к коррозии под напряжением.

К материалам, предназначенным для работы при высоких температурах, предъявляется большое количество различных требований.

Так, для обшивки и силового набора летательных аппаратов применяют лишь сплавы, способные противостоять при высоких температурах продолжительному воздействию нагрузок (в течение нескольких тысяч часов). При этом сплавы должны обладать хорошим сопротивлением ползучести и замедленному разрушению, то есть обладать длительной жаропрочностью. В других случаях, например при однократном использовании, продолжительность срока службы материала исчисляется минутами или секундами. При этом от него требуется кратковременная жаропрочность, то есть высокие пределы прочности и текучести при нагреве до высоких температур.

Возможности применения НТМО для повышения жаропрочности сплавов ограничены температурами при эксплуатации. При высоких температурах, когда становятся заметными процессы рекристаллизации, предварительная холодная деформация не упрочняет металл, а оказывает обратное воздействие. С введением при деформации в кристаллическую решетку различных дефектов устойчивость структурного состояния сплава уменьшается. Вследствие этого при последующем нагреве активизируются процессы разупрочнения, обусловливающие более низкую жаропрочность деформированных сплавов по сравнению с недеформированными.

При ПТМО: наиболее эффективным способом повышения структурного упрочнения является добавка в алюминиевые сплавы относительно небольшого количества переходных металлов ( марганца, хрома, циркония, титана, ванадия и др.)

Наличие в составе алюминиевых сплавов добавок – элементов антирекристаллизаторов дает возможность применять ПТМО не только при изготовлении прессованных полуфабрикатов, но и при изготовлении кованых и катаных изделий. В штампованных заготовках, горячекатаных листах из некоторых сплавов, содержащих антирекристаллизаторы, достигается структурное упрочнение.

Для расширения области применения ПТМО могут быть применены различные технологические приемы для воздействия на структуру сплавов с тем, чтобы добиться нерекристаллизованного состояния после закалки.

Прочность можно увеличить за счет применения в технологическом процессе ПТМО и одного из способов НТМО. Такого рода ПНТМО в какой-то степени применяется в существующих технологических процессах при изготовлении прессованных профилей из сплавов с высокой температурой рекристаллизации: профили после закалки правят при небольших степенях деформации холодной растяжкой или прокаткой на роликовых машинах, а затем старят.

Комбинированные обработки, в которых теми или иными способами совмещают формообразующие и термические операции, имеют преимущества по сравнению с технологическими процессами раздельной обработки. Они не только значительно улучшают механические свойства различных конструкционных материалов на алюминиевой основе, но и позволяют в отдельных случаях получить экономический эффект за счет сокращения технологических процессов, уменьшая трудозатрат на обработку, экономии энергии, вспомогательных материалов и т.д. Необходимо проводить работы по все более широкому внедрению комбинированных обработок.

СТРУКТУРА, ДЕФЕКТЫ И КАЧЕСТВО НЕПРЕРЫВНОГО СЛИТКА

Требования к металлу, предназначенному для разливки на МНЛЗ

От качества металла, подаваемого "на участок непрерывной раз­ливки, в значительной степени зависит ход процесса разливки стали и качество отливаемых заготовок. Поэтому, предъявляются высокие тре­бования к качеству подготовки металла, предназначенного для разливки на МНЛЗ.

Основные требования к подготовке металла для непрерывной раз­ливки:

— однородность по химическому составу (эффективное усредне­ние стали при обработке на установке «ковш-печь»);

— однородность по температуре (отклонение от заданной темпе­ратуры металла не должно превышать 5 °С);

— минимальный перегрев металла над температурой ликвидуса (в пределах 20+35 °С в зависимости от марки стали);

— чистота металла по шлаковым включениям (поддержание от­ношения Mn/Si в стали на уровне - 2,8-3,0);

— содержание серы и фосфора в стали на уровне менее 0,020 % каждого (отношения Mn/S - не менее 25);

— ограниченное содержание вредных и цветных элементов (меди, олова, свинца, мышьяка и др.);

— ограниченное содержание кислорода в стали (эффективное про­ведение процесса раскисления при доводке стали);

— при разливке открытой струей - ограничение содержания алю­миния в стали (менее 0,005 %);

— низкое содержание водорода (так как ликвация водорода в пус­тоты осевой зоны слитка приводит к повышению в 2 раза содержания его в центре по сравнению с периферийными зонами).

На высокоскоростных установках непрерывного литья соблюде­ние температурного режима и ограничение вредных примесей особенно важно, так как, толщина корочки слитка тоньше и повышается вероятность потери ручьев из-за прорывов по трещинам.

Температура металла при разливке стали на МНЛЗ

При непрерывной разливке стали очень важно поддержание оп­тимального уровня температуры разливаемого металла.

Точный расчет и поддержание температуры металла при разливке необходим для обеспечения высокого качества НЛЗ и стабильности процесса разливки.

Повышенный перегрев металла над температурой ликвидуса спо­собствует увеличению трещино-чувствительности заготовок, развитию столбчатой структуры слитка и таких дефектов макроструктуры, как осевая ликвация и центральная пористость. Кроме того, чрезмерно вы­сокая температура разливаемого металла может привести к прорывам НЛЗ по трещинам. При увеличении температуры металла в промковше выше оптимальной величины требуется снижение уровня скоростей вы­тягивания НЛЗ (ориентировочно, превышение оптимальной температу­ры разливки на 10 °С требует снижения скорости разливки на 5 %).

С другой стороны, температура металла должна быть достаточной для обеспечения удовлетворительной его жидкотекучести и исключения затягивания каналов дозирующих узлов промежуточного ковша.

Необходимая температура металла в промежуточном ковше рас­считывается исходя из температуры ликвидуса для каждой марки стали.

Расчет температуры ликвидуса стали, производится по следую­щей формуле:

Tn=1536-K,x[C]-K2x([Mn]+[Si]+[P]+[S]+[Cr]+[Ni]+[Cu]) (4.1)

где КЬК2 - коэффициенты для различных элементов в стали;

([С], [Mn], [Si], [P], [S], [Cr], [Ni], [Си]) - содержание химических элементов в стали, %.

Значения коэффициентов различных химических элементов в ста­ли для расчета температуры ликвидуса могут быть приняты по данным различных авторов из таблиц 4.1 и 4.2.

Влияние разных элементов на снижение температуры ликвидуса стали по данным работ [17,18] представлены в таблицах 4.3, 4.4.

Влияние разных элементов на снижение температуры ликвидуса стали по данным работ [17,18] представлены в таблицах 4.3, 4.4.

В таблицах 4.5, 4.6 приведены экспериментальные данные по оп­ределению химического состава и измеренные значения температуры ликвидуса различных сталей и сплавов, а также произведено их сравне­ние с расчетными величинами по данным работ [18] и [19].

Для обеспечения стабильных режимов процесса разливки стали и одинаковых свойств отливаемых заготовок важно поддержание ста­бильной температуры металла в промежуточном ковше.

определяется следующими факторами:

— свойствами огнеупоров, применяемых для футеровки сталеразливочных и промежуточных ковшей;

— качеством усреднения температуры металла в ковше;

— эффективностью теплоизоляции зеркала металла в сталеразливочном ковше;

— величиной падения температуры металла при переливе из сталеразливочного в промежуточный ковш;

— параметрами промковша;

— температурой футеровки промковша (на первой в серии плав-ке);

— эффективностью теплоизоляции зеркала металла в промежу­точном ковше;

— скоростью массообмена металла в промежуточном ковше;

— излучением с мениска металла в кристаллизаторах;

— продолжительностью разливки одной плавки.

Футеровку промежуточных ковшей перед эксплуатацией обычно разогревают до температуры 700 - 1200 °С (исключая холодные плит­ные футеровки).

Для сокращения теплопотерь излучением, на зеркало металла в ковшах, засыпают специальные теплоизолирующие смеси, или ковши накрывают крышками.

При разливке с защитой струи металла из сталеразливочного ковша с помощью огнеупорной трубы потери температуры несколько ниже, чем при разливке открытой струей.

При обеспечении данных мероприятий средняя величина сниже­ния температуры металла в промежуточном ковше за время разливки одной плавки составляет менее 10 °С.

Обычно при разливке стали на МНЛЗ сталеразливочный ковш на поворотном стенде накрывается футерованной крышкой, футеровки промковшей разогреваются до температуры 700 н- 900 °С, зеркало ме­талла в промежуточном ковше утепляется с помощью золы рисовой ше­лухи, на ряде марок стали применяется защита струи металла из стальковша.

