Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 66 из 88

24.7.2. Дефекты непрерывного слит­ка. В процессе избирательной крис­таллизации маточный раствор, обога­щенный примесями, оттесняется в осевую зону заготовки. Участок осе­вой пористости, отсеченный от верх­них питающих жидких слоев затвер­девшим металлом, представляет собой своеобразную полость по отношению к окружающим участкам. В эту по­лость стремятся ликваты, имеющие пониженную температуру плавления и находящиеся в жидком состоянии; вокруг ликвационного пятна образует­ся область металла, обедненного лик-вирующими примесями (так называ­емая область обратной ликвации). По-видимому, осевая пористость приводит к концентрации ликватов, образовавшихся в результате избира­тельной кристаллизации. Особенно четко осевая пористость проявляется в слитках квадратного сечения.

Образование осевой ликвации в слитках малых и больший сечений, т. е. в слитках с неразвитой и имею­щей существенное развитие зоной твердожидкого состояния, происходит по-разному. Например, на сортовых заготовках, особенно на заготовках мелких сечений из высокоуглеродис­той стали, в осевой зоне наряду с кон­центрированной пористостью наблю­дается значительная неоднородность по содержанию углерода. Химический анализ показывает, что в центральной части содержание углерода может быть на 0,1—0,3 % выше, а в зоне свет­лого кольца на 0,5—0,1 % ниже, чем в ковшовой пробе (обратная ликвация). Можно предположить следующий ме­ханизм ее образования. По мере про­движения фронта затвердевания про­исходит монотонное обогащение лик-ватами внутренних зон. Развитые транскристаллиты могут служить про­водниками для отвода тепла кристал­лизации от центральной части слитка, имеющей вид цилиндра с очень разви­той поверхностью охлаждения и по­этому затвердевающей с высокой ско­ростью. Вследствие объемной недо­статочности, наблюдающейся в мо­мент окончательного затвердевания осевой зоны, возможно отсасывание маточного раствора из прилегающих слоев, чем объясняется меньшее со­держание примесей в них. Таким об­разом, все примеси, расширяющие интервал кристаллизации (например, углерод), затрудняют получение слит­ка без таких дефектов, как осевая по­ристость и осевая ликвация.

1. Наиболее важным внешним па­раметром, влияющим на характер затвердевания и макроструктуру непре-рывнолитых заготовок, является тем­пература металла. Общее снижение температуры в объеме расплава, а так­же в локальных макро- и микрообъе­мах до температуры ликвидуса (или более низкой) способствует интенси­фикации процесса кристаллизации расплава вследствие уменьшения кри­тических размеров зародышей и уве­личения линейной скорости их роста. Исследования показали, что повыше­ние температуры металла (в ковше) на 30—40 °С увеличивает ликвацию фос­фора и углерода в 2 раза, а ликвацию серы в 2,5 раза.

2. Параметрами внешнего воздей­ствия на кристаллизующийся слиток являются также характер и интенсив­ность вторичного охлаждения: чем больше интенсивность вторичного охлаждения, тем меньше осевая лик­вация. Интенсификация вторичного охлаждения приводит к понижению температуры поверхности заготовки, ускорению роста столбчатых кристал­лов; при этом уменьшаются глубина лунки жидкого металла и раздутие за­готовок под влиянием ферростати-ческого давления. Особенно заметно положительное влияние интенсифи­кации охлаждения при отливке сля­бов. При отливке блюмовых загото­вок иногда полезно менее интенсив­ное охлаждение, так как при этом увеличивается зона равноосных крис­таллов и в заготовках из сталей с ог­раниченным интервалом кристалли­зации происходит заметное рассредо­точение осевой пористости и осевой ликвации.

Рациональная организация вторич­ного охлаждения определяется рядом факторов, в том числе формой и раз­мерами заготовки. Очень важным па­раметром, влияющим на качество за­готовки, является чистота стали от га­зов и нежелательных примесей, преж­де всего серы и примесей цветных металлов. В ряде случаев качество не-прерывнолитой заготовки ухудшается вследствие образования трещин. Раз­личают три температурные зоны по­ниженной прочности и пластичности. При этих температурах создаются ус­ловия, приводящие к образованию трещин.

Высокотемпературная зона (вблизи точки плавления). Наличие в межден­дритных пространствах жидкой фазы, затвердевающей вследствие ликвации примесей при пониженной температу­ре, обусловливает низкие значения прочности и пластичности и является основной причиной образования тре­щин при непрерывной разливке.

Промежуточная зона (900—1200 °С). Низкая пластичность стали в этой зоне связана с появлением ликваци-онных легкоплавких прослоек (суль­фидов железа, цветных металлов) по границам аустенитного зерна.

Низкотемпературная зона (700— 900 °С). Хрупкость стали в этой зоне может возникнуть в результате фазо­вых превращений при резком перепа­де температур, а также вследствие вы­делений дисперсных фаз (типа нитри­дов алюминия, ниобия, ванадия) при циклических чередованиях нагрева и охлаждения в зоне вторичного охлаж­дения.

Возникновение внутренних трещин может быть связано с появлением рас­тягивающих напряжений, превышаю­щих допустимые. В процессе прокатки непрерывнолитых заготовок с внутрен­ними трещинами несплошности ме­талла могут быть устранены. Химичес­кая неоднородность, сопровождающая трещины, проявляется в виде участков повышенной травимости. Трещины могут образовываться в кристаллиза­торе в корочке слитка почти у мениска в момент превращения -Fe—>-Fe, протекающего с уменьшением объема. Образованию трещин способствуют: неравномерность фронта кристаллиза­ции вследствие размывающего дей­ствия струи металла; дефекты в стенках кристаллизатора; снижение прочности корочки вследствие высокого содержа­ния таких элементов, как сера, фосфор и др. Наиболее чувствительны к обра­зованию трещин стали, содержащие 0,17—0,24 % С. Трещины часто распо­лагаются по складкам на поверхности слитка, образовавшимся в результате качания кристаллизатора (по следам качания). Складка обычно появляется в момент разрушения пленки, образо­вавшейся на выпуклом мениске, когда жидкая сталь переливается через верх­ний край корочки и в течение короткого промежутка времени соприкасается со стенкой кристаллизатора, после чего мениск вновь становится выпук­лым. Эксперименты показали, что продолжительность «залечивания» об­рыва корочки составляет не менее 0,3с.

