МРНТИ 53.31.23

УДК 669.18;621.74

Ключевые слова: МНЛЗ, непрерывнолитая заготовка, центральная пористость.

Источник: Сталь. 2012. № 8

Сведения об авторе: Быков Петр Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургия»

Моделирование процессов снижения центральной пористости непрерывнолитой заготовки за счет комплексного воздействия на процесс кристаллизации

А. Т. Канаев¹, П. О. Быков², А. В. Богомолов², Е. Н. Решоткина³

¹Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева (г. Астана, Казахстан),

²Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова (г. Павлодар, Казахстан), ³АО "АрселорМиттал Темиртау" (г. Темиртау, Казахстан)

Приведены результаты исследований, направленных на решение актуальной проблемы повышения качества непрерывнолитых заготовок. Разработаны технические решения по совершенствованию процесса кристаллизации за счет пульсационной продувки металла инертным газом в кристаллизаторе и сдвигового обжатия заготовки в зоне вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). При пульсационной продувке и сдвиговом "мягком" обжатии в конечный период затвердевания установлено их положительное влияние на сокращение зоны столбчатых кристаллов и снижение центральной пористости.

Развитие центральной пористости в непрерывнолитых заготовках в основном связано с наличием глубокой жидкой лунки, развитой столбчатой структурой, которая затрудняет питание заготовки в процессе усадки, а также препятствует всплытию неметаллических включений в процессе разливки. Перспективным способом снижения центральной пористости в непрерывнолитой заготовке является "мягкое" обжатие слитка в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ [1 – 3].

Широкое использование данного способа ограничено, так как нельзя использовать большие степени обжатия из-за опасности развития трещин в заготовке. Поэтому для его реализации используются динамические системы обжатия [4].

Цель настоящей работы — моделирование процессов получения непрерывнолитых заготовок с использованием мягкого обжатия непрерывнолитых заготовок.

Анализ качества непрерывнолитых заготовок квадратного и круглого сечений, произведенных на предприятиях ПФ ТОО "Кастинг" и ПФ ТОО "KSP steel" с 2006 по 2010 гг. показал, что в заготовках, имеющих развитую столбчатую структуру, величина пор и усадочных раковин оказывает более значительное влияние. Следовательно, при уменьшении доли столбчатых кристаллов в непрерывнолитой заготовке величина осевой пористости будет меньше, что позволит снизить необходимую суммарную степень обжатия непрерывнолитой заготовки в процессе мягкого обжатия. В работе [5] отличается, что процесс обжатия непрерывнолитых заготовок в МНЛЗ можно интенсифицировать за счет использования сдвиговых деформаций.

На основании вышесказанного авторами предложен комплексный способ улучшения качества стальной непрерывнолитой заготовки за счет пульсационной продувки металла инертным газом в кристаллизаторе и сдвигового обжатия слитка в конце зоны вторичного охлаждения МНЛЗ [6]. Способ пульсационной продувки предлагается использовать для снижения доли столбчатой структуры в заготовке. Его можно реализовать с отсутствием всасывания расплава в погружную трубу перед подачей инертного газа под давлением в каждом цикле и с вакуумным всасыванием расплава.

Теоретический анализ показал, что реализация пульсационной продувки в кристаллизаторе МНЛЗ возможна при расходе аргона до 5 л/мин, частоте пульсаций до 16 Гц, амплитуде колебаний давления газа в системе от 0,08 до 0,15 МПа. При больших значениях этих параметров возможно возникновение возмущения на поверхности металла в кристаллизаторе и ухудшение качества поверхности заготовки.

Экспериментальные исследования формирования макроструктуры непрерывнолитой заготовки при пульсационной продувке проводили на лабораторной МНЛЗ для сечения кристаллизатора 30´30 мм и скорости вытягивания слитка 1 м/мин. Температура заливки модельного сплава на основе свинца 350 °C. Пульсационную продувку проводили с вакуумным всасыванием через трубку диам. 5 мм при глубине погружения 15 мм с частотой пульсаций 0 – 5 Гц, расходом инертного газа 0 – 5 л/мин. Давление в погружной трубе находилось в пределах 0,08 – 0,12 МПа. Для анализа микроструктуры из полученных заготовок вырезали продольные темплеты, шлифовали, полировали и травили в растворе следующего состава: 42 гMoO₂, 29 мл HNO₃, 100 мл H₂O.

Макроструктуру исследовали на приборе МПБ-2 (´24). Измеряли ширину зоны столбчатых кристаллов. Выявлено, что при расходе газа 4 – 5 л/мин на "зеркале" металла в кристаллизаторе наблюдаются волны. Анализ макроструктуры полученных образцов показал, что пульсационное перемешивание оказывает влияние на протяженность структурных зон слитка. Зона замороженных кристаллов несколько увеличилась, зона столбчатых дендритов сократилась. Ширина зоны равноосных макрозерен увеличилась. Это позволяет сделать вывод о том, что пульсационное воздействие способствует увеличению числа зародышей твердых частиц в расплаве за счет обламывания дендритов и вымывания зародышей кристаллов от границы раздела твердой и жидкой фаз в осевую часть формирующегося слитка.