Рекомендуемая величина перегрева металла в промежуточном ковше над температурой ликвидуса во время разливки на МНЛЗ для низко - и среднеутлеродистых марок стали составляет 30 -=- 35 °С, для высокоуглеродистых марок - 20 -f- 25 °С.

Предполагаемые потери температуры металла в ходе разливки:

— в промковше за время разливки одной плавки — 5-^10 °С;

— при переливе металла из сталеразливочного в промежуточный ковш -30 -г 40 °С (в зависимости от типа футеровки промковша и номе­ра плавки в серии).

Рекомендуемое превышение температуры металла в сталеразливочном ковше перед разливкой на МНЛЗ должно составлять: 65-^-85 °С - для низко - и среднеутлеродистых марок стали; 55-^-75 °С - для высокоуглеродистых марок стали.

Кристаллическая структура, параметры двухфазного состояния и химическая неоднородность непрерывнолитого слитка

Особенности строения непрерывного считка Кристаллическая структура непрерывнолитого слитка (рис. 4.1) состоит из 3-х (иногда 2-х, когда зона равноосных кристаллов (ЗКР) от­сутствует) зон.

Мелкозернистая корка слитка образуется при первом соприкосно­вении металла с гильзой кристаллизатора. В результате резкого гради­ента температур и явления переохлаждения образуется большое коли­чество центров кристаллизации, и корка получает мелкозернистое строение.

Зона столбчатых кристаллов формируется после образования кор­ки и изменения условий теплоотвода, когда градиент температур в при­легающем слое жидкого металла и степень переохлаждения слитка по­нижаются. В результате небольшого количества центров кристаллиза­ции растут крупные столбчатые кристаллы, ориентированные в направ­лении теплоотвода к поверхности корки.

Зона равноосных кристаллов образуется, когда температура застывающего металла уравнивается, жидкость находится в кашеобраз­ном состоянии и нет определенной направленности теплоотвода. Заро­дышами кристаллов являются мельчайшие включения, при этом зачатки кристаллов разрастаются осями-ветвями по различным направлениям, встречаясь, друг с другом и образуя равноосную структуру.

Корковая мелкозернистая зона у НЛЗ, как правило, более развита, чем у обычных слитков. При разливке стали в равных условиях ЗСК не­прерывного слитка больше, а серединная зона равноосных кристаллов значительно меньше, чем у слитков, отлитых в изложницы.

Кристаллиты столбчатой зоны непрерывного слитка более тонкие, длинные, тонко упакованные и имеют наклон к горизонтали примерно 5-8 градусов, что связано с направлением теплоотвода и расположением теплового центра - источника питания фронта затвердевания жидкой сталью.

Соотношение размеров структурных зон непрерывнолитых заго­товок зависит от химического состава стали, сечения слитка и техноло­гических параметров разливки.

Большое влияние на структуру слитков оказывает температура и скорость разливки. Увеличение температуры разливки стали способст­вует увеличению длины столбчатой зоны, так как, при высокой темпе­ратуре кристаллы, образующиеся в кристатлизаторе, переплавляются (рис. 4.2).

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содер­жит меньше раковин и газовых пузырей. Однако, места стыка столбча­тых кристаллов обладают малой прочностью.

Развитие ЗСК способствует ликвации примесей, обуславливая тем самым неоднородность заготовки. Кристаллизация, приводящая к стыку столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации (наблюда­ется при интенсивном теплоотводе и незначительном снижении темпе­ратурного градиента). Величина ЗСК также зависит от содержания уг­лерода в стали - высокоуглеродистые марки имеют наибольшую склон­ность к транскристаллизации. На криволинейных МНЛЗ столбчатая структура более развита в зоне прилегающей к поверхности внутренне­го радиуса.

Исходной структуре слитка, с ограниченной ЗСК и развитой ЗРК, соответствуют более высокие значения пластических свойств проката. Таким образом, оптимальной структурой непрерывнолитых заготовок является структура с ограниченной зоной столбчатых кристаллов и развитой зоной равноосных кристаллов. Такая структура сопровождается рассредоточением усадочной пористости в виде мелких пор с неболь­шими следами химической неоднородности, легко заваривающихся в процессе прокатки.

Для получения данной структуры необходимо в период затверде­вания замедлить отвод тепла, уменьшить градиент температуры в за­твердевшей оболочке слитка, увеличив ширину 2-х фазной зоны твер-дожидкого состояния.

Установлено, что для получения развитой ЗРК необходимо вести разливку стали с возможно низкой температурой, снижать интенсив­ность теплоотвода от слитка в кристаллизаторе и, особенно в зоне вто­ричного охлаждения.

Эффективным средством воздействия на структуру слитка являет­ся электромагнитное перемешивание металла в кристаллизаторе, ЗВО или зоне окончательного затвердевания слитка.

При движении жидкого металла подавляется развитие ЗСК и ини­циируется развитие ЗРК. Это достигается за счет отвода избытка тепла жидкой стали на самой ранней стадии затвердевания слитка.

Схема процесса затвердевания НЛЗ представлена на рисунке 4.3.

Интенсивность теплоотвода и параметры зоны двухфазного состояния непрерывного слитка

Стальной слиток формируется в условиях сложного наложения процессов конвективного перемещения жидкого металла, роста кри­сталлов, зарождения неметаллических включений, массопереноса и диффузии примесей, ликвации и многих других физических и физико-химических явлений. Структура слитка определяется взаимным действием всех этих многочисленных факторов и ее особенности нельзя объ­яснить влиянием какого-либо из них в отдельности.

i

На рисунке 4.4 приведена схема изменения структурных зон по высоте непрерывного слитка. Видно, что изменение протяженности структурных зон наблюдается лишь в нижней и верхней частях слитка. На расстоянии 0,5 м от низа слитка, где в отводе тепла значительную роль играет затравка, ширина зоны столбчатых кристаллов значительно меньше, чем в основной части слитка. В верхней части слитка измене­ние дендритного строения наблюдается на участке, где разливка по­следних порций металла происходит при более низкой его температуре. Необходимо отметить также, что последние порции металла кристалли­зуются после окончания разливки. В этих условиях отсутствует влияние струи металла, характер теплоотвода от головной части слитка сущест­венно отличается от режима охлаждения его основной части, кристал­лизующейся при постоянных теплофизических параметрах затвердева­ния.

При кристаллизации жидкий металл, соприкасаясь с холодными стенками кристаллизатора или изложницы, быстро охлаждается до тем­пературы, при которой имеющиеся на стенках формы и в металле час­тицы различных примесей являются эффективными центрами кристал­лизации.

На выходе из кристаллизатора затвердевшая корочка слитка имеет относительно небольшую толщину, обеспечивающую значительный теплоотвод от жидкой Стали. Скорость роста твердой фазы сохраняет вы-

сокое значение и определяется интенсивностью отвода скрытой тепло­ты кристаллизации. Концентрационное переохлаждение перед фронтом затвердевания недостаточно для зарождения новых кристаллов. В этих условиях формируется зона транскристаллизации слитка. С увеличени­ем толщины затвердевшей корочки слитка возрастает ее термическое сопротивление, температурный градиент на границе раздела твердой и жидкой фаз уменьшается, и скорость роста кристаллов замедляется. Обогащение расплава ликвирующими примесями также способствует уменьшению скорости роста кристаллов. Происходит выравнивание температуры по сечению слитка и увеличение протяженности зоны концентрационного переохлаждения.

В этот период затвердевания слитка в жидкой его сердцевине, температура которой близка к температуре кристаллизации сплава, име­ется определенное количество центров кристаллизации в виде облом­ков дендритов, неметаллических включений и примесей. Такие условия благоприятны для зарождения кристаллов в жидкой фазе перед фронтом затвердевания. Отдельные кристаллики двухфазной зоны перемещаются вниз под действием гравитационных сил и конвективных потоков, а также к центру слитка вследствие направленного движения расплава от периферии.

Твердая составляющая зоны двухфазного состояния представляет собой капиллярно-пористое тело, в котором сообщающиеся капилляры различного сечения расположены между растущими кристаллами зоны транскристаллизации и заполнены жидким металлом.

Вследствие избирательной кристаллизации выпадающие кристал­лы окружены жидкостью, обогащенной примесями. Жидкость среднего состава смачивает растущие кристаллы лучше, чем жидкость, обогащенная примесями, так как последняя по химическому составу больше отличается от образовавшейся твердой фазы.

