НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ

УКРАЇНИ

МАКУРОВ Сергій Леонідович

УДК 669.18.412:621.746.62

НАУКОВІ ТА ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ

ВИРОБНИЦТВА ВЕЛИКИХ СТАЛЕВИХ ЗЛИВКІВ

ПОЛІПШЕНОЇ ЯКОСТІ

05.16.02 - металургiя чорних металiв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Днiпропетровськ – 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України (м. Маріуполь)

Науковий консультант: Заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Казачков Євген Олександрович,

Приазовський державний технічний

університет, завідувач кафедрою

теорії металургійних процесів

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Яковлєв Юрій Миколайович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедрою теорії металургійних процесів

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Огурцов Анатолій Павлович, Дніпродзержинський державний технічний університет, ректор

Доктор технічних наук Смірнов Олексій Миколайович, Донецький державний технічний університет, професор кафедри технології конструкційних матеріалів

Провідна установа: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, відділ фізико-хімічних проблем металургійних процесів, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 20 лютого 2001 р. о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

Автореферат розісланий 20 грудня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Цапко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збільшення одиничної потужності машин і агрегатів, створення крупних енергетичних установок, розвиток атомної енергетики, будівництво морських бурових платформ та інших великогабаритних конструкцій потребує широкого застосування листового прокату великої товщини і композитних матеріалів, які не можна одержати прямим прокатуванням безперервнолитих слябових заготовок. Для їхнього одержання потрібно використовувати великі сталеві зливки, тому вимоги до якості внутрішньої будови таких зливків постійно зростають разом із зростанням вимог до надійності одержуваних із них виробів. При збільшенні маси зливка відзначена тенденція до погіршення якості металу: зростання ліквації, усадочних і поверхневих дефектів, накопичення включень. Тому корінне поліпшення якості металопродукції, що випускається, в значній мірі залежить від вирішення проблеми якості крупних зливків і є дуже актуальним.

Актуальною проблемою розвитку металургії України і країн СНД в умовах ринкової економіки і вільної конкуренції є зниження матеріало- і енергоємності продукції. При цьому високі вимоги до якості продукції розглядаються у тісному зв'язку зі зниженням її вартості на всіх стадіях виробництва. Основним резервом економії металу при виробництві прокату через зливок є зниження головного обрізу, а також зменшення браку з поверхневих дефектів і дефектів макроструктури. Тому значна увага у роботі приділена удосконаленню та оптимізації технології сифонного розливання сталі у крупні зливки під захисними середовищами.

Великим резервом економії дорогих легованих сталей, а також ефективним засобом боротьби з корозією є застосування композитних металічних виробів, у яких поєднуються міцність вуглецевої або низьколегованої сталі зі спеціальними властивостями плакувальних металів і сплавів (корозійною стійкістю, антифрикційними властивостями та ін.). У дисертаційній роботі запропоновані нові способи керування процесом затвердіння горизонтальних біметалічних зливків, одержуваних із застосуванням електрошлакової технології. Актуальними завданнями є поліпшення якості таких зливків і одержуваного з них прокату, збільшення обсягу виробництва і виходу придатних біметалічних листів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Матеріали дисертаційної роботи являють собою узагальнення наукових результатів, отриманих автором за період 1976-2000 рр. при виконанні науково-дослідних робіт з основних комплексних програм і координаційних планів Міністерства чорної металургії та Академії наук України. У 80-ті роки робота була частиною комплексу науково-дослідних робіт, виконаних відповідно до підпрограми “Зливок” п. 12 Програми науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт АН СРСР і Міністерства чорної металургії СРСР (1989 р.). Розробка технології виробництва горизонтальних двошарових зливків проводилася відповідно до регіональної науково-технічної програми “Донбас” (1981-1985 рр.), а також плану Міністерства важкого і транспортного машинобудування СРСР.

Автор був відповідальним виконавцем науково-дослідних робіт (номери державної реєстрації 76043021, 78050638, 800571116, 83010066148, 01890060998), що є базовими для підготовки та представлення дисертаційної роботи. Тема дисертації відповідає науковому напрямку кафедри “Теорія металургійних процесів” Приазовського державного технічного університету “Фізико-хімічні і теплофізичні процеси формування сталевих зливків і заготівель МБЛЗ”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розвиток теорії формування і науково обґрунтована розробка і впровадження ефективної технології виробництва великих сталевих зливків поліпшеної якості, у тому числі горизонтальних.