Результаты экспериментов обрабатывали методом регрессионного анализа в Microsoft Office Excel. Принимая расход аргона (л/мин) за x₁ и частоту пульсаций (Гц) за x₂ получили уравнение регрессии для определения ширины зоны столбчатой структуры (y, %) модельного слитка из свинцовых сплавов:

y = 48,07 – 4,56x₁ – 0,67x₂. (1)

Рассчитан коэффициент корреляции (R² = 0,71), который показал хорошую сходимость результатов; проведена адекватность модели. Расчетный критерий Фишера F_р 0,41 меньше F_табл.

На экспериментальной установке, представлявшей собой модель кристаллизатора МНЛЗ, изготовленного из оргстекла, моделировали гидродинамику непрерывной разливки. Для получения движения жидкости, подобного движению расплавленной стали в жидкой сердцевине затвердевающей заготовки, были соблюдены равенства критериев Рейнольдса, Фруда и Вебера. Экспериментальные исследования по гидравлическому моделированию пульсационной продувки в кристаллизаторе МНЛЗ проводили для сечения 125´125 мм. Расход воды (Q' = 10 л/мин) соответствовал скорости вытягивания стальной заготовки 2,5 м/мин, воду подавали через канал диам. 9 мм (реальный разливочный стакан имеет диам. 14,5 мм, что соответствует масштабу M = 0,6). В качестве барботируемого газа использовали воздух, который подавали через трубку диам. 5 мм, опускаемую в кристаллизатор под уровень жидкости на глубину 90 мм. Расход газа варьировали от 1 до 5 м/мин. Для создания вакуума к трубке посредством пульсатора подсоединяли отдельный канал, через который откачивали газ. Для моделирования силикатных неметаллических включений 2 – 4 мм в качестве модельных частиц использовали порошок полипропилена размером 0,7 мм и плотностью 0,9 г/см³.

Провели серии экспериментов с разливкой жидкости открытой струей и затопленной струей через погружной стакан: без продувки, с продувкой, с пульсационной продувкой без вакуумного всасывания в погружную трубу, с пульсационной продувкой с вакуумным всасыванием в погружную трубу. Установлено, что наиболее интенсивное движение в жидкости обеспечивается при пульсационной продувке жидкой лунке с вакуумным всасыванием жидкости в погружную трубу, что в итоге должно стимулировать процессы зародышеобразования за счет разрушения растущих дендритов при затвердевании заготовки и предотвращать развитие столбчатой структуры.

Сдвиговое мягкое обжатие непрерывнолитой заготовки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ обеспечивается тянуще-правильным устройством за счет установки пар конических и цилиндрических валков. Процесс сдвигового обжатия непрерывнолитых заготовок в конце периода затвердевания моделировали в ряде экспериментов. Сравнивали степени залечивания центральной пористости при различных схемах обжатия, а также максимальную степень обжатия до появления трещин в заготовке в конце периода затвердевания.

Для определения степени залечивания осевого дефекта провели лабораторные исследования по моделированию обжатия непрерывнолитых заготовок из свинцовых сплавов. Моделировали обжатие в цилиндрических и конических валках при разных степенях обжатия и углах сдвига. Конические валки реализовывали сдвиговую схему обжатия. Для моделирования использовали сплав Pb – Bi, из которого изготовляли слитки сечением 17´17 мм. В модельных заготовках в центральной части просверливали отверстия диам. 2 мм для моделирования центральной пористости.

Модельный слиток обжимали в два прохода. В первый проход слиток обжимали со сдвигом и получением поперечного сечения модельного слитка в виде параллелограмма, во втором проходе восстанавливали геометрию модельного слитка, его размеры после обжатия измеряли штангенциркулем, размеры отверстия — с помощью микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм.

Поведение искусственного дефекта описывали с помощью коэффициента закрытия отверстия y, представлявшего собой произведение коэффициента вытяжки и отношения площадей поперечного сечения отверстия до и после деформации [8]:

где — площади отверстия до и после суммарного обжатия; m — коэффициент вытяжки.

Коэффициент y показывает соотношение между уменьшением площадей поперечных сечений дефекта и заготовки; при y > 1 площадь сечения дефекта уменьшается менее интенсивно по сравнению с площадью сечения заготовки и устранение несплошностей недостижимо. Полному залечиванию соответствует y = 0.

Коэффициент вытяжки определялся по формуле

где — площади слитка до и после суммарного обжатия.

Далее по полученным значениям рассчитывали площадь, коэффициент вытяжки модельного слитка и коэффициент закрытия отверстия.

Анализ результатов экспериментов показал, что полное закрытие отверстия диам. 2 мм (y = 0) при отсутствии сдвигового обжатия достигается при коэффициенте вытяжки m = 1,24. При сдвиговом обжатии полное закрытие отверстия происходит при меньшем коэффициенте вытяжки (при a = 30°, m = 1,13).