Под действием возникшего капиллярного потенциала маточный раствор среднего состава, продвигаясь по узким капиллярным каналам от центра к периферии, вытесняет обогащенную примесями жидкость в соседние, более широкие каналы и по ним к центру слитка. Движение обогащенной ликватами жидкости от периферии к центру в результате выдавливания и действия капиллярного потенциала приводит к пере­мещению в том же направлении кристалликов твердо-жидкой зоны. Пе­ремещающиеся кристаллики не оказывают сопротивления росту кри­сталлов в направлении к центру слитка, и последние продолжают раз­виваться в виде столбчатых дендритов.

На протяженность и соотношение структурных зон в слитке су­щественно влияют химический состав стали, ее температура и скорость разливки, материал и температура формы. При определенном химиче­ском составе стали интенсивность и равномерность теплоотвода явля­ются основными факторами, изменяя которые можно получить тот или иной тип кристаллической структуры.

Более интенсивное охлаждение непрерывного слитка, а следова­тельно, и большая скорость роста твердой фазы, приводит к уменьше­нию зоны концентрационного переохлаждения, что тормозит развитие зоны двухфазного состояния. Этим объясняется большее соотношение протяженностей зон столбчатых и равноосных кристаллов в непрерыв­ном слитке, чем в слитке, отлитом в изложницу.

Кроме того, мощные циркуляционные потоки в зоне кристаллиза­тора препятствуют образованию жидко-твердой составляющей двух­фазной зоны перед фронтом затвердевания на более ранней стадии про-

цесса формирования слитка, что улучшает условия роста столбчатых кристаллов.

Изучение темплетов показывает, что вторичная структура непре­рывного слитка, по сравнению с отлитым в изложницу слитком, харак­теризуется меньшими размерами зерен и более тонкими границами ме­жду ними. Размер зерен плавно увеличивается от периферии к центру слитка.

Это объясняется большей интенсивностью охлаждения непрерыв­ного слитка и связанным с ней незначительным развитием зоны двух­фазного состояния.

Химическая неоднородность слитка

Почти все элементы в той или иной степени растворимы в жидком железе. В твердом железе растворимость многих элементов ограничена. Различная растворимость элементов в жидкой и твердой фазах обу­словливает химическую неоднородность слитка.

В процессе роста твердой фазы на фронте кристаллизации проис­ходит накопление ликвирующих примесей. Это связано с тем, что ско­рость диффузионного перемещения примесей, выделившихся в резуль­тате ограниченной растворимости в твердой фазе, на два-три порядка . меньше скорости продвижения фронта кристаллизации.

При отсутствии в расплаве конвекции устанавливается такое его состояние, при котором количество примеси, выделяющееся из твердой фазы в единицу времени, равно ее количеству, диффундирующему за то же время от фронта кристаллизации. Такое положение названо стацио­нарным распределением примеси и для плоского фронта кристаллиза­ции теоретически найдено Тиллером [20]

Чем выше скорость кристал­лизации, тем ниже концентрация примесей на фронте затвердевания. Вместе с тем при конвективном перемещении потоков металла изменя­ются толщина ликвационного слоя и характер распределения примесей. Чем больше скорость конвективных потоков жидкой стали и ниже ее вязкость, тем меньше толщина ликвационного слоя.

Таким образом, различная растворимость примесей в жидкой и твердой фазах приводит к тому, что в промышленных условиях сталь­ной слиток всегда имеет неоднородность по химическому составу.

Различают два типа химической неоднородности (ликвации) стального слитка - зональную и дендритную (внутрикристаллическую). Зональная неоднородность - это скопление примесей в определенных локализованных участках или зонах. К этому типу можно отнести хи­мическую неоднородность по сечению и высоте слитка, ликвационные квадраты, полосы, пятнистую ликвацию. Дендритная ликвация или микронеоднородность - это химическая неоднородность металла в объ­еме кристалла. Она представляет собой закономерное явление, сопро­вождающее процесс кристаллизации металла.

Зональная ликвация

Ранее была установлена идентичность условий кристаллизации по длине непрерывного слитка, что обусловливает одинаковые скорости кристаллизации на любом его горизонте и высокую химическую одно­родность металла.

Наблюдающаяся на практике химическая неоднородность по дли­не непрерывного слитка обусловлена не условиями его формирования, а изменением химического состава стали в сталеразливочном ковше, т.е. процессами ее вторичного окисления.

Изменение химического состава стали в сталеразливочном ковше в процессе разливки зависит от многих технологических факторов: дли­тельности разливки, варианта раскисления и легирования, агрегатного состояния вводимых в металл ферросплавов, температуры разливаемой стали, количества и состава печного шлака в ковше, физических свойств шлака.

Относительно большая продолжительность разливки стали на МНЛЗ представляет некоторые специфические требования к техноло­гии выплавки, например, необходимость обеспечения постоянства хи­мического состава порций металла, поступающего в кристаллизатор, на всем протяжении разливки. Этот вопрос приобретает еще большее значение в условиях конверторного способа производства стали, при кото­ром ее раскисление и легирование полностью осуществляют в сталераз­ливочном ковше.

Склонность данного элемента к дендритной ликвации характери­зуется коэффициентом распределения его в жидкой и твердой фазах. Конечная неоднородность стали определяется полнотой протекания диффузионных процессов в жидкой и твердой фазах, которая в свою очередь зависит от скорости кристаллизации сплава.

Увеличение скорости кристаллизации подавляет диффузионные процессы как в жидкой, так и в твердой фазах, хотя и не в одинаковой степени. В зависимости от значения того или иного диффузионного процесса результирующий эффект влияния скорости кристаллизации на развитие дендритной ликвидации может быть различен. Однако в ре­альных условиях затвердевания слитка скорость диффузии в жидкой фазе значительно больше скорости диффузии в твердой фазе. В послед­ней может протекать лишь молекулярная диффузия, в то время как при перемещении жидкости в процессе затвердевания развивается кон­вективная диффузия.

Следовательно, на однородность слитка, формирующегося в обычных условиях, в значительной степени влияет полнота прохожде­ния выравнивающей диффузии в жидкой фазе.

Идеальным следовало бы считать слиток, полученный при усло­вии его мгновенного затвердевания. В этом случае исключается вырав­нивающая диффузия в жидкой фазе и получается однородный твердый раствор с тем же распределением примесей, что и в жидком растворе.

Скорость кристаллизации сплава существенно влияет на дисперс­ность его дендритного строения. При различной скорости кристаллизации создаются различные условия для протекания диффузионных про­цессов в твердой фазе и развития микронеоднородности слитка. Можно предположить, что между микронеоднородностью слитка, скоростью кристаллизации и дисперсностью его дендритного строения существует определенная количественная взаимосвязь.

Дисперсность дендритного строения, возрастающая с увеличени­ем скорости кристаллизации существенно влияет на развитие дендрит­ной ликвации в слитке. При увеличении дисперсности дендритного строения возрастает общая поверхность кристаллизации и значительная часть жидкого металла затвердевает при более высокой температуре. В результате этого последние порции жидкого металла меньше обогаща­ются примесями, и сплав характеризуется более равномерным распре­делением растворенных в нем компонентов.

Определенную роль играет тот факт, что при большой скорости кристаллизации разделительная диффузия в жидкости не успевает обес­печить равновесный состав на поверхности кристалла (жидкости). Раз­делительная диффузия проходит менее полно, в незатвердевших зонах слитка остается меньшее количество примесей, в связи с чем создаются менее благоприятные условия для образования и развития дендритной неоднородности.

Таким образом, скорость кристаллизации, обусловливая дисперс­ность дендритного строения слитка, закономерно влияет на степень дендритной неоднородности. На рисунке 4.5 приведены данные, харак-теризующие взаимосвязь между скоростью кристаллизации, дисперсно­стью структуры и дендритной неоднородностью по сечению непрерыв­ного слитка.

На характер изменения степени дендритной ликвации от периферии к центру слитка влияет также температурный интервал кристалли­зации. По мере удаления фронта затвердевания от стенок кристаллиза­тора температурный интервал кристаллизации возрастает и ширина зо­ны твердо-жидкого состояния увеличивается. Расширение температур­ного интервала кристаллизации способствует более полному протека­нию разделительной диффузии. Вследствие уменьшения коэффициента диффузии при более низкой температуре конца кристаллизации вырав­нивающая диффузия затруднена. В результате этого происходит увели­чение степени дендритной ликвации от периферии к центру слитка.

Система электромагнитного перемешивания металла Электромагнитное перемешивание (ЭМП) (Рис.4.6) является од­ним из последних достижений, используемых при непрерывной разлив­ке стали.

Индуктивная система ЭМП представляет собой статор асинхрон­ного двигателя, ротором которого является жидкая лунка непрерывно-литого слитка. Используются статоры с вращающимся и линейным по­лями.