24.7.3. Методы повышения качества непрерывнолитых заготовок. Высокое качество металла при непрерывной разливке обеспечивается мероприяти­ями, связанными как с работой УНРС, так и с использованием ряда способов рафинирования стали.

К числу мероприятий, связанных с работой УНРС, относятся:

1. Обеспечение заданного для дан­ной марки температурного режима разливки.

2. Подвод металла в кристаллиза­тор, исключающий размыв корочки.

3. Подбор соответствующей смазки стенок кристаллизатора и защитных смесей.

4. Контроль состояния поверхнос­ти стенок кристаллизатора.

5. Соблюдение центровки и техно­логической оси УНРС.

6. Создание конструкции кристал­лизатора, обеспечивающей наиболее продолжительный контакт оболочки слитка со стенками (оптимальная ко­нусность и проч.).

7. Обеспечение оптимального ре­жима вторичного охлаждения.

8. Контроль работы опорных и тя­нущих устройств с целью предотвра­тить деформацию оболочки не полно­стью затвердевшего слитка.

К числу мероприятий по рафини­рованию, подготовке к непрерывной разливке и последующей обработке стали относятся:

1. Удаление из стали вредных при­месей, прежде всего серы, фосфора и примесей цветных металлов.

2. Внепечная обработка стали, обя­зательная продувка металла в разли­вочном ковше инертным газом и наве­дение на поверхности металла шлака, предохраняющего металл от вторич­ного окисления.

3. Перелив металла из разливочно­го в промежуточный ковш. Эту опера­цию проводят таким образом, чтобы исключить влияние: а) атмосферы на струю металла, вытекающего из разли-

393

Рис. 24.14. Варианты конструктивного решения уплотнений между раз­ливочным и промежуточным ковшами:

/ — разливочный ковш; 2— пневмоцилиндры; 3 — промежуточный ковш; 4— пат­рубок для присоединения измерителя содержания кислорода в защитной атмосфе­ре; 5— уплотнительные устройства; 6— слой защитного шлака
вечного ковша, и б) перемешивания металла со шлаком в промежуточном ковше на загрязнение металла неме­таллическими включениями. Решение первой задачи возможно при исполь­зовании различных способов защиты. На рис. 24.14, а показана конструкция промежуточного ковша с подъемной воронкой; газовое уплотнение создают между ней и разливочным ковшом, поверхность металла в промежуточ­ном ковше покрыта защитным слоем. В конструкции, приведенной на рис. 24.14, б, подача металла осуще­ствляется через пространство, запол­ненное аргоном или азотом (через «за­весу»).

Решение второй задачи возможно несколькими путями: увеличить вмес­тимость промежуточного ковша; ис­пользовать промежуточный ковш с разделительными стенками-перего­родками, обеспечивающими хорошее разделение металла и попадающих в ковш шлаковых частиц; способ наве­дения в промежуточном ковше шлака, для чего вводят добавки соответствую­щего состава. Шлак должен обеспечи­вать термоизоляцию стали, защиту ее от окисления атмосферным воздухом и абсорбцию неметаллических вклю­чений. Составы вводимых добавок оп­ределяются рядом факторов: составом и степенью чистоты стали, характером образующихся при раскислении вклю-

394

чений, составом и свойствами футе­ровки и т. п. Например, для практики работы заводов Японии, для которой характерна разливка металла, сравни­тельно чистого от включений, типич­ные составы флюсов, %: CaF₂ 5—20; СаО 40-50; MgO 5-10; SiO₂5-10; А1₂О₃ 10—30. При разливке сталей с большим количеством образующихся в процессе раскисления включений глинозема флюсы должны содержать большие количества CaF₂ и SiO₂. По­скольку шлаки, обладающие высокой абсорбционной способностью, явля­ются агрессивными по отношению к футеровке, разрабатывают технологии и конструкции, позволяющие иметь шлаки различающегося состава в зоне заливки металла и в зоне, прилегаю­щей к футеровке. Важной характерис­тикой является вязкость шлака: слиш­ком большая вязкость ухудшает абсорб­цию включений, слишком низкая — создает условия для попадания шлака в кристаллизатор.

4. Защита от окисления струи ме­талла, вытекающей из промежуточно­го ковша, применение удлиненных затопленных разливочных стаканов, защита поверхности металла в крис­таллизаторе слоем шлака, ассимили­рующим всплывающие неметалличес­кие включения и обеспечивающим в определенной мере смазку поверхнос­ти кристаллизатора, предохраняющую

от зависания заготовки и образования поперечных трещин.

5. Особые методы воздействия на кристаллизующийся металл (электро­магнитное перемешивание жидкого металла в кристаллизующейся заго­товке, обработка ультразвуком и др.).

24.8. СПОСОБЫ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КРИСТАЛЛИЗУЮЩИЙСЯ МЕТАЛЛ

24.8.1. Электромагнитное перемешива­ние (ЭМП). Первые опыты по электро­магнитному перемешиванию металла при непрерывной разливке были про­ведены еще в 50-е годы минувшего века. В настоящее время этот метод получил широкое распространение. ЭМП ис­пользуется для решения двух задач:

1. Изменение внутреннего строе­ния заготовки (измельчение структу­ры, снижение степени ликвации в средней и центральной частях, умень­шение центральной пористости).

2. Улучшение поверхности заготов­ки (снижение числа поверхностных дефектов, количества неметалличес­ких включений в поверхностном слое, повышение толщины наружной плот­ной корочки).

Механизм воздействия на металл при решении первой задачи основан на снижении перегрева, обламывании ветвей дендритов и создании циркуля­ции металла в жидкой сердцевине (рис. 24.15). Решение второй задачи связано с созданием потоков на по­верхности металла в кристаллизаторе и с улучшением условий выделения включений. В первом случае ЭМП осуществляется в зоне вторичного ох­лаждения; при этом можно создать либо вращающееся, либо бегущее маг­нитное поле. Во втором случае индук­тор размещается в самом кристаллиза­торе (рис. 24.16).