Поставлену мету досягали на основі комплексного дослідження теплофізичних і фізико-хімічних процесів формування крупних сталевих зливків.

Об'єктом дослідження є процес формування великого сталевого зливка. При затвердінні крупних зливків у них набувають великого розвитку всі види макронеоднорідності: фізична, структурна і хімічна, що в значній мірі погіршує якість литого і катаного металу. Особливо гостро ця проблема постає при виробництві листового прокату, який посідає чільне місце як за обсягом виробництва, так і за широтою застосування.

Предметом дослідження є процес формування великих сталевих зливків для виробництва листового прокату. У зв'язку з цим у дисертаційній роботі вирішувалися такі завдання:

q

q експериментальне дослідження теплофізичних процесів, при розливанні і затвердінні сталевих зливків з метою уточнення механізму затвердіння та удосконалення математичної моделі цього процесу;

q розробка і практичне застосування неруйнуючих розрахунково-експериментальних методів досліджень, які дозволяють отримувати достовірну інформацію про процеси затвердіння сталевих зливків;

q удосконалення технології сифонного розливання сталі за рахунок поліпшення умов підводу металу у виливницю, а також поліпшення якості сталі, що розливається;

q розробка і впровадження у виробництво сталевих зливків збільшеної маси (у тому числі горизонтальних) з поліпшеною внутрішньою будовою і високою якістю поверхні за рахунок посилення спрямованості затвердіння в результаті зміни геометричних параметрів зливків, умов їхнього розливання та утеплення, застосування електрошлакового обігріву, а також поліпшення якості металу.

Методи дослідження. Для досягнення мети роботи використані розрахункові та експериментальні методи дослідження процесу затвердіння сталевого зливка, включаючи комп'ютерне моделювання, введення радіоактивного ізотопу в зливки, термічний аналіз, диференційоване і горизонтальне зондування, а також метод вибуху, запропонований автором уперше. Для дослідження теплофізичних і фізико-хімічних властивостей металургійних розплавів використані лабораторні установки, сконструйовані автором. Дослідження якості металу проводили із застосуванням сучасних приладів і установок: ексхалографа ЕА-1 “BALCERS”, газоаналізатора RO-116 “LEKO”, растрових мікроскопів РЕМ-200М і ISM-U3, мікроаналізатора MS-46 “CAMECA” та ін.

Наукова новизна отриманих результатів. Здобувачем запропоновані такі наукові рішення:

q

q запропонована модель макроліквації домішок у крупних сталевих зливках, що враховує граничну глибину вимивання лікватів із зони дендритів в залежності від швидкості руху конвективних потоків уздовж фронту затвердіння, параметрів дендритної структури і швидкості кристалізації;

q на основі результатів експериментальних досліджень швидкості кристалізації сталі в момент відбирання проб із незатверділої серцевини зливків з їхнім наступним хімічним аналізом дана кількісна оцінка значень ефективних коефіцієнтів розподілу вуглецю при затвердінні крупних сталевих зливків і встановлений розмір критичної швидкості затвердіння, що визначає розвиток процесу макроліквації;

q на засадах запропонованого механізму кристалізації та утворення макронеоднорідності крупного зливка уточнені і доповнені основні принципи одержання крупних листових зливків поліпшеної якості з геометричними параметрами близькими до оптимальних;

q комп'ютерним моделюванням і прямими експериментальними дослідженнями встановлені закономірності зміни температурного поля при різноманітних умовах формування горизонтального двошарового зливка, які послужили основою при розробці раціональних технологічних режимів їх виробництва;

q нові експериментальні дані з теплофізичних властивостей сталей і шлаків, отримані автором на сконструйованих лабораторних установках за оригінальними методиками, використані для уточнення розрахунків гідродинаміки заповнення виливниць, кінетики затвердіння зливків, витримки зливків у виливницях, а також при розробці режимів електрошлакового обігріву двошарових горизонтальних зливків із корозійностійким плакувальним шаром.