Основные электрические параметры устройств ЭМП меняются в широких переделах. Для ЭМП мелких заготовок и блюмов под кристал­лизатором обычно используются токи промышленной частоты; во всех других случаях необходимо применять токи низкой (от 1 до 20 Гц) час­тоты, что позволяет снизить потери, связанные с наличием между ин­дуктором и жидкой сталью медных стенок кристаллизатора или толстой оболочки слитка. Другими важными электрическими параметрами яв­ляются число фаз (2 или 3), количество полюсов на одну фазу (1 или более), шаг полюсов (для линейных статоров), сила тока (<3000 А), на­пряжение (<4000 В), установленная мощность (от 10 до 3000 кВА) и т.д.

Индукторы имеют внутреннее или внешнее водяное охлаждение.

ЭМП улучшает качество подповерхностной и осевой зоны непре-рывнолитых заготовок, так как оно влияет на неметаллические включе­ния, химическую сегрегацию и распределение газов.

Предлагается следующий механизм ЭМП, влияющий на чистоту непрерывнолитого металла:

1. При вращающемся магнитном поле в кристаллизаторе в случае отливки мелких заготовок открытой струей создается глубокий мениск металла, на дне которого сосредотачиваются неметаллические включе­ния, вращающиеся с меньшей скоростью, чем жидкая сталь. В результа­те этого неметаллические включения отсутствуют в кристаллизующейся оболочке слитка.

2. ЭМП создает потоки металла, обеспечивающие всплывание не­металлических включений в шлакообразующую смесь на зеркале ме­талла в кристаллизаторе. Это происходит при линейном перемешивании металла, направленном вверх.

3. При движении жидкой стали с высокой скоростью вдоль фрон­та затвердевания сокращается опасность "запутывания" неметаллических включений в растущих дендритах. Этим "вымывающим действи­ем" объясняется высокая чистота под поверхностной зоны слитка, кото­рая получается при любом способе ЭМП.

4. Центростремительные силы увлекают неметаллические вклю­чения от фронта кристаллизации. Это является дополнительным объяснением повышенной чистоты под поверхностной зоны слитка при ис­пользовании вращающегося магнитного поля в кристаллизаторе.

5. Применение ЭМГ1 подавляет процесс образования мостов в непрерывнолитом слитке, что обеспечивает получение более равномерно­го распределения неметаллических включений вдоль его осевой зоны.

Высокие скорости конвективных потоков в жидкой стали устра­няют "запутывание" газов на фронте затвердевания и сокращают число корковых и сотовых пузырей. Это объясняется устранением образова­ния пузырей, посредством вымывающего действия конвективных пото­ков или физического вымывания пузырей конвективными потоками. Подобный механизм действия ЭМП обусловливает уменьшение числа корковых пузырей, образующихся при использовании вращающегося магнитного поля в кристаллизаторе и успехи, полученные при непре­рывной разливке псевдокипящих сталей.

Одним из наиболее существенных преимуществ ЭМП является то, что этот процесс обеспечивает образование равноосных кристаллов при затвердевании непрерывного слитка. Это объясняется взаимодействием двух основных факторов. Первый состоит в том, что вершины дендри-тов обламываются или оплавляются и служат центрами образования равноосных кристаллов. Второй заключается в снятии перегрева метал­ла в результате высокого конвективного теплопереноса на фронте за­твердевания и оплавления дендритов. Жидкий металл слегка переохла­ждается ввиду переохлаждения вершин дендритов, и с этого момента начинается рост равноосных кристаллов. По мере роста центров кри­сталлизации происходит переход от столбчатой к равноосной структуре слитка.

Положительное влияние ЭМП на все виды осевой сегрегации, в том числе на сегрегацию, обусловленную образованием мостов, V-образную сегрегацию и сегрегацию, связанную с выпучиванием широ­ких граней слябов, можно объяснить меньшей склонностью равноосной структуры к образованию таких дефектов.

ЭМП является эффективным средством повышения качества по­верхности и внутренней структуры непрерывнолитых заготовок. ЭМП металла в кристаллизаторе способствует снижению количества дефек­тов (неметаллических включений и газовых пор) в поверхностном и подповерхностном слое НЛЗ, уменьшению пораженное™ заготовок внутренними трещинами, увеличению доли мелкозернистой структуры отливаемых заготовок.

Кроме того, использование ЭМП стали в кристаллизаторе позво­ляет увеличить толщину и прочность корочки затвердевающего слитка, снизить потери ручьев МНЛЗ из-за прорывов металла, увеличить пре­дельную скорость разливки металла.

Создаваемое системой ЭМП магнитное поле, проникая сквозь за­твердевшую оболочку слитка, инициирует в жидкой стали вихревые то­ки, под действием которых металл начинает вращаться. Скорости пото­ков расплава под действием ЭМП составляют от 0,1 до 1,0 м/с.

Скорости потоков металла (в системах с вращающимся магнит­ным полем), попадающего в зону перемешивания, определяются в ос­новном вязкостными силами, а за зоной ЭМП - инерционными. Враща­тельное движение, происходящее в кристаллизаторе (при применении ЭМП с вращающимся полем) распространяется по длине НЛЗ от 1,5 до нескольких метров.

Перемешивание расплава в кристаллизаторе снижает концентра­цию примесей в поверхностном слое и уменьшает глубину следов качания кристаллизатора на поверхности слитка.

При движении стали с высокой скоростью вдоль фронта затверде­вания сокращается опасность «запутывания» неметаллических включе­ний и газов в растущих дендритах. Этим объясняется высокая чистота подповерхностной зоны слитка.

Применение ЭМП подавляет процесс образования мостов в НЛЗ, что обеспечивает получение более равномерного распределения неме­таллических включений вдоль его осевой зоны.

Потоки расплава, формируемые ЭМП, способствуют более быст­рому снижению перегрева за счет увеличения теплоотдачи от жидкого металла. Это уменьшает термический градиент перед фронтом затвер­девания и способствует созданию условий для роста равноосных крис­таллов. Столбчатые кристаллы в зонах, подвергшихся ЭМП, прекраща­ют свой рост и, следовательно, варьируя параметрами ЭМП можно кон­тролировать размеры зон столбчатых и равноосных кристаллов. Это, в свою очередь, позволяет снизить развитие макроликвации и пористости слитка.

Структура слитка, полученного при использовании ЭМП, имеет зону равноосных кристаллов в 1,5 - 2,0 раза шире, а макроликвацию за­метно меньше (рис.4.7).

Высокоуглеродистая катанка, полученная из заготовок, отлитых с ЭМП, обладает более высокой способностью к волочению.

Устройство перемешивания имеет отдельный контур водяного охлаждения.

Оценка качества и характеристика основных дефектов непрерывнолитой заготовки

Отправной точкой для получения качественной непрерывнолитой заготовки (НЛЗ) является оптимальная подготовка жидкой стали, в пер­вую очередь, контроль за раскислением, усреднением металла по хими­ческому составу и температуре, обеспечение требуемой температуры металла, минимизация содержания вредных примесей в стали. Данные требования очень важны, так как процесс непрерывной разливки доста­точно сложен и уязвим и имеет ограниченные возможности для улуч­шения качественных характеристик стали.

Условия непрерывной разливки стали предполагают наличие строгого контроля за качеством металла, подаваемого на участок раз­ливки и режимами ведения процесса разливки. Основные параметры процесса непрерывной разливки стали отслеживаются с помощью АСУТП и могут быть скорректированы для недопущения дефектов НЛЗ.

В зависимости от требований к качеству стали контроль НЛЗ мо­жет ограничиваться оценкой поверхности заготовок и их геометриче­ских размеров или исследованием внутренней структуры по темплетам и «серным» отпечаткам.

Оценку качества НЛЗ можно проводить при выборочном осмотре поверхности и контроле геометрических параметров заготовок на адьюстаже. Выборочный контроль НЛЗ предполагает, что общее качество производимого продукта обеспечивается за счет тщательной подготовки жидкого металла, подаваемого на участок разливки, эффективности и стабильности процесса разливки стали на МНЛЗ.

Выборочный контроль включает осмотр поверхности нескольких заготовок каждой плавки по 3-м граням (без кантовки НЛЗ), обмер гео­метрических размеров (длины, сечения, выпуклости граней, ромбичности, кривизны).

Особенностями непрерывнолитого слитка, по сравнению со слит­ками отлитыми в изложницы, являются более высокая однородность химического состава, меньшее количество поверхностных дефектов, лучшая структура. Тем не менее, полностью исключить поверхностные и внутренние дефекты НЛЗ достаточно трудно.