В основном применяют два вида перемешивания: круговое (вращатель­ное) и осевое. Круговое применяют главным образом в кристаллизаторах сортовых УНРС, так как оно способ­ствует удалению включений от поверх­ности заготовок, улучшению теплоотвода и уменьшению вероятности про­рыва корочки.

В настоящее время начали с успе­хом применять методы многоступен­чатого ЭМП, когда в кристаллизаторе и вблизи конца жидкой лунки непре-рывнолитой заготовки устанавливают оборудование для вращательного, а в средней части УНРС — для осевого перемешивания. Входит в практику непрерывное ЭМП, при котором обеспечивают движение жидкого ме­талла ниже кристаллизатора у стенок заготовки вниз, в осевой зоне вверх, а в кристаллизаторе, наоборот, у стенок заготовки вверх, а по оси вниз. Мак­симальный эффект получается, когда перемешивание осуществляют и в кристаллизаторе, и в зоне вторичного охлаждения, и перед обжимными ро­ликами.

В начале 80-х годов XX в. создан новый способ электромагнитного воз­действия на металл — способ так на­зываемого электромагнитного тормо-



Рис. 24.15. Изменение формы растущего дендрита в зависимости от ха­рактера потока металла у фронта кристаллизации:

/ — без потока; 2 и 3 — ламинарный и турбулентный потоки соответственно



Рис. 24.16. Схемы систем ЭМП, используемых на сортовых (заготовочных)

и блюмовых УНРС

жения¹. Оборудование включает ком­плекты расположенных вдоль каждой из широких стенок кристаллизатора намагничивающих катушек, при включении которых возникает посто­янный ток большой силы, создающий магнитное поле. Поле замедляет скорость поступающей в кристалли­затор струи стали, благодаря чему неметаллические включения успевают всплыть на поверхность мениска. Осо­бенно полезно электромагнитное тор­можение на радиальных УНРС, на ко­торых при повышении скорости раз­ливки возрастает опасность выделения включений на внутреннем радиу­се заготовки. Применение электро­магнитного торможения позволило повысить скорость разливки на 30 % без увеличения загрязненности метал­ла включениями (рис. 24.17).
¹ Разработчики дали способу обозначение EMBR (Electromagnetic Brake).
24.8.2. Воздействие ультразвуком и электрическими разрядами. Энергия ультразвука (УЗ), воздействующая на расплав, меняет кинетику процесса; при УЗ-воздействии наблюдают уси­ление перемешивания жидкой фазы, обламывание растущих кристаллов. Испытан ряд способов организации воздействия ультразвуком: через зер­кало расплава в кристаллизаторе, че­рез оболочку затвердевающего слитка в зоне вторичного охлаждения, через направляющие ролики (рис. 24.18), через водоохлаждаемую ультразвуко­вую воронку и др.

Специалисты УкрНИИмет и ПКБ электрогидравлики АН Украины на ряде металлургических заводов успеш­но исследовали способ воздействия на кристаллизующуюся середину заго­товки электроразрядного генератора упругих колебаний (ЭРГУК). ЭРГУК представляет собой закрытую камеру с циркулирующей в ней водой низкого омического сопротивления и поме­щенным в ней электродом.

В камерах ЭРГУК, расположенных на нескольких уровнях по высоте и ширине непрерывной заготовки и плотно прижатых мембранами к ее поверхности, периодически создаются электрические разряды. Генерируе­мые ими колебания широкого спектра



Рис. 24.17. Схема электромагнитного тормо­жения EMBR (Electromagnetic Brake) (В — направление статического магнитного поля, /—электрический ток):

а, б— вид на широкую и узкую стороны сляба соответственно



Рис. 24.18. Схема организации УЗ-воздей-

ствия на кристаллизующийся непрерывный

слиток:

1 — кристаллизующийся слиток; 2 и 3 — направляю­щие ролики; 4— вибратор



Рис. 24.19. Принципиальная схема пульса-ционного перемешивания жидкой фазы слитка и движения потоков в выталкиваю­щей (а) и всасывающей (б) фазах пульсаци-онного цикла:

/ —зона движения металла, вытесненного из погру­жаемой трубы; 2— зона направленных ламинарных потоков; 3 — область рециркуляционных потоков; 4— зона стабильной турбулентности
через мембраны передаются оболочке заготовки и ее жидкой сердцевине. Ре­зультатом является повышение струк­турной химической и физической од­нородности металла слитка.

Из известных на практике спосо­бов принудительного перемешивания следует отметить также метод пульсационного перемешивания, заключаю­щийся в периодическом вытеснении порций металла из внутренней полос­ти огнеупорной трубы, погруженной в прибыль слитка (рис. 24.19).

24.8.3. Воздействие вибрации. Под воздействием колебаний возрастает давление жидкого металла на расту­щие кристаллы. В результате их разру­шения образуются дополнительные центры кристаллизации. В свою оче­редь, это приводит к повышению ско­рости кристаллизации и уменьшению продолжительности коагуляции вклю­чений.

24.8.4. Искусственные холодильники и модификаторы. При воздействии микрохолодильников и модификато­ров (например, РЗМ) создаются до­полнительные центры кристаллиза- ции в жидкой фазе слитка, причем об­разование зародышей равноосных кристаллов может произойти за зоной концентрационного переохлаждения, где металл чище и имеет более высо­кую температуру плавления.

Одним из новых способов органи­зации внешнего воздействия на крис­таллизующийся металл является спо­соб искусственного создания допол­нительных центров кристаллизации путем использования так называемых водоохлаждаемых виброхолодильников (ВВХ). Схема ВВХ, разработанная проф. А. А. Скворцовым, показана на рис. 24.20. При опускании головки ВВХ в кристаллизатор на ее рабочей поверхности происходит непрерывное намерзание корки, которая под дей­ствием вибрации непрерывно разру­шается, что приводит помимо сниже­ния перегрева расплава к появлению дополнительных центров кристалли­зации. Усилиями ученых Института электросварки им. Патона, Института проблем литья Украины и специалис­тов ряда заводов разработана техноло­гия получения новых металлических конструкционных материалов — арми­рованных квазимонолитных материалов процессом АКМ (рис. 24.21).