Достовірність основних результатів підтверджується узгодженням результатів, отриманих за різними методиками із застосуванням сучасних установок і приладів, а також їхнім узгодженням із практикою.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. На основі отриманих результатів досліджень і нових теоретичних уявлень про процеси формування сталевих зливків розроблена низка пристроїв, способів і технологій, виконаних на рівні винаходів, що дозволило поліпшити якість сталевих зливків і металопродукції, а також знизити витратний коефіцієнт металу при прокатуванні крупних листових зливків на 20 кг/т сталі. Економія нержавіючої сталі при виробництві горизонтальних біметалічних зливків склала 34 кг/т сталі.

За результатами науково-технічних розробок автора отримані 14 авторських свідоцтв, одне позитивне рішення та один патент.

В результаті використання теоретичних і експериментальних розробок автора впроваджені у виробництво нові конструкції крупних листових зливків масою 30 т, а також оптимальні технології їх виробництва, розроблені склади нових теплоізолюючих сумішей для сифонного розливання сталі і способи їх подачі у виливницю. Розроблена і впроваджена нова технологія виробництва горизонтального двошарового зливка з корозійностійким плакувальним шаром.

Сумарний річний економічний ефект від впровадження вищевказаних розробок на МК “Азовсталь”, В/О “Азовмаш” і Донецькому металургійному заводі склав 388 тис. карбованців за цінами 1990 року при пайовій участі автора 40%.

Нові 30-тонні зливки, розроблені автором, є перспективними для виробництва плит товщиною понад 0,25 м, які неможливо виготовляти з безперервної слябової заготовки через недостатній рівень обтискування при прокатуванні.

Способи і технології керування процесом затвердіння горизонтального двошарового зливка, запропоновані автором, можуть бути використані при одержанні композитних заготовок, які на даний час не можна одержувати способами безперервного розливання.

Наукові результати, отримані автором при роботі над докторською дисертацією, а також розроблені з цією метою експериментальні установки та оригінальні методики використовуються у навчальному процесі при читанні лекцій з загальних і спеціальних курсів для студентів металургійного факультету, а також при виконанні студентами лабораторних, курсових і дипломних робіт.

Документи, що підтверджують практичну реалізацію роботи, приведені в Додатках до дисертації.

Предмет захисту. На захист виносяться:

q

q нові експериментальні дані з фізико-хімічних і теплофізичних властивостей металургійних розплавів та методика їх вимірювання;

q

q

q способи і технології, що знижують неоднорідність крупних зливків (у тому числі горизонтальних), що збільшують вихід годного і підвищують якість прокату.

Особистий внесок здобувача у виконану роботу. Автор із 1976 р. по даний час брав участь у виконанні госпдоговірних і держбюджетних НДР, які проводились на кафедрі “Теорія металургійних процесів” Приазовського державного технічного університету.

Особистий внесок автора полягає в наступному: теоретичній постановці завдань і обґрунтуванні методів досліджень; проведенні розрахунків і комп'ютерного моделювання досліджуваних процесів; розробці методів дослідження і конструктивного оформлення лабораторних установок; проведенні експериментів у лабораторних і промислових умовах; теоретичному узагальненні отриманих результатів.

Розробка промислових технологій, їхнє впровадження у виробництво, узагальнення результатів НДР, написання статей у співавторстві відбувалося за особистою участю автора. Основні ідеї, наукові і теоретичні положення, подані в дисертації, розроблені автором особисто.

Автор висловлює щиру вдячність науковому консультанту проф., д.т.н. Казачкову Є.О., викладачам і науковим співробітникам кафедри “Теорія металургійних процесів” ПДТУ, провідним спеціалістам і інженерно-технічним працівникам металургійних підприємств, завдяки сприянню яких отримані результати доведені до практичного використання.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи пові-домлені, обговорені та одержали позитивну оцінку на 32 міжнародних, всесоюзних, республіканських і регіональних конференціях, семінарах, нарадах, а також на галузевих координаційних нарадах з проблем розливання сталі і якості зливків, включаючи:

q

q VIII Всесоюзна конференція з фізико-хімічних основ виробництва сталі (Москва, 1978);

q XXII Сибірський теплофізичний семінар “Теплофізичні проблеми металургії” (Новосибірськ, 1980);

q ІІІ Всесоюзна конференція “Тепло- і масообміні процеси у ваннах сталеплавильних агрегатів” (Маріуполь, 1982);

q галузевий семінар Мінважмаш СРСР “Виробництво литих двошарових заготовок” (Маріуполь, 1982);

q наукова конференція “Теоретичні основи металургійних процесів”, CAV USTAV TEORIE HUTNIСKYCH PROCESU (Чехословаччина, Острава, 1983);