Рассматриваемые возможные дефекты НЛЗ можно разделить на 3 группы:

1. Дефекты профиля.

2. Дефекты поверхности.

3. Дефекты внутренней структуры.

На рисунке 4.8 представлена схема расположения основных де­фектов непрерывнолитой заготовки [10].

Дефекты профиля НЛЗ

Дефекты профиля НЛЗ - дефекты, при которых поперечное или продольное сечение заготовки деформировано относительно заданного геометрического. Данные дефекты могут быть связаны с повышенной скоростью или температурой разливки стали, с недостаточным, повы­шенным или неоднородным охлаждением слитка.

Ромбичность НЛЗ - данный тип искажения слитка является наи­более распространенным для квадратных заготовок малого сечения. Высокая ромбичность НЛЗ может вызвать проблемы при формировании профиля в валках клетей прокатного стана. Кроме того, повышенная ромбичность НЛЗ может вести к развитию других дефектов слитка (на­пример, поверхностных и внутренних продольных трещин).

Пример НЛЗ с повышенной ромбичностью и околоугловой тре­щиной приведен на рисунке 4.9.

Измерение ромбичности НЛЗ выполняют по следующей формуле: R=2-(D-d)*100%

где D - длина большей диагонали заготовки, мм; d - длина меньшей диагонали заготовки, мм.

Главной причиной, вызывающей развитие непрямоугольное НЛЗ, является неравномерное образование корки слитка в кристаллиза­торе. На выходе из кристаллизатора ромбичность слитка не может быть более ромбичности самой гильзы, то есть, ее величина очень небольшая, однако, ввиду высоких напряжений, она может значительно развиться по мере продвижения НЛЗ вдоль технологической оси ручья МНЛЗ.

Разнотолщинная корочка слитка на выходе из кристаллизатора при дальнейшем интенсивном охлаждении слитка будет способствовать развитию высокой ромбичности заготовки (рис. 4.10).

Образование неоднородной корки слитка в кристаллизаторе мо­жет быть связано с неточной центровкой струи металла из промежуточ­ного ковша, износом или деформацией профиля гильзы, неравномер­ным охлаждением слитка ввиду переменного зазора между обечайкой и гильзой кристаллизатора.

На выходе из кристаллизатора одни углы слитка будут острыми и более холодными, другие - тупыми (более горячими). Холодные углы будут охлаждаться быстрее чем горячие, и НЛЗ будет принимать ром-бичную форму.

В случае высокого износа или деформации профиля гильзы кри­сталлизатора (а также наличии переменного кипения охлаждающей воды на внешних стенках гильзы) угловые участки слитка могут попеременно прилегать то к одной то к другой грани гильзы, что приведет к колебаниям величины теплоотвода по различным сторонам НЛЗ.

Данный эффект может вызвать изменение направления ромбичности НЛЗ в течение небольшого промежутка времени в ходе разливки плавки. Причиной данного феномена является переменный контакт ко­рочки слитка со стенками гильзы ввиду неравномерного теплоотвода и образованного им газового зазора.

Для того, чтобы минимизировать газовый зазор в кристаллизато­ре, гильзы выполняют многоконусными или с выпуклыми стенками.

Профиль гильзы "ВМ sin" (с выпуклыми стенками) способствует увеличению интенсивности и равномерности теплоотвода от слитка, обеспечивает меньшую разнотолщинность корочки и значительно огра­ничивает развитие ромбичности НЛЗ.

Для ограничения развития данного дефекта, под кристаллизато­ром иногда устанавливают, так называемые, поддерживающие или про-тиворомбичные ролики.

Поддерживающие ролики оказывают положительное воздействие на уровень ромбичности НЛЗ, однако, они существенно усложняют об­служивание МНЛЗ. В случае прорыва металла подготовка ручья МНЛЗ значительно затягивается, так как требуется дополнительное время на очистку роликов, порезку и уборку «захоложенного» слитка. Кроме то­го, после прорыва слиток может застрять в кристаллизаторе из-за сцеп­ления вылившегося металла с роликами, что не позволит осуществить перезапуск ручья МНЛЗ во время разливки серии плавок.

Другими причинами, влияющими на развитие ромбичности НЛЗ, являются:

— химический состав разливаемого металла;

— отклонения при вторичном охлаждении заготовок;

— разливка с повышенной температурой металла;

— не параллельность роликов ТПМ.

В случае, если не обеспечена соосность кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения НЛЗ (особенно 1-й зоны), выставка коллекто­ров относительно оси слитка неудовлетворительная, часть форсунок ЗВО засорена или работает в неоптимальном режиме, то возможно раз­витие ромбичности отливаемых заготовок. В данном случае ромб НЛЗ будет односторонним.

Ромбичность заготовок наиболее выражена при производстве ма­рок стали с содержанием углерода более 0,15%.

Повышенное содержание примесей в стали Р, S, Си, Sn, также оказывает влияние на прочность корки слитка и ослабляет ее сопротив­ление ромбичной деформации.

При развитии ромбичности НЛЗ выше допустимых значений не­обходимо проведение следующих мероприятий:

— проверка износа и деформации гильз кристаллизаторов, при не­обходимости - замена кристаллизатора;

— проверка соосности выставки кристаллизатора относительно технологической оси ручья МНЛЗ;

— проверка (при необходимости регулировка) поддерживающих роликов под кристаллизатором;

— ревизия выставки зон вторичного охлаждения и работоспособ­ности форсунок ЗВО;

— оптимизация химического состава стали (в случае, если это воз­можно).

Ужимины на поверхности НЛЗ. Обычная причина образования ужимин — деформация профиля гильзы. Первичная корка в кристалли­заторе на участках возле углов очень тонкая и при усадке образует вогнутый продольный желоб - ужимину. Тонкая горячая корка слитка мо­жет привести к образованию продольной трещины.

Данный дефект НЛЗ в виде ужимины, является первым предупре­ждением о том, что гильза кристаллизатора стала негодной к эксплуата­ции.

Результатом дальнейшего использования кристаллизатора, с из­ношенной или деформированной гильзой, могут стать повторяющиеся прорывы металла по продольным трещинам. Образование ужимин на поверхности НЛЗ может быть вызвано, также, неравномерным вторич­ным охлаждением, когда интенсивность охлаждения в районе углов не­достаточна (ввиду неточной центровки коллекторов, засорения форсу­нок).

Подобная ситуация может возникнуть только в верхних участках ЗВО, где корочка слитка еще сравнительно тонкая и восприимчива к напряжениям. Если деформация корки достаточно сильная, то может образоваться продольная трещина на поверхности НЛЗ.

Отклонения от заданных размеров сечения НЛЗ. Обычно, причи­ной отклонений размеров сечения является повышенное обжатие НЛЗ в клетях тянуще-правильной машины при превышении допустимого уси­лия давления на валки. Данные отклонения часто сопровождаются по­вышенным выпучиванием боковых граней заготовок.

Выпучивание граней НЛЗ. Данный дефект образуется при дефор­мации корочки слитка за счет ферростатического давления жидкого ме­талла при чрезмерной скорости разливки, недостаточном вторичном ох­лаждении слитка, высоком перегреве металла или вследствие повышен­ного обжатия заготовок в ТПМ.

Вогнутость граней НЛЗ может возникать при неравномерном вторичном охлаждении по граням слитка.

Повышенная кривизна НЛЗ. Причиной отклонений профиля заго­товок могут явиться неравномерное вторичное охлаждение НЛЗ по тех­нологической оси ручья МНЛЗ (при неточной выставке коллекторов или засорении форсунок ЗВО), неточная выставка центрирующих и поддерживающих роликов в ЗВО, механические деформации, неверно выбранный режим вторичного охлаждения заготовок.

Повышенное сплющивание концов ("приков"), косина реза НЛЗ. Дефекты образуются при порезке заготовок на мерные длины на нож­ницах. Необходимы точная настройка и регулярный контроль за рабо­той устройств порезки НЛЗ.

Дефекты поверхности НЛЗ

Среди дефектов поверхности НЛЗ выделяют следующие:

— продольные трещины (по углам и граням);

— поперечные трещины;

— пояса;

— завороты корки;

— заливины;

— шлаковые включения;

— газовые пузыри.

Продольные поверхностные трещины.

Трещины представляют собой нарушения сплошности в виде разрывов металла. Образование трещин в непрерывнолитом слитке связано с напряжениями, возникаю­щими в процессе его формирования, и обусловлено пониженной проч­ностью и пластичностью в различных температурных интервалах.