Применительно к непрерывной разливке процесс АКМ позволяет уп­равлять структурой непрерывнолитой заготовки посредством введения в жидкий расплав в кристаллизатор ар­мирующего вкладыша в виде лент, сетки, прутков и др. Помимо подавле­ния ликвационных явлений и повы-



Рис. 24.20. Схема водоох­лаждаемых виброхолодиль­ников (ВВХ):

У —медная конусообразная го­ловка; 2 — вибратор; 3 — вода

Рис. 24.21. Схема отливки АКМ слитка с внутрен­ними кристалли­заторами:

1 — кристаллизатор (изложница); 2 — внутренний крис­таллизатор (вкла­дыш); 3— разливае­мый металл


шения плотности металла такая техно­логия позволяет увеличить скорость разливки и соответственно повысить производительность установок.

24.8.5. Разливка с механическим пе­ремешиванием приводит к заметному изменению характера теплоотвода че­рез кристаллизатор: при разливке ста­ли удельные тепловые потоки увели­чиваются по всей высоте кристаллиза­тора, причем заметно расширяется зона максимального теплоотвода, а также ускоряется снятие перегрева жидкой фазы: температура поверхнос­ти слитка на 50—70 "С выше, чем при разливке обычным способом. Важным следствием механического перемеши­вания жидкой стали в кристаллизаторе является уменьшение неравномернос­ти толщины твердой корки по пери­метру слитка.

24.8.6. Рациональная организация вторичного охлаждения. Роль вторич­ного охлаждения в возникновении де­фектов стали огромна. Опыт показал, что обычные методы вторичного ох­лаждения путем подачи воды в виде капель, которые сбивают паровую ру­башку, малоэффективны. Капли име­ют большие размеры, область охлаж­дения мала, причем в ней возможны значительные термические удары, вы­зывающие трещинообразование. Для оптимизации вторичного охлаждения используют метод охлаждения путем подачи водно-воздушной эмульсии, заключающейся в распылении охлаж­дающей воды потоком воздуха, в ре­зультате чего вода распыляется на час­тицы диаметром 20—100 мкм и пере­носится на охлаждаемую поверхность заготовки с большой скоростью в виде облака (тумана). Интенсивное распы­ление увеличивает зону охлаждения, повышает его равномерность и упоря­доченность. При этом достигается уменьшение степени сегрегации и об­разования трещин, заметно уменьша­ется глубина жидкой лунки.

На современном этапе развития металлургии ведется активный поиск новых путей организации внешнего воздействия на металл в процессе его кристаллизации.


24.9. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ
Во всех современных вертикальных УНРС поток стали, вытекая из проме­жуточного ковша, порождает в зоне мениска гидродинамическое турбу­лентное движение. Поскольку подоб­ная зона расположена в медном крис­таллизаторе, турбулентные потоки нарушают начало кристаллизации и ведут к ухудшению качества поверх­ности и приповерхностной области слитка. К основным, связанным с эти­ми дефектами, относятся: поверхност­ные трещины из-за гетерогенной теп­лопередачи, поглощение шлакообразующей смеси, наличие глубоких сле­дов качания и гетерогенной структуры кристаллизации.

Связь между началом кристаллиза­ции и возмущениями в мениске явля­ется в настоящее время основным ог­раничителем процесса непрерывной разливки. В связи с этим был органи­зован научный поиск новых техноло­гических путей для питания кристал­лизатора, для смещения этого огра­ничения вверх и повышения таким образом качества продукции непос­редственно после отливки. Совмест­ными усилиями западноевропейских институтов CRM и IRSID разработана новая технология для питания крис­таллизаторов вертикальных УНРС, названная разливкой без мениска. Та­кая технология направлена на улучше­ние как поверхности слитка, так и его приповерхностной области.

Основная идея заключается в сме­щении зоны мениска вверх от зоны кристаллизации таким путем, чтобы форма и гидродинамические возмуще­ния в мениске не оказывали больше влияния на кристаллизацию стальной оболочки. При такой концепции огне­упорная питающая насадка для удер­жания столба жидкой стали располо­жена выше кристаллизатора.

Кристаллическая структура, полу­чаемая при разливке без мениска, го­раздо тоньше, чем у слитка, разлитого обычным способом. Структура весьма гомогенна и воспроизводима анало­гично поверхности слитка. При раз­ливке без мениска расстояние между осями дендритов уменьшено вдоль первых 10 мм от поверхности слитка в 1,5 раза. Это означает, что скорость кристаллизации гораздо выше не только в начале процесса кристалли­зации, но и ниже в кристаллизаторе. Это можно объяснить тем, что ферро-статическое давление при разливке без мениска гораздо выше, чем на обычной УНРС. Следовательно, усло­вия теплообмена оказываются более упорядоченными, а контакт между оболочкой и кристаллизатором — бо­лее совершенным.

При разливке без мениска размер первичного зерна уменьшился в срав­нении с обычной разливкой в 4 раза. Данный эффект наблюдается и на рас­стоянии 5 мм от поверхности слитка. Причем, поскольку размер зерна уменьшен, границы зерна распределе­ны в структуре более равномерно. Та­ким образом удалось снизить тенден­цию к растрескиванию во время горя­чей прокатки.

Оптимальная конфигурация крис­таллизатора (рис. 24.22), отработанная в процессе исследований, содержит:

1) огнеупорную питающую насад­ку, изготовленную из двух частей: ре­зервуара и соединительного кольца;

2) устройство газовой инжекции между огнеупором и медью;

3) усовершенствованную систему охлаждения верхней части медного кристаллизатора;

4) устройство для подачи специаль­ной смазки;

5) устройство обычного качания кристаллизатора.

Огнеупорная питающая насадка выполняет две функции: 1) вмещает



Рис. 24.22. Разливка без мениска (оптималь­ная конфигурация кристаллизатора):

/ — резервуар с жидкой сталью; 2 — соединительное кольцо; 3 — УЗ-привод; 4— мениск; 5—инжекция газа; 6— закристаллизовавшаяся оболочка; 7— охлаждение верха кристаллизатора; 8— качание кристаллизатора; 9— жидкая смазка
столб жидкой стали, находящейся выше кристаллизатора (функция резер­вуара)', 2) обеспечивает хорошее соеди­нение с медным кристаллизатором. Ко­роткие временные интервалы между сериями в обычных промышленных УНРС не позволяют использовать по­догрев питающей насадки. Поэтому выбранный материал должен обеспе­чивать хорошую тепловую изоляцию вместе с хорошей термостойкостью.