q технічна нарада, VYZKUMNY A ZKUSEBNI USTAV “ЉKODA” (Чехословаччина, Пльзень, 1983);

q всесоюзна науково-технічна конференція “Створення і удосконалювання енергозберігаючих технологій у пірометалургії (Караганда, 1988);

q міжреспубліканська конференція “Передовий досвід виробництва сталі, її позапічної обробки, розливання в зливки та отримання ковальських заготовок” (Волгоград, 1989);

q Х Всесоюзна конференція з фізико-хімічних основ металургійних процесів (Москва, 1991);

q науково-технічні конференції НВО Металург-1 “Творчий союз вищої школи і виробництва - науково-технічному прогресу” (Маріуполь, 1985-87 рр.);

q I-VII регіональні науково-практичні конференції (Маріуполь, 1992-2000);

q науково-технічна конференція з теорії і практики сталеплавильного виробництва, присвячена 100-річчю від дня народження вченого-металурга І.Г. Казанцева (Маріуполь, 1999).

Матеріали доповідей опубліковані у збірниках праць конференцій у вигляді 8 статей і 11 тез доповідей.

Публікації. Основні результати роботи викладені в 28 статтях у наукових часописах і збірниках (із них сім без співавторів) і 15 винаходах (14 авторських свідоцтв, один патент), а також в 16 статтях, повідомленнях, тезах доповідей і депонованих рукописах з теми дисертації, які не ввійшли у зазначене число праць.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, семи розділів, висновків, викладена на 438 сторінках, включаючи 29 таблиць, 87 рисунків, список використаних літературних джерел, який складає 349 назв і 10 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасний стан методів дослідження, теорії і напрямків оптимізації процесів формування великих сталевих зливків

Формування зливка є складним комплексом фізико-хімічних і теплофізичних процесів, вивчення яких – необхідна передумова для розробки оптимальних технологічних режимів виробництва зливків, які забезпечують достатньо високу їх якість.

Рис. 1. Послідовні стадії формування зливка спокійної сталі в процесі його кристалізації: а - початкове осадження кристалів; б - утворення нижньої частини конуса осадження; в - завершення формування конуса осадження та утворення зони позацентрової ліквації; г - утворення зони - образної неоднорідності

Для дослідження процесів формування сталевих зливків використовуються теоретичні та експериментальні методи. Найбільше оптимальним є застосування розрахунково-експериментальної методики, що поєднує комп'ютерне моделювання з прямими експериментальними методами.

Аналіз великого числа публікацій вітчизняних та закордонних авторів (насамперед В.О. Єфімова, С.Я. Скобло, Є.А. Казачкова, О.М. Скребцова, Ю.М. Яковлєва, В.С. Дуба, М.К. Флемінгса, Т. Кавава та ін.) дозволяє підтверджувати, що особливості процесу затвердіння крупного сталевого зливка обумовлені механізмом об'ємно-послідовної кристалізації. Загальна картина кристалізації такого зливка схематично подана на рис. 1.

У початковий період затвердіння, який відповідає утворенню зони заморожених кристалів, просування фронту затвердіння відбувається швидше, ніж у наступний період. Після утворення зазору між зливком і виливницею затвердіння відповідає відомому закону квадратного кореня. Формування кіркової зони і стовпчастих кристалів (рис. 1 а) відбувається в умовах перегріву металу в рідкій серцевині зливка і наявності достатньо сильних конвективних потоків. Після зняття перегріву відбувається інтенсивне формування двофазної зони, розвиток якої, у поєднанні з конвективними потоками, в значній мірі, визначає створення конусу осадження, зональної неоднорідності зливка і кристалічної структури центральної зони зливка (рис. 1 б, в). На завершальній стадії затвердіння (рис. 1 г) відбувається утворення характерних - і - образної неоднорідності. Для зменшення розвитку осьової і позацентрової ліквації необхідно вибирати такі конструктивні параметри зливка, які забезпечили б високий ступінь спрямованості його затвердіння і завершення процесу у вертикальному напрямку. Достатньо висока якість поверхні зливка досягається завдяки застосуванню сифонного розливання під сумішами раціональних сполук.