Поверхностные продольные трещины, связанные с искажением профиля слитка, являются результатом повышенной ромбичности заго­товок, ужимин на поверхности или выпучивания граней НЛЗ. Трещины данного вида распространяются изнутри заготовки вдоль диагонали между тупыми углами. Обычно такая трещина сворачивает в сторону от диагонали непосредственно перед углом и появляется на поверхности около угла, где корка слитка наиболее тонкая (рис. 4.9).

Данный дефект НЛЗ, при его грубом развитии, может привести к прорыву металла при нахождении слитка в ЗВО.

Продольные трещины, не связанные с искажением профиля НЛЗ, могут иметь вид от коротких нитевидных (иногда не видимых без зачи­стки поверхности) до грубых со значительной шириной раскрытия. Данные трещины могут располагаться непосредственно по углам, на некотором смещении от углов или по граням заготовок (рис. 4.11).

Основной причиной появления продольных трещин является из­нос или деформация профиля гильз кристаллизаторов. По мере эксплуа­тации кристаллизаторов происходит износ и деформация рабочих стенок гильз по граням и углам, что снижает эффективность и равномер­ность первичного охлаждения слитка, ведет к появлению локальных утонченных участков корки НЛЗ, в районе которых могут образовы­ваться продольные трещины.

При значительном расширении трещины металл может проры­ваться из жидкой середины наружу, и если это происходит в кристалли­заторе, образуются наплывы на поверхности НЛЗ.

Грубые трещины могут явиться причиной разрыва оболочки слит­ка под кристаллизатором (прорыва металла). По данной причине необ­ходим строгий контроль за изменением профиля гильз кристаллизато­ров в ходе эксплуатации, для определения момента их предельного из­носа и замены.

Опыт показывает, что проблемы с растрескиванием НЛЗ возни­кают после содержания углерода в стали около 0,15 % и достигают сво­его максимума при [С] = 0,40 %. При содержании углерода около 0,40 % усадка приближается к максимуму, прочность на растяжение падает, в то время как пластичность все еще относительно низкая.

Для нелегированных углеродистых марок стали с содержанием углерода около ОД 8 % (0,174-0,24 %) пластичность минимальная. Этим можно объяснить высокую трещиночувствительность данных сталей.

Присутствие вредных и остаточных элементов в стали (например, повышенное содержание Р, S, Си, Sb, Sn, As) при углероде в диапазоне 0,30 + 0,50 % оказывает дополнительное существенное ослабляющее влияние на прочность корки слитка.

Для ограничения растрескивания НЛЗ отношение Mn/S в стали рекомендуется поддерживать на уровне не менее 25.

Температура разливаемого металла оказывает высокое влияние на растрескивание заготовок и должна быть максимально возможно при­ближена к температуре ликвидуса.

На образование трещин на НЛЗ определенное влияние оказывает величина углового радиуса гильз кристаллизаторов.

Считается, что при угловом радиусе гильз выше оптимального на заготовках могут появляться трещины по вершинам углов, при пони­женном угловом радиусе - околоугловые трещины.

При использовании ШОС в качестве засыпки зеркала металла в кристаллизаторе, ввиду образования шлакового гарнисажа, снижения величины и повышения равномерности теплоотвода, развитие ромбич-ности и трещин НЛЗ может быть снижено.

Среди прочих факторов, которые могут усиливать развитие про­дольных трещин на поверхности НЛЗ можно выделить следующие:

— неточная центровка струи металла из промковша в кристалли­затор;

— циклическое вторичное охлаждение НЛЗ;

— повышенная скорость разливки стали;

— неточная выставка поддерживающих роликов под кристаллиза­тором;

— механические дефекты на рабочей поверхности гильз кристал­лизаторов (особенно в верхней части).

При обнаружении продольных трещин необходимо:

— провести проверку сохранности профиля гильзы кристаллиза­тора, оценку качества поверхности (при необходимости кристаллизатор заменить);

— проверить выставку кристаллизатора относительно технологической оси ручья МНЛЗ;

— проверить равномерность и чистоту зазора для протока охлаж­дающей воды между гильзой и обечайкой кристаллизатора;

— проверить выставку поддерживающих роликов под кристалли­затором;

— по возможности оптимизировать химический состав разливае­мой стали, для снижения ее трещиночувствительности.

Поперечные поверхностные трещины. Данные трещины распола­гаются по углам или граням НЛЗ в поперечном направлении, то есть, перпендикулярно направлению разливки металла. Грубые поперечные трещины могут привести к обрывам слитка под кристаллизатором или в ЗВО (рис. 4.12).

Выделяют ряд факторов, оказывающих влияние на поперечное растрескивание НЛЗ.

Высокое содержание фосфора, серы, меди, олова, сурьмы, мышь­яка в стали вызывают ослабляющий эффект на прочность корки непрерывнолитого слитка. При содержании углерода в стали более 0,2 % присутствие хрома, ванадия, ниобия увеличивает склонность к появле­нию поперечных трещин на поверхности слитка. Если только их содер­жание не является крайне высоким, данные элементы в одиночку, обычно, не приводят к образованию трещин. Однако, в комбинации с другими отрицательными факторами, они могут вызвать поперечное растрескивание НЛЗ. Низкое отношение Mn/S в стали ведет к повыше­нию хрупкости слитка в горячем состоянии.

Избыточная конусность гильзы или деформация ее профиля, не­достаточное количество смазки в кристаллизаторе, отклонения в цен­тровке кристаллизатора относительно технологической оси ручья, от­клонения при движении кристаллизатора от траектории могут вызвать увеличение сил трения между слитком и гильзой, и привести к образо­ванию поперечных трещин по углам или граням НЛЗ.

Равномерная конусность по всей длине гильзы кристаллизатора является очень важным фактором. Простого измерения размеров в верхней и нижней частях гильз недостаточно, так как конусность пре­вышающая норму может отмечаться на отдельных, достаточно корот­ких участках и способствовать развитию трещин. Считается, что при повышенных скоростях разливки и малых сечениях отливаемых загото­вок, целесообразно использование гильз кристаллизаторов с меньшей конусностью.

Деформация профиля гильзы, вызванная механическими или тер­мическими факторами, может явиться реальной причиной растрескива­ния слитка. Важно, чтобы уплотнение в нижней части гильзы не огра­ничивало ее температурное удлинение в процессе разливки стали, так как в противном случае это вызовет деформацию.

Настройка режима качания кристаллизатора является одним из основных факторов определяющих возможность образования попереч­ных трещин на поверхности заготовок.

Частота качания кристаллизатора должна обеспечивать оптималь­ную и постоянную величину опережения кристаллизатора относительно Движущегося слитка.

Отклонения в работе механизма качания (люфты, биения), могут привести к изменению времени опережения. Данные отклонения повле­кут за собой уменьшение времени опережения, что может стать причи­ной обрыва слитка под кристаллизатором.

Одной из причин образования поперечных трещин может явиться выпрямление переохлажденного слитка, поэтому важна оптимальная настройка режимов охлаждения заготовок в зоне вторичного охлажде­ния.

Для устранения причин появления данного дефекта необходимо тщательно следить за состоянием гильзы кристаллизатора, режимом его качания, равномерной и достаточной подачей смазки или ШОС, равно­мерностью вторичного охлаждения заготовок и его соответствия скоро­сти разливки.

Пояс.

Пояс - грубый дефект, охватывающий практически весь пе­риметр слитка. Пояса образуются из-за перерыва в подаче металла в кристаллизатор, либо при чрезмерно резком понижении скорости раз­ливки, особенно при низкой температуре металла.

При этом верхний край затвердевшей корки по всему периметру гильзы кристаллизатора окисляется и при возобновлении разливки в этом месте образуется пояс. Пояс является слабым местом в слитке, так как одновременно с окислением по контуру затвердевшей корки слитка происходит и окисление мениска.

Грубые пояса, как правило, не поддаются зачистке и приводят к браку заготовок (рис. 4.13).

Завороты корки.

Завороты корки образуются в тех случаях, когда окисленная корка металла увлекается с мениска на поверхность слитка. Чаще всего данный дефект возникает при разливке металла с пониженной температурой и скоростью разливки, а также при неудовлетвори­тельной смазке стенок гильзы кристаллизатора. Значительное развитие дефект получает при разливке сталей с пониженной жидкотекучестью или содержащих легко окисляющиеся элементы (рис. 4.14).

Запивины.