Для обработки результатов моделирования проводили регрессионный анализ в Microsoft Office Excel. Получили уравнение регрессии для определения коэффициента закрытия отверстия y от угла сдвига a модельного слитка и коэффициента вытяжки m модельного слитка:

y = 5,26 – 0,02a – 4,15m. (4)

Определили коэффициент корреляции R² = 0,89 (расчетный критерий Фишера F_р = 0,53, что меньше F_табл). Для различных коэффициентов вытяжки m построили графики зависимости коэффициента закрытия отверстия y от величины угла сдвига a (рисунок 1). На основании проведенных экспериментов можно однозначно сделать заключение, что сдвиговое мягкое обжатие обеспечивает более эффективное залечивание центральной пористости в заготовках по сравнению с линейным.

На следующем этапе исследований определяли максимально возможную степень сдвигового обжатия модельного слитка из сплава системы Pb – Bi в конце период затвердевания без появления трещин. Для сравнения получали слитки без обжатия. Для проведения эксперимента использовали устройство для моделирования сдвигового обжатия заготовок с жидкой сердцевиной при производстве непрерывнолитой заготовки [7]. Размеры металлического кристаллизатора 60´60´40 мм. Толщина подвижных плит 5 мм. Толщина клиньев при проведении эксперимента изменялась от 2 до 10 м, что обеспечивало различные величины угла сдвига. Использование клина толщиной 10 мм соответствовало углу сдвига 18°, толщиной 2 мм — углу сдвига 5°. Время приложения обжатия определяли с помощью хромель-копелевой термопары, установленной в центре кристаллизатора. Обжатие осуществляли при 330 °C, что соответствовало минимальному перегреву металла над линией ликвидуса и обеспечивало жидкую сердцевину в слитке.

После проведения эксперимента исследовали макроструктуру слитка с использованием микроскопов МПБ-2 (´24) и USB Micro. Исследование макроструктуры модельных слитков показало, что внутренние трещины в центральной зоне заготовки отсутствуют при степени деформации до 5 % и малых углах сдвига (£ 15 – 18°). При степени деформации > 5 % и углах сдвига ~ 18° периодически наблюдается развитие трещин, выходящих на поверхность слитка, что можно объяснить потерей пластичности сплава.

Выводы

1. Предложен комплексный способ улучшения качества стальной непрерывнолитой заготовки за счет пульсационной продувки металла инертным газом и в кристаллизаторе МНЛЗ и сдвигового обжатия непрерывнолитой заготовки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, подтвержденный инновационными патентами РК № 19409, № 21195.

2. Физическим моделированием выявлен характер влияния пульсационной продувки металла инертным газом на формирование кристаллизующегося металла и установлена зависимость ширины столбчатой зоны кристаллов модельной заготовки от расхода и частоты пульсаций инертного газа.

3. Физическим моделированием сдвигового обжатия непрерывнолитых заготовок в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ на модельных слитках выявлен механизм залечивания дефекта "центральная пористость" и установлено, что степень залечивания дефекта при сдвиговом обжатии выше, чем при линейном.

4. На модельных заготовках установлено, что использование сдвигового обжатия непрерывнолитой заготовки с жидкой сердцевиной для снижения осевой усадочной пористости возможно при малых степенях обжатия и углах сдвига.

Библиографический список

1. Смирнов А. Н., Пилюшенко В. Л., Минаев А. А. и др. Процессы непрерывной разливки. — Донецк : Изд-во ДНТУ, 2002. — 535 с.

2. Ворхем Дж.Л., Касино Т.А. Высокопроизводительный литейно-прокатный агрегат // Непрерывное литье стали // Материалы междун. конф. (Биарриц, 1976). Лондон 1977. Пер. с англ. М. : Металлургия, 1982. — С. 250 – 260.

3. Быков П. О., Никитин Г. М. Способ повышения качества и эффективности производства стальных непрерывных слитков // Материалы междун. научн. конф. "Первые Ержановские чтения" Т. 1. — Павлодар : ПГУ им. С. Торайгырова, 2004. С. 308 – 311.

4. Терчелли К., Дисаро Д. Непрерывное литье блюмов с мягким динамическим обжатием на заводе фирмы Posco, Корея // Металлургическое производство и технология. 2010. № 1. С 15 – 21.

5. Найзабеков А. Б., Ашкеев Ж. А., Лежнев С. Н. Роль сдвиговых деформаций в закрытии внутренних дефектов // Изв. вузов. Черная металлургия. 1999. № 10. С. 20 – 22.

6. Быков П. О. Исследование формирования однородности непрерывнолитого слитка с целью улучшения качества прокатной продукции : автореф. дис. ¼ канд. техн. наук. — Караганда, 2010. — 21 с.

7. Пат. 223127, Казахстан. Устройство для моделирования процесса прокатки при производстве непрерывнолитой заготовки / Сержанов Р. И., Быков П. О., Богомолов А. В ; заявл. 15.10.2009 ; опубл. 15.11.2010, Бюл. № 11.

8. Потапов И. Н., Полухин П. И. Технологи винтовой прокатки. — М. : Металлургия, 1994. — 488 с.