Назначение соединительного коль­ца сводится к предотвращению воз­можных возмущений: сталь должна кристаллизоваться в самой верхней части медного кристаллизатора. Бла­годаря наличию кольца обеспечивает­ся хорошая граница между жидкой и твердой сталью.

При разливке без мениска требуе­мое расположение фронта кристалли­зации обеспечивается следующими средствами теплового барьера:

6) огнеупорное соединительное кольцо строго ориентировано по от­ношению к внутренней поверхности медного кристаллизатора;

7) верхняя часть кристаллизатора спроектирована таким образом, чтобы обеспечить отвод большого теплового потока от стали сразу же с первых мо­ментов ее контакта с кристаллизатором;

8) между медью и огнеупором ин­жектируется инертный газ; газовая инжекция на границе между медью и огнеупором выполняется через непре­рывные щели, оборудованные между этими двумя материалами. Такая ин­жекция имеет двойной эффект: 1) со­здает тепловой барьер между медным кристаллизатором и соединительным кольцом; 2) «переплавляет» дендриты, пытающиеся расти из верхней части кристаллизатора.

Смазка раздела медь/сталь обеспе­чивается наличием смазки на менис­ке. При движении вниз слитка по мере качания кристаллизатора реализуется эффект «насоса», обеспечивающий перемещение смазки. Подобная тех­нология неприменима для разливки без мениска. В связи с этим было раз­работано специальное устройство для подачи смазки, основанное на двух технологиях. В результате:

1) смазка впускается примерно на половине высоты кристаллизатора че­рез множество мелких отверстий вдоль горизонтальной линии;

2) подача смазки осуществляется через стенки кристаллизатора;

3) смазка проникает в зазор между медным кристаллизатором и стальной оболочкой;

4) воздействуя на расход, можно получить некоторый подъем смазки над уровнем инжекции;

5) силы трения в кристаллизаторе значительно снижаются при инжек­ции смазки;

6) для смазки самого верхнего учас­тка в кристаллизаторе применена тех­нология УЗ-колебаний;

7) на каждой стороне кристаллиза­тора установлено по одному источни­ку УЗ-колебаний;

8) обычно частота колебаний со­ставляет 15—20 кГц;

9) амплитуда колебаний вдоль крис­таллизатора изменяется от 2 до 8 мкм;

10) подобная технология имеет тройной эффект: увеличивается теп-лоотвод от кристаллизатора, повыша­ется стабильность условий кристалли­зации и уменьшаются силы трения.

24.10. РОЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША НА УНРС
Современный промежуточный ковш снабжен приспособлениями, позво­ляющими: устранить влияние таких источников загрязнения, как эрозия огнеупоров, повторное окисление, взаимодействие с ковшовым шла­ком; обеспечить всплывание и отде­ление неметаллических включений в результате правильной организации движения металла, исключающей появление застойных зон и укоро­ченных путей; обеспечить исполь­зование дополнительных технологи­ческих приемов — продувки инерт­ными газами, применения специаль­ных крышек и покровных флюсов, размещения порогов и фильтров, ре­гулирования температуры, проведе­ния раскисления и микролегирова­ния стали. Для выполнения этих функций промежуточные ковши оборудуют датчиками, сигнализиру­ющими о концентрации кислорода и азота в жидком металле, об основно­сти шлака, о температуре металла. Разрабатываются электромагнитные, электрические, световые, звуковые, вибрационные анализаторы и управ­ляющие системы, позволяющие: по­лучить информацию о количестве не­металлических включений и их рас­пределении по размерам; об уровне металла в промежуточном ковше; о появлении шлака в выпускном отвер­стии ковша или на поверхности ме­талла в промежуточном ковше; о про­цессах десульфурации и раскисления летучими элементами (например, кальцием) по ходу разливки.

Особое внимание придается такому новому способу рафинирования ме­талла, как фильтрация включений при пропускании металла через специаль­ные отверстия в перегородках, уста­навливаемых во внутренней полости промежуточного ковша (см. гл. 20).

Полное использование возможностей промежуточного ковша делает его важнейшим и очень гибким звеном в процессе производства стали повы­шенной чистоты.

В промежуточном ковше, в кото­ром осуществляется активное переме­шивание металла газом, посредством специальной расстановки перегоро­док можно дополнительно легировать металл. При этом, если перемешива­ние организовано лишь в одной части ковша, а в другой течение металла спокойное, можно присаживать фер­росплавы только в турбулентную зону и получать на двухручьевой УНРС ста­ли разного состава из одной плавки. Можно легировать сталь азотом, пода­вая его в верхнюю часть удлиненного погружного стакана. Подогрев метал­ла в промежуточном ковше можно осуществлять при помощи индукци­онного нагревателя канального типа, обеспечивающего поддержание посто­янной температуры металла в преде­лах ±2,5 ºС в течение 120 мин разлив­ки. С той же целью используют плаз-матрон, при помощи которого можно также осуществлять локальный подо­грев, создавая различные условия вблизи выпускных отверстий ковша.

В последнее время для нагрева ме­талла все чаще используют метод од­новременного ввода в металл алюми­ния (в виде проволоки, дроби и т. п.) и подачи кислорода¹. Реакция 2 А1 + 1,5 О₂ = А1₂О₃ экзотермическая (-ΔН º₂₉₈ =1678,5 кДж/моль). При окис­лении 1 кг алюминия на 1 т жидкой стали выделяется теплота 31 052 кДж.

По данным ЦНИИЧМ и Мариу­польского комбината им. Ильича (где используют данную технологию), сго­рание в токе кислорода 1 кг А1 на 1 т стали приводит к повышению темпе­ратуры металла в ковше на 38 °С.