Образуются в результате попадания жидкого металла в зазор между коркой слитка и стенкой гильзы кристаллизатора, обра­зующийся вследствие усадки затвердевающей корки. Образование заливин наиболее вероятно при перерывах в подаче металла в кристаллиза­тор, недостаточной или неравномерной смазке стенок гильз, значитель­ных колебаний уровня металла в кристаллизаторе, разливке металла с пониженной скоростью и температурой. Заливины образуются, также, в случае прорыва оболочки слитка.

Для предупреждения таких дефектов как пояса, завороты корки слитка, заливины необходимо предотвращение затягивания дозирую­щих узлов промежуточных ковшей, минимизация колебаний уровня ме­талла в кристаллизаторе, соблюдение режима смазки гильз кристалли­заторов, обеспечение стабильной скорости разливки, работа МНЛЗ без резкого снижения скорости вытягивания и остановок.

Шлаковые включения. Шлаковые включения, встречающиеся на поверхности НЛЗ и проникающие внутрь металла, являются многофаз­ными, преимущественно силикатного характера. В сортовых слитках крупные шлаковые включения чаще встречаются в районе ребер.

Шлаковые включения на поверхности НЛЗ появляются вследст­вие размыва огнеупоров ковшей, затягивания шлака из промежуточного ковша, всплывания в кристаллизаторе продуктов раскисления стали, ко-. лебаний уровня металла в кристаллизаторе.

Для углеродистых сталей, раскисленных при помощи кремния и марганца, существенную роль играет величина отношения марганца к кремнию. При низком отношении Mn/Si, образующийся шлак выпадает на зеркале металла в кристаллизаторе и загрязняет поверхность НЛЗ. При повышенном отношении Mn/Si в стали вынос шлака на поверх­ность металла в кристаллизаторе затруднен, и шлак может быть обнаружен в качестве макроскопических окисных включений внутри слитка.

Значительное количество шлаковых включений на мениске ме­талла в кристаллизаторе может привести к массовым прорывам оболоч­ки НЛЗ в зоне вторичного охлаждения.

Можно выделить основные меры, позволяющие снизить загряз­ненность непрерывнолитого слитка шлаковыми включениями:

— соблюдение заданных режимов раскисления стали;

— соблюдение температурных режимов;

— применение стойких огнеупорных материалов;

— поддержание постоянного уровня металла в промковше и кри­сталлизаторе;

— правильный подбор ШОС и равномерная подача ее в кристал­лизатор.

Рекомендуется поддерживать отношение марганца к кремнию в стали на уровне около 3,0.

Поверхностные пузыри. Газовые пузыри - это дефект в виде еди­ничных или групповых пор, пустот округлой или вытянутой формы.

Пузыри на поверхности НЛЗ могут быть результатом газовыделе­ния при затвердевании слитка, при сгорании смазки в кристаллизаторе, при использовании огнеупоров с повышенной влажностью.

Наибольшее влияние на пораженность НЛЗ данным дефектом оказывает уровень «свободного» кислорода в стали. Ввиду высокой скорости охлаждения слитка, присущей процессу непрерывной разлив­ки, в металле присутствует «свободный» кислород для образования окиси углерода. Чтобы избежать образования газовых пор, уровень «свободного» кислорода в стали должен быть снижен до минимального Уровня (особенно при разливке низкоуглеродистых марок стали), поэтому очень важно эффективное проведение операции раскисления стали.

Избыточное количество смазки в кристаллизаторе, повышенное содержание влаги в масле или ШОС могут привести к образованию по­верхностных газовых пузырей.

Расход смазки в кристаллизаторы должен быть установлен на ми­нимальном уровне, достаточном для исключения подвисаний слитка на стенках гильз. Необходим постоянный контроль за содержанием влаги в смазке, подаваемой в кристаллизаторы.

Резкие изменения уровня металла в кристаллизаторе, также при­водят к образованию корковых пузырей в НЛЗ.

Причиной пузырей в НЛЗ может стать повышенное содержание влаги в футеровке промковша и засыпке зеркала металла.

Для исключения пораженности НЛЗ поверхностными пузырями необходимо проведение оптимального раскисления стали, минимизация содержания влаги в смазке кристаллизаторов, огнеупорах промковшей, применяемых теплоизолирующих засыпках (рис. 4.15).

Дефекты внутренней структуры НЛЗ Дефектами макроструктуры заготовок являются:

— ликвапионные полосы и трещины по сечению;

— угловые трещины;

— трещины в осевой зоне;

— центральная пористость;

— осевая ликвация;

— подкорковые пузыри;

— неметаллические включения

Трещины по сечению НЛЗ (перпендикулярные граням) (рис. 4.16). Внутренние трещины представляют собой надрывы, располагающиеся по межосным пространствам кристаллической структуры, обогащенной ликватами. Это трещины кристаллизационные и образуются на границе твердой и жидкой фаз в интервале температур, при которых металл имеет минимальную пластичность и прочность. Возникновение трещин связано с появлением растягивающих напряжений, превышающих до­пустимые.

Трещины могут располагаться в несколько рядов по сечению за готовки.

Одна из причин образования данных трещин - термические на­пряжения из-за неудовлетворительного охлаждения. Отклонения от мо­нотонного снижения температуры поверхности слитка при его затвер­девании, особенно разогрев, после интенсивного охлаждения, вызывав возникновение растягивающих напряжений внутренних слоев твердой оболочки, которые могут привести к трещинам.

Так как повышенная температура разливаемой стали благоприят­ствует росту столбчатой структуры НЛЗ, она способствует формирова­нию трещин перпендикулярных граням.

Трещины по сечению могут возникать из-за повышенной скоро­сти разливки металла и сверх, интенсивного вторичного охлаждения НЛЗ. При интенсивном вторичном охлаждении затвердевающие наруж­ные слои слитка препятствуют усадке внутренних, в которых развива­ются напряжения.

Чувствительность стали к образованию трещин увеличивается при наличии легирующих элементов, а также серы, фосфора, меди, олова, сурьмы. Наиболее вредным элементом в стали, способствующим обра­зованию трещин, считается сера. Исходя из отрицательного влияния се­ры на деформационную способность углеродистой стали, рекомендует­ся иметь ее содержание в металле менее 0,020 % (особенно для стали с содержанием углерода в диапазоне 0,18 -г 0,30 %).

Для снижения пораженности заготовок трещинами по сечению необходимо ограничивать содержание вредных химических элементов в стали, поддерживать минимально возможный перегрев разливаемого металла над температурой ликвидуса, обеспечивать равномерное вто­ричное охлаждение НЛЗ, соответствующее скорости разливки стали.

Угловые трещины. Угловые внутренние трещины (рис. 4.17), так-• -е как и поверхностные, определяются отклонениями геометрической формы НЛЗ (ромбичность, выпуклость граней). Данные трещины располагаются по стыкам кристаллов слитка против его тупых углов.

Эти трещины появляются в результате неравномерного охлажде­ния слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения.

Основные причины данного дефекта и контрмеры по его преду­преждению аналогичны обозначенным для угловых поверхностных трещин.

Осевые трещины. Осевые трещины (рис. 4.18) образуются под Действием растягивающих напряжений, возникающих в конце затверде­вания слитка. Напряжения в данной зоне, в основном, обусловлены ско­ростью разливки металла, режимом и работой системы вторичного ох­лаждения.

К развитию осевых трещин может привести повышенное обжатие заготовок в ТПМ.

Осевые трещины зависят также от процесса кристаллизации осе­вой зоны заготовки. Металл в осевой зоне заготовки в ходе кристалли­зации обогащается ликватами и неметаллическими включениями, здесь наиболее развита пористость,.

По данным причинам металл осевой зоны имеет более низкие ме­ханические свойства, чем другие участки сечения НЛЗ.

Центральная пористость (ЦП). Это сосредоточение крупных и мелких пор вдоль теплового центра слитка (рис. 4.19).

Причинами образования ЦП являются специфические условия формирования непрерывнолитого слитка, связанные с образованием от­носительно глубокой лунки жидкого металла. Фронт кристаллизации по высоте слитка, ввиду значительной протяженности лунки жидкого ме­талла, сходится к концу затвердевания под очень малым углом, что оп­ределяет наличие мостов и перехватов в центре слитка, при которых об­разуются усадочные раковины.

В зависимости от величины и скорости усадки металла в осевой зоне, а это, в свою очередь, определяется маркой стали, скоростью разливки, интенсивностью вторичного охлаждения, размерами сечения ститка и рядом других факторов усадочные полости приобретают раз­личные формы и размеры.

Наибольшее развитие ЦП получает при отливке заготовок малого сечения.