Виробництво крупного зливка високої якості можливе тільки у випадку забезпечення достатньої чистоти сталі, що розливається, по газах, неметалічних включеннях і шкідливих домішках. Подальше поліпшення якості крупних зливків можливе в результаті радикальної зміни технології їх одержання, наприклад, застосування електрошлакових процесів, переходу на відливання горизонтальних зливків і ін.

Дослідження теплофізичних і фізико-хімічних властивостей
металів і шлаків у твердому, рідкому і двофазовому станах

Вирішення завдань оптимізації процесів виробництва крупних зливків неможливе без надійних даних по властивостях металів і шлаків при високих температурах.

Температуру початку і кінця затвердіння теплоізолюючих сумішей і шлаків визначали за допомогою модернізованого високотемпературного мікроскопу МНО-2. Отримані експериментальні дані дозволили вибрати раціональні сполуки теплоізолюючих сумішей для сифонного розливання сталі, а також марки флюсів для ефективного ведення процесу електрошлакового обігріву (ЕШО) горизонтальних зливків.

Політерми електропровідності флюсів для ЕШО визначали за допомогою вимірювальної комірки оригінальної конструкції. Результати досліджень задовільно поєднуються з літературними даними і даними розрахунків.

Рис. 2 Рис. 3

Рис. 2. Політерми в’язкості сплавів залізо - вуглець: зразок 0,20 % С:

о- перше нагрівання,- перше охолодження, х - друге нагрівання, - друге охолодження; зразок 0,68 % С: - перше нагрівання, - перше охолодження, - друге нагрівання, * - друге охолодження; цифри у кривих: 1 - 0,20 % С, 2 - 0,68 % С; пунктиром показані температури ліквідусу сплавів з вмістом вуглецю, % : А - 0,2; Б-0,68

Рис. 3. Залежність в’язкості сталі 08Х18Н10Т від температури: о, - перше нагрівання; , - перше охолодження; , - друге нагрівання,
- друге охолодження; цифри в кривих відповідають номерам зразків

В’язкість металевих розплавів визначали на спеціально сконструйованій високотемпературної установці методом реєстрації загасаючих крутильних коливань тигля з розплавом.

Параметри коливань і значення в’язкості розраховувалися автоматично за допомогою електронного дешифратора і комп'ютера. Основна розрахункова формула має вигляд:

(1)

де 0, - логарифмічний декремент загасання коливань системи відповідно з порожнім і заповненим тиглем; K - константа приладу, обумовлена градуюванням; - щільність металу; кг/м3; - динамічна в’язкість, Па.с.

З метою удосконалювання режимів розливання сталі було поставлено завдання отримання інформації про в’язкість сталей при невеличких перегрівах над ліквідусом, тому що літературні дані в цій області обмежені або зовсім відсутні. Для досліджень приготували синтетичні зразки Fe - C з приблизним вмістом вуглецю 0,2 і 0,7 %.

Результати дослідження в’язкості зазначених зразків наведені на рис. . Нагрівання і охолодження зразків робили зі швидкістю 0,3 оС/с. Хід політерм в’язкості при температурах, що перевищують 1530 оС, близький до лінійного, розходження в’язкості зразків із різним вмістом вуглецю є невеликими, гістерезіс в’язкості відсутній. Аномальний хід кривої маловуглецевого сплаву наступає при температурі, яка перевищує температуру ліквідусу (1524 оС) приблизно на 15 оС. Для сплаву, що містить 0,68% С зміну кривизни політерми відзначено при температурі на 20-25 оС вище ліквідусу.

Максимум на кривій 1 (сплав 0, 20% С) у точності відповідає температурі ліквідусу. Таким чином, по політермах в’язкості сталі можна визначати температуру ліквідусу. Вдаване зниження в’язкості розплаву при температурі нижче ліквідусу (крива 1 на рис. 2) викликано тим, що в цьому випадку розплав являє собою двофазну рідко-тверду суміш, визначення в’язкості якої не має сенсу (у цьому випадку розплав характеризують рідкотекучістю). На кривій 2 (сплав 0,68 С) максимум відсутній, а підвищення в’язкості поблизу температури ліквідусу (1492 оС) є більш плавним. Метал, в останньому випадку, знаходиться в рідкому стані аж до температури 1400 оС.

Для обох сплавів стрибок в’язкості поблизу температури ліквідусу складає близько 0,5.10-3 Па.с, що враховували при розробці температурних режимів розливання сталі.