Проведенное на комбинате иссле­дование позволило установить, что из образующегося при химическом подо­греве А1₂О₃ в стальном листе остается не более 4 %, остальные 96 % глинозе­ма удаляются из металла в процессе продувки аргоном и кислородом, при выдержке в ковше и при разливке.
¹ В технической литературе такой метод часто называют методом химического подо­грева.
По мере развития и распростране­ния разливки методом «плавка на плавку», а также по мере увеличения скоростей разливки и требований по­вышения качества вместимость про­межуточных ковшей возросла. Опыт показал, что при этом получено суще­ственное улучшение в вопросах отде­ления и удаления включений.

Самый крупный промежуточный ковш емкостью 70т и глубиной жид­кой ванны 1,4м был установлен в 1986 г. на заводе Burns Harbor (шт. Индиана, США). Ковши на других со­временных установках имеют емкость 45-60 т. Самая глубокая ванна жидко­го металла у промежуточного ковша установки завода Indian Harbor (США) — 1,52 м. Считается, что круп­ный ковш обеспечивает постоянство скорости разливки при смене разли­вочного ковша без опасения затягива­ния шлака. Большой ковш дает воз­можность применить конструкцию ковша с несколькими порогами и раз­делительными перегородками, умень­шить объем неперемешиваемой зоны. Кроме того, облегчаются условия всплывания включений.

Выбору размеров ковша предше­ствуют исследовательские работы. Так, например, специальное исследо­вание, имеющее целью установить оп­тимальные размеры и форму проме­жуточного ковша, было проведено применительно к условиям конвер­терного цеха завода Inland Steel (США). Установка представляет собой двухручьевую УНРС; каждый ручей имеет два разливочных стакана и ис­пользуется для отливки сдвоенных блюмов 381x508 мм. Максимальная скорость разливки 0,77 м/мин, ем­кость промежуточного ковша 45 т. Эк­сперименты проводили на специально созданной водяной модели, изменяя количество и взаимное расположение порогов, разливочных стаканов и по­гружаемых сопел (рис. 24.23). Пред­почтительным оказался последний (нижний на схеме) вариант, обеспечи­вающий лучшее удаление включений (в этом случае пороги у днища долж­ны иметь отверстия, чтобы обеспечить полное вытекание металла из ковша). В течение всей разливки необходимо поддерживать в промежуточном ковше наибольшую глубину ванны метал­ла, чтобы максимально облегчить флотацию включений и уменьшить вероятность образования вихрей. Экс­перименты показали, что оптималь­ным является опускание перегородок в металл на 0,55 мм при высоте поро­гов 0,3м (глубина ванны металла в ковше 1м). На рис. 24.24 показан сконструированный на основе прове­денных исследований промежуточный ковш.



Рис. 24.23. Испытанные варианты взаимного

расположения перегородок и порогов на

промежуточном ковше:

/—перегородки; 2—пороги; 3 — разливочные ста­каны



Рис. 24.24. Устройство 45-т промежуточного ковша УНРС завода Inland Steel:

/ — покрытие из MgO; 2—высокоглиноземистый

материал; 3 — арматурный слой; 4— изоляционный

слой

Среди проблем защиты металла от загрязнений особую роль играет чис­тота ферросплавов и других материа­лов, вводимых в кусках, в виде блоков, в порошкообразном состоянии, в виде проволоки и т. д. Суммарное содержа­ние (О + N) в обычных ферросплавах часто находится на уровне -0,2 %, и это удовлетворяет сталеплавильщи­ков, работающих в традиционном производстве. При получении ультра­рафинированных сталей необходимы ферросплавы, содержащие -0,005 % (О + N). Это необходимо учитывать, как и то, что к числу главных проблем относится организация защиты жид­кого металла от контактов с воздухом. Как известно, сера является поверхно­стно-активной примесью стали. Чем меньше остается в металле поверхнос­тно-активных примесей, тем с боль­шей интенсивностью идет процесс по­глощения струей металла составляю­щей атмосферы, прежде всего азота. При содержании серы <0,01 % ско­рость поглощения металлом азота рез­ко возрастает; по мере снижения со­держания кислорода то же самое спра­ведливо по отношению к абсорбции водорода.

На рис. 24.25 представлены различ­ные варианты защиты металла на пути от сталеразливочного ковша к проме­жуточному. Наиболее простым явля­ется способ защиты в виде колодца с подачей в его полость аргона (рис. 24.25, а), однако при этом не до­стигается требуемый уровень сниже­ния азотирования.

Техническое выполнение комплек­са устройств и приспособлений для предотвращения контакта жидкой стали с воздухом в процессе непре­рывной разливки на различных заво­дах неодинаково. На рис. 24.26 пока­зана схема организации комплексной защиты струи металла на пути от ста­леразливочного ковша до кристалли­затора. Можно считать, что комплекс мер, включающий отсечку шлака (в печи, в конвертере), исключение кон­такта стали с конечным шлаком, вне-печную обработку в ковше и предотв­ращение вторичного окисления, спо­собствует снижению количества включений в стали на 80 %. Таким об­разом, проблема защиты поверхности



Рис. 24.25. Способы защиты струи металла (а—г) между сталеразливочным 1 и промежу­точным 2 ковшами (J —шиберный затвор)



Рис. 24.26. Схема установки промежуточного ковша на заводе Sanya Special Steel Co.:

/ — промежуточный ковш; 2— водоохлаждаемые рамы; 3 — кристаллизатор УНРС
металла решается при одновременном действии двух мер: исключении кон­такта с атмосферой и обеспечении по­крытия металла шлаком требуемого состава.

Введение флюса в промежуточный ковш необходимо для термоизоляции стали, защиты ее от взаимодействия с атмосферой и абсорбции включений. Для выполнения этого в идеале требу­ются два слоя флюса: малотеплопро­водного порошка (для решения пер­вой задачи) и жидкого слоя (для реше­ния двух других). Очень важным свой­ством флюса для промежуточного ковша является вязкость. Слишком большая вязкость ухудшает абсорб­цию включений, слишком низкая приводит к попаданию шлака в крис­таллизатор. Оптимальный состав флюса выбирают с учетом конкретных условий. Во многих случаях требуются флюсы с высокой способностью аб­сорбции глинозема. В этом случае флюсы должны содержать больше CaF₂ и SiO₂. К сожалению, флюсы, обладающие высокой абсорбционной способностью, являются агрессивны­ми в отношении к футеровке.