Повышенная температура и скорость разливки способствуют раз­витию центральной пористости, так как при этом увеличивается длина жидкой лунки металла.

Нарушения режимов вторичного охлаждения (чрезмерно интен­сивное охлаждение) ведут к образованию концентрированной пористо­сти.

Центральная пористость в НЛЗ имеет тенденцию к увеличению при разливке высокоуглеродистых марок стали.

Существует зависимость между видом пористости и кристалличе­ской структурой заготовки. Сосредоточенная пористость обычно обнаруживается при развитой столбчатой структуре и концентрируется вдоль вертикальной оси в виде прерывистых пустот.

Рассеянная пористость получает развитие при равноосных кри­сталлах и ограниченной зоне столбчатых дендритов. При таком строе­нии непрерывнолитой заготовки усадочная пористость образуется в ви­де многочисленных небольших пор.

Развитие ЦП может быть ограничено за счет обеспечения опти­мальной температуры разливаемого металла, постоянной скорости раз­ливки стали и соответствующего скорости оптимально подобранного вторичного охлаждения заготовок.

Величина центральной пористости в НЛЗ существенно снижается при воздействии электромагнитного перемешивания металла в зоне окончательного затвердевания слитка.

Осевая ликвация. Осевая ликвация (ОЛ) (рис. 4.20) обусловлена двумя факторами: ликвационным обогащением центральных зон приме­сями и усадкой осевой зоны при затвердевании.

Так как примеси и неметаллические включения имеют более низкую температуру затвердевания, то в процессе разливки они вытесня­ются в центр слитка и затвердевают в последнюю очередь. При прокат­ке металла осевая ликвация трансформируется в ликвационные полосы, которые, при их грубом развитии, могут приводить к расслоениям про­ката.

Среди химических элементов, которые увеличивают склонность НЛЗ к ликвации, выделяются углерод, сера, марганец.

В сортовых заготовках, особенно мелких сечений из высокоугле­родистой стали, в осевой зоне, наряду с концентрированной пористо­стью наблюдается значительная неоднородность по содержанию угле­рода.

Скорость разливки не оказывает прямого влияния на величину ОЛ в заготовках (за исключением случаев, когда возникают нарушения формы НЛЗ). Влияние интенсивности вторичного охлаждения заготовок также ограничено, так как при толстой корке охлаждение воздействует преимущественно на наружную поверхность слитка.

Наиболее эффективной мерой против ОЛ является снижение пе­регрева металла в промковше. При приближении температуры разли­ваемого металла к температуре ликвидуса зона равноосных кристаллов наиболее развита, и осевая ликвация будет минимальной.

Ужесточение технологических требований к подготовке металла Для разливки, снижение содержания серы и фосфора в стали, а также стабильный процесс непрерывной разливки позволяют значительно снизить степень развития осевой ликвации.

Для сокращения осевой ликвации целесообразно проводить меро-РИятия, обеспечивающие расширение зоны твердожидкого состояния, есть снижать температуру разливаемого металла, уменьшать интен-

сивность вторичного охлаждения НЛЗ и увеличивать сечение отливае­мого слитка.

Подкорковые пузыри. Образование подкорковых пузырей (рис. 4.21) происходит в результате скачкообразного снижения растворимости га­зов (кислорода, водорода, азота) при кристаллизации стали.

Величина и глубина образующихся пузырей будет определяться превышением фактических концентраций газов над критическими.

Возникновение подкорковых пузырей в непрерывнолитых слит­ках чаще всего связывают с недостаточной раскисленностью металла.

К образованию пузырей, также, могут привести повышенное со­держание влаги в смазке кристаллизатора, завороты окисленной корки слитка, прожигания дозатора промковша.

При деформации пузыри, близко расположенные к поверхности, в результате окисления при нагреве слитков могут не свариваться и вы­зывать образование волосовин и плен на поверхности проката (в случае единичных пузырей) или рванин (в случае группового расположения крупных пузырей).

Для предупреждения данного дефекта в НЛЗ необходимо соблю­дение режима раскисления стали, поддержание оптимальных темпера­турных режимов доводки и разливки стали, постоянного уровня металла в кристаллизаторе, стабильной скорости разливки, ограничение содер­жания влаги в смазке, подаваемой в кристаллизаторы.

Неметаллические включения в НЛЗ.

В непрерывнолитых заготов­ках встречаются те же виды неметаллических включений, что и в слит­ках: оксиды, сульфиды, нитриды.

На загрязненность стали включениями существенное влияние ока­зывают особенности формирования слитка при непрерывной разливке.

Большое отношение длины непрерывнолитого слитка к его тол­щине, приводящее к увеличению глубины жидкой фазы, непрерывное опускание жидкого металла с его твердой оболочкой и непрерывное на­ращивание сверху новых слоев затрудняют процесс отстаивания и всплывания неметаллических включений.

Более длительный контакт разливаемого металла с атмосферой окружающего воздуха активизирует процессы вторичного окисления в ходе разливки.

В то же время, при непрерывной разливке скорость кристаллиза­ции выше, ширина 2-х фазной зоны и время пребывания металла в 2-х фазном состоянии меньше. В отличие от слитка, отлитого в изложницу, каждое поперечное сечение непрерывнолитой заготовки по ее высоте формируется при постоянных теплофизических условиях.

Эти отличия благоприятно сказываются на содержании и характе­ре распределения неметаллических включений в объеме НЛЗ.

Технология производства стали, то есть раскисление, и уровень содержания кислорода до раскисления оказывают определяющее влия­ние на уровень загрязненности НЛЗ включениями.

Один из значимых источников неметаллических включений в ста­ли являются огнеупоры, применяемые для футеровки сталеразливочных и промежуточных ковшей. Включения образуются при химических ре­акциях огнеупорных материалов с жидкой сталью. Повышенная загряз­ненность продуктами эрозии огнеупоров отмечается в НЛЗ из стали с повышенной окисленностью.

После эффективно проведенных операций раскисления и доводки стали на УКП важна надежная защита стали от вторичного окисления в ходе разливки.

При неблагоприятных гидродинамических условиях в промковше крупные включения могут затягиваться в дозирующий узел и попадать в кристаллизаторы.

При определении чистоты непрерывнолитых заготовок используют такой оценочный параметр, как краевые точечные загрязнения (КТЗ).

Краевые точечные загрязнения проявляются в виде точечных ско­плений ликватов (в основном сульфидов и шлаков) по сечению НЛЗ и определяются величиной точек и плотностью их расположения. Для МНЛЗ криволинейного типа характерно сосредоточение то­чечных загрязнений по грани заготовки, соответствующей малому радиусу установки (рис.4.22).

Основными мерами, позволяющими снизить загрязненность стали неметаллическими включениями являются:

— тщательное раскисление стали (минимизация содержания ки­слорода в металле, подаваемом для разливки);

— обработка металла кальцием для оптимизации формы и состава

включений;

— использование износостойких огнеупоров для футеровки стале-

разливочного и промежуточного ковшей;

— обеспечение надежной защиты струй металла из сталеразли-вочного и промежуточного ковшей (применение погружных труб и ста­канов, использование инертного газа);

— изоляция зеркала металла в промковше и кристаллизаторах;

— обеспечение оптимальных условий всплывания включений в промежуточном ковше (обеспечение оптимальной формы промковша, поддержание высокого уровня металла, установка специальных перегородок, применение рафинирующих смесей для ассимиляции включений, продувка металла инертным газом через пористые пробки в днище ковша);

— применение электромагнитного перемешивания металла для облегчения всплывания включений в кристаллизаторах и их более рав­номерного распределения в НЛЗ.

На загрязненность стали неметаллическими включениями, также, могут оказывать влияние точность и быстрота выполнения технологи­ческих операций в процессе разливки стали на МНЛЗ:

— наполнение промежуточного ковша металлом, в начале разлив­ки, должно производится максимально быстро, при этом, зеркало ме­талла в ковше должно быть быстро и эффективно защищено с помощью изолирующей засыпки;

— количество шлака из стальковша, попадающего в промковш во время перековшовок плавок, должно быть минимизировано;

— при перековшовках плавок нельзя допускать существенного па­дения уровня металла в промковше, так как это может привести к ухудшению организации струй металла и затягиванию в металл шлака с поверхности;

— по возможности должно быть ограничено количество случаев . использования кислорода для прожигания каналов дозирующих узлов

ковшей и обрезки возможных настылей;

— операции по замене защитных труб, стаканов, сильфонов долж­ны производится максимально оперативно;

— при разливке без защиты стали от вторичного окисления долж­на быть обеспечена удовлетворительная плотность и минимальная дли­на струй металла.