На рис. 3 наведені політерми в’язкості для двох зразків сталі 08ХI8HIOT, приготовлених із литих проб, взятих із печі. Як і в попередньому випадку, гістерезіс в’язкості не зафіксований, всі досліджувані точки добре вкладаються на криві, які відповідають кожному зразку. Різний хід кривих на рис. 3 пов'язаний з розходженням хімічного складу зразків різних плавок.

Піки на кривих (див. рис. 3) відповідають температурі ліквідусу досліджуваних зразків, яка для сталі 08Х18Н10Т, згідно отриманих даних, знаходиться в межах 1450-1465 оС.

У подальших дослідженнях був вивчений вплив вмісту легуючих елементів на в’язкість нержавіючих сталей. У сталях, що містять 14 і 19 % хрому, установлений мінімум в’язкості при вмісті нікелю порядку 15Дослідженням впливу добавок цирконію, ванадію і ніобію на в’язкість сталі, що містить 13Cr, 6Ni, 0,5Mo встановлено, що присадки цирконію в кількості 0,15слабко змінюють в’язкість сталі, а добавки (до 0,3ванадію і ніобію значною мірою підвищують в’язкість (на 15-20

Отримані експериментальні дані необхідні для розробки оптимальних режимів розливання хромонікелевих сталей, особливо у випадку застосування мікролегування.

Теплофізичні властивості сплавів заліза, вуглецевих і легованих сталей вивчали на модернізованій установці динамічної калориметрії, а також розрахунковим шляхом. В результаті уточнені відомі і отримані нові експериментальні дані, які використані при комп'ютерному моделюванні процесу затвердіння крупних сталевих зливків.

Експериментальне і розрахункове дослідження процесів теплообміну при розливанні і затвердінні сталевих зливків

Дослідження процесів теплообміну при сифонному розливанні і затвердінні крупних сталевих зливків, а також горизонтальних зливків із електрошлаковим обігрівом (ЕШО) проводили експериментальними методами і шляхом комп'ютерного моделювання.

Для проведення достатньо тривалих вимірів температури рідкого металу і шлаку застосовували стаціонарні термопари ВР5/20 в алундових чохлах, захищених спеціально розробленим термостійким покриттям, при короткочасних вимірах використовували малоінерційні термопари спеціальної конструкції.

На рис. 4 наведена схема і результати виміру температури струменю рідкого металу при розливанні листових зливків масою 20 т.

Найбільший перепад температур розплаву спостерігали між першим і другим піддонами, що пояснюється зливом донних (холодних) порцій металу з ковша. На третьому піддоні в порівнянні з другим температура змінюється незначно, а на четвертому вона знижується в процесі розливання в зв'язку з охолодженням залишку металу в ковші. Максимальна температура сталі відзначена в середині розливання всіх досліджуваних плавок, перегрівання металу складало 50-80 оС, причому в процесі заливання металу у виливницю його температура знижувалася в середньому на 30-50 оС.

У процесі кристалізації зливків робили періодичні виміри температури незатверділого ядра малоінерційними термопарами, результати вимірів наведені на рис. 5. Тут же показаний інтервал температур кристалізації сталей, який визначили шляхом термічного аналізу проб, відібраних у процесі затвердіння зливків.

Рис. 4. Схема і результати виміру температури струменю рідкого металу, що виливається зі сталерозливного ковша: 1 - ківш, 2 - центрова, 3 - струмина, 4 - малоінерційна термопара, 5 - електронний потенціометр. Позначки на кривих відповідають різним плавкам

Рис. 5. Зміна температури незатверділої серцевини крупних листових зливків маловуглецевої сталі. Цифри в кривих - маса зливка, т; заштрихована область відповідає інтервалу кристалізації сталей (без урахування ліквації у зливках), пунктир - літературні дані

Наведені дані показують, що тепло перегріву в рідкій серцевині крупних листових зливків масою від 10 до 30 т, відлитих сифоном, розсіюється через 10-40 хв після закінчення розливання. В подальшому температура незатверділого ядра зливків підтримується на рівні ліквідусу, що створює умови для початку об'ємної кристалізації.