При использовании промежуточ­ных ковшей с перегородками возмож­ным выходом можно считать исполь­зование двух флюсов: простой извест-ково-глиноземистой добавки в зоне заливки металла и более сложного, с низким содержанием А1₂О₃ в осталь­ной зоне.

Для создания покровного слоя в промежуточном ковше используют са­мые разные материалы. Серия экспе­риментов, проведенных различными исследователями, показала следую­щее: 1) по мере увеличения основнос­ти шлака способность его поглощать влагу из атмосферы растет; 2) по мере увеличения основности шлака ско­рость диффузии водорода через повер­хность шлак—металл растет; 3) ско­рость абсорбции водорода металлом из основного шлака, подвергнутого воздействию влажной атмосферы, больше, чем скорость абсорбции ме­таллом, напрямую контактирующим с атмосферой, т. е. в отсутствие шлака.

Приведенное выше может быть объяснено быстрым повторным окис­лением, которое происходит, когда ме­талл подвергается прямому воз­действию воздуха. Высокие кон­центрации кислорода на поверхности раздела сталь—газ (кислород)—по­верхностно-активный компонент пре­пятствуют снижению скорости абсорб­ции водорода. Эта защита не реализу­ется, когда металл покрыт шлаком, ко­торый в данном случае действует как «газоход» для транспортировки водо­рода из атмосферы в сталь. Результаты показывают, что, хотя шлак необходим для защиты от окисления и поглоще­ния продуктов реакции, существуют определенные границы этого дей­ствия, и пределы этих границ необходимо определять в каждом конкретном случае, поскольку, с одной стороны, основные шлаки полезны для удаления силикатов, алюминатов, глинозема, а также для десульфурации, но, с другой стороны, они могут быть вредны, когда при избыточной основности начинает­ся поглощение водорода. Приведен­ные примеры показывают, что пробле­ма выбора оптимальных составов шла­ков, наводимых в промежуточном ков­ше, .еще далека от универсального решения.

Непрерывнолитые заготовки имеют тогда высокую степень чистоты по не­металлическим включениям, когда при полном освобождении ковша от метал­ла при непрерывной разливке подряд нескольких плавок не происходит по­ступления шлака из сталеразливочного ковша в промежуточный. В условиях постоянного перемешивания, вызыва­емого струей поступающей стали, эмульгированный шлак отделяется от металла в промежуточном ковше очень медленно. Путем моделирования на больших водяных моделях установле­но, что при свободном истечении над разливочным стаканом возникает вра­щающаяся воронка. Она образуется тем раньше, чем интенсивнее вращает­ся жидкость. Кроме того, может воз­никнуть и невращающаяся воронка, если объем истекающей стали меньше, чем пропускная способность стакана. Приходится учитывать, что даже тогда, когда в промежуточном ковше наведен синтетический шлак нужного состава, в случае продолжительной разливки в наведенном шлаке может постепенно возрастать активность оксидов железа и марганца. Ситуация также может из­мениться при попадании в промежу­точный ковш шлака из сталеразливоч­ного ковша.

На заводах качественной метал­лургии разработаны различные вари­анты решений для исключения таких случаев.

24.11. ПРОДУВКА МЕТАЛЛА ГАЗАМИ, ВАКУУМНАЯ ДЕГАЗАЦИЯ
В настоящее время практика про­дувки металла газами получила доста­точно широкое распространение. Способы введения газа (как правило, аргона) различны: 1) через днище про­межуточного ковша; 2) в стакан про­межуточного ковша; 3) в месте стыка стакана промежуточного ковша и по­гружного стакана; 4) в погружной ста­кан; 5) через стопор; 6) в жидкий ме­талл в кристаллизаторе.

24.11.1. Продувка газами в промежу­точном ковше. Инжекция инертного газа в промежуточный ковш чаще все­го осуществляется через пористые блоки или вставки, установленные в днище ковша. Пористый огнеупор­ный блок может выполняться во всю ширину ковша с подведением газа че­рез камеру, прикрепленную к кожуху ковша. При этом поднимающиеся вверх пузыри инжектируемого газа со­здают защитный экран перпендику­лярно потоку металла. Установка по­ристого блока в виде кольца, примы­кающего к наружной стенке стакана промежуточного ковша, дает возмож­ность обрабатывать весь металл перед его попаданием в кристаллизатор. Ин­жекция происходит через пористую вставку, имеющую, например, форму усеченного конуса, или вставку, со­стоящую из пористого цилиндра, по­мещенного внутрь газоплотного мате­риала. Внутренний пористый цилиндр может иметь резьбу и навинчиваться на металлическую трубку, через кото­рую подводится газ.

24.11.2. Подача газов в стакан про­межуточного ковша. Инжекция газа та­ким способом позволяет в значитель­ной степени устранить снижение ско­рости и исключить случаи прекраще­ния разливки вследствие зарастания стакана. Кроме того, при этом снижа­ется количество подкорковых пузырей и неметаллических включений, обра­зовавшихся из продуктов вторичного окисления и частиц шлака из проме­жуточного ковша. Положительный эффект инжекции реализуется при оптимальном ведении процесса раз­ливки и прежде всего при определен­ном сочетании скорости разливки и расхода инжектируемого газа. Так, большая подача газа может затормо­зить движение струи металла, привес­ти к ее разбрызгиванию и созданию нежелательного «кипения» покровно­го шлака в кристаллизаторе.

24.11.3. Подача газов в зону стыка стакана промежуточного ковша и по­гружного стакана. Инжекция газов на этом участке разливочного тракта осу­ществляется либо через пустотелую шайбу, либо через газопроницаемое огнеупорное кольцо, укрепленное гер­метично между стаканом промежуточ­ного ковша и погружным стаканом. Инжектирование газа в зону стыка ста­кана и промежуточного ковша и по­гружного стакана можно рассматри­вать как средство защиты разливаемого металла от вторичного окисления кис­лородом воздуха. Инжектирование газа в шиберный затвор, регулирующий по­ступление металла из промежуточного ковша в кристаллизатор, через порис­тую вставку в шиберной плите можно рассматривать как инжекцию в зону стыка стакана промежуточного ковша и погружного стакана.

24.11.4. Вдувание в погружной ста­кан. Инжекция газа в погружной ста­кан производится через отверстие в боковой стенке стакана, либо через пористый элемент, выполненный в виде вставки в стенку или дно стакана, или в виде кольца, помещенного внутрь стакана. Разработан способ подвода газа к сталевыпускному от­верстию погружного стакана через ка­нал, выполненный в его боковой стен­ке. Для повышения эффективности инжектирования предлагается вводить газ через серию отверстий в стенках стакана; в последнем случае отверстия выполняются под углом 40-60° к вер­тикали, а проекции их в горизонталь­ной плоскости расположены парал­лельно осям поперечного сечения ста­кана на расстоянии от них, равном 0,5-0,9 радиуса его канала.

Имеются конструкции, в которых инертный газ подводится к поверхно­сти канала по коллектору, выполнен­ному в стенке стакана на уровне, при­мерно соответствующем уровню ме­талла в кристаллизаторе. В результате весь металл, протекающий через вер­тикальный канал погружного стакана, насыщается пузырями инертного газа и выходит в кристаллизатор через бо­ковые отверстия стакана. Стакан вы­полнен из огнеупора, устойчивого против коррозии металлом, — глино-земографита. Высокая стойкость в шлаковом поясе достигается пропит­кой поверхности стакана смолой или пеком.

Применение такого стакана с пре­дусмотренным ижектированием газа позволяет разливать пять-шесть пла­вок из 250-т сталеразливочного ковша без замены стакана. При этом исклю­чается возможность затягивания ста­кана, т. е. нет необходимости в его прожигании. Инжекция газа в погруж­ной стакан эффективна при рафини­ровании от неметаллических включе­ний, а также для благоприятного рас­пределения включений по сечению отлитой заготовки, улучшения гидро­динамики потока металла вследствие снижения скорости проникновения последнего в жидкую лунку слитка; благодаря инжекции газа в стакан уда­лось сократить образование трещин на прокатанных листах и повысить их физико-механические свойства.

24.11.5. Продувка через стопор. Газ подают через сквозной канал в стопо­ре с выходом в отверстие в нижней (регулирующей дозирование металла в кристаллизатор) части через серию отверстий или через газопроницае­мую вставку. При этом стопор может быть либо в традиционном исполне­нии (сборный из трубок и пробки), либо (и это наиболее распростране­но) в виде цельного стопора-моно­блока. Инжекция может проводиться так, чтобы весь газ направлялся через стакан промежуточного ковша в по­гружной стакан в кристаллизатор, т. е. в направлении потока разливае­мого металла, или часть газа направ­ляется вверх к покровному шлаку в промежуточном ковше, т. е. навстре­чу потоку металла.

Выход инжектируемого газа вниз позволяет полностью использовать газ, т. е., очевидно, имеется в виду максимальный рафинирующий эф­фект в результате более длительного контакта пузырей газа с металлом на всем тракте разливки. При подаче газа к слою покровного шлака в про­межуточном ковше можно ожидать отсечки и захвата частиц шлака пузы­рями газа и переноса этих частиц в покровный слой, что предотвращает засасывание частиц шлака в кристал­лизатор.

Инжекция газа через стопор сни­жает или практически полностью пре­дотвращает затягивание разливочных стаканов, улучшает качество слитков и получаемого из них проката в резуль­тате уменьшения количества неметал­лических включений. Как правило, инжектируется аргон, реже — азот. Выбор газа определяется требования­ми к химическому составу и физико-химическим свойствам выплавляемого металла и экономической целесооб­разностью. Стопоры-моноблоки изго­тавливают корундографитового либо муллитокорундографитового состава при содержании до 30 % графита.

24.11.6. Продувка в кристаллизато­ре. Основной целью инжекции газа в кристаллизатор является повышение однородности структуры слитка, хотя рафинирующий эффект по неметал­лическим включениям также имеет место, как и при других способах ин­жекции.

Газ подают в кристаллизатор в об­ласть жидкой зоны (в лунку) форми­рующегося слитка. При этом принци­пиально можно различить три схемы инжекции: с коаксиальным подводом струи газа по отношению к струе раз-



Рис. 24.27. Схема «идеального» промежуточ­ного ковша:

/ — добавки, флюсы, порошки, проволока; 2— на­веденный шлак; 3 — нагрев (плазма, дуги, А1 + О₂); 4— крышка; 5—нейтрально-восстановительная ат­мосфера; 6— пороги, перегородки; 7— фильтрация; 8— шлаковые смеси
ливаемого металл.а; с тангенциаль­ным подводом, или подводом под не­которым углом к струе металла; а так­же несколькими смещенными один относительно другого потоками. В первой схеме удобно изменять место ввода газа по глубине жидкой лунки слитка. Вторая схема, предусматрива­ющая подачу газа в зоне, где начинает образовываться твердая корочка слитка, должна обеспечивать высо­кий рафинирующий эффект. Третья схема позволяет реализовать враще­ние и интенсивное перемешивание жидкого металла.

Газ может быть введен в кристал­лизатор через каналы в его стенках, огнеупорные трубки в местах контакта с металлом и трубки, оканчивающиеся газопроницаемыми вставками. На рис. 24.27 представлена схема «идеаль­ного» промежуточного ковша с ис­пользованием почти всех методов об­работки металла.

24.11.7. Непрерывное вакуумирова-ние металла. На НЛМК реализовано оригинальное технологическое реше­ние, предложенное проф. Г. А. Соко­ловым. Схема основана на принципе вакуумной дегазации струи и слоя ме­талла в проточной камере, располо­женной между сталеразливочным и промежуточным ковшами УНРС. Этот вариант обработки стали рассмотрен в гл. 19. Новый метод вакуумирования практически полностью исключает контакты разливаемой стали с атмос­ферой.

24.11.8. Непрерывная разливка с ЭШП. Получает распространение процесс, в котором шлаковая ванна над кристаллизующимся металлом, нагреваемая током нерасходуемого электрода или токопроводящим крис­таллизатором, предохраняет поверх­ность ванны жидкого металла от окис­ления воздухом и действует в качестве «смазки».