Великий обсяг експериментальних досліджень температурного стану затвердіваючих зливків масою до 30 т дозволив зробити висновок, що в залежності від початкової температури заливки, маси зливка і швидкості розливання незатверділий метал у виливниці знаходиться на початковому етапі затвердіння в стані перегріву або переохолодження, приймаючи надалі температуру ліквідусу, яка підтримується до закінчення затвердіння зливка. Це створює умови для існування ізольованих кристалів в об’ємі незатверділого ядра зливка, які беруть участь у формуванні донного конуса і зони вертикальної кристалізації.

У процесі затвердіння зливків відбувається охолодження їхньої поверхні до температури, при якій можлива поява тріщин. Виміри температури поверхні зливків, виконані за допомогою контактних датчиків, розташованих у рухомих втулках, що мають гравітаційні натискні пристрої, дозволили одержати нові експериментальні дані, які використовували для розробки оптимальних режимів проходження зливків від розливання до посадку в колодязі. Одночасно з вимірами температури поверхні зливків була отримана інформація про час утворення і розміри газового зазору між зливком та виливницею.

Результати експериментальних досліджень дозволили сформулювати початкові і граничні умови в математичних моделях процесів затвердіння зливків. У результаті була уточнена комп’ютерна модель затвердіння зливків у виливницях і розроблена модель розрахунку процесу формування горизонтального зливка ЕШО. В останньому випадку використовували основне рівняння:

, (2)

де ? - щільність металу, Т- температура, z- координата, -теплопровідність, - час, f(z, ) - щільність джоулевих джерел тепла, сеф - ефективна теплоємність, яка визначається на основі експериментальної залежності ентальпія-температура і враховує агрегатні перетворення в системі.

(3)

Тут ср, ср-т, ст – теплоємності металу відповідно в рідкому, двофазному і твердому станах.

Рівняння (2) вирішували на комп’ютері за наявною кінцево-різницевою схемою при граничних умовах третього роду.

Теплообмін між донною поверхнею матриці (індекс 1) і піддоном розраховували за формулою:

, (4)

де - коефіцієнт теплообміну між донною поверхнею матриці і піддоном; ТВ - температура навколишнього середовища.

Теплообмін між дзеркалом шлакової ванни (індекс 3) і навколишнім середовищем відбувається шляхом конвекції і випромінювання. Умова теплообміну записується у вигляді:

, (5)

де - наведений ступінь чорноти; - постійна Стефана-Больцмана; 3- коефіцієнт теплообміну поверхні шлакової ванни із зовнішнім середовищем; - координата поверхні шлакової ванни.

Відмінність розробленої моделі від відомих полягає у введенні в програму розрахунку експериментальних даних: зміни ентальпії сталі і температури рідкого шлаку. Це дозволило не тільки збільшити точність обчислень температури в різних точках заготовки, але й значно спростити математичне формулювання завдання шляхом виключення низки формальних допущень.

Результати комп’ютерного моделювання дали можливість встановити основні закономірності і прогнозувати оптимальні режими охолодження та обігріву сталевих зливків, які після експериментальної перевірки використовували для розробки промислових технологій.

Дослідження процесу затвердіння сталевих зливків і ліквації домішок

Основні недоліки крупних зливків, наприклад, шнури позацентрової ліквації та ін. утворюються на стику фронтів горизонтального і вертикального затвердіння, а також у двофазної зоні, яка заповнює центральну область зливка. Тому при дослідженні процесу затвердіння крупних сталевих зливків аналізували розвиток меж як горизонтального, так і вертикального затвердіння, співставляючи експериментальні дані з результатами комп’ютерного моделювання (рис. 6).

Рис.6. Температурне поле (а) і просування області горизонтального затвердіння (б) у великих листових зливках маловуглецевої сталі за результатами комп’ютерного моделювання в порівнянні з експериментальними даними горизонтального зондування (?, ^), вибуху (+) і введення ізотопу (0, ?, _, ). Цифри в кривих на рис. 6а показують час затвердіння зливків, хв; на рис. 6б: 1 – положення межі початку затвердіння; 2 – положення межі кінця затвердіння за даними розрахунку на ЕОМ

Для виявлення конфігурації твердорідкої зони був розроблений метод вибуху, сутність якого полягає в періодичному введенні в серцевину незатверділих зливків зарядів вибухової речовини (маса одного заряду 3-5 г). В результаті гідравлічного удару відбувається ущільнення дендритної структури і видавлювання лікватів з міждендритних проміжків. На сірчаному відбитку повздовжнього темплета зливка виявляються смуги негативної ліквації сірки, а на поперечних темплетах від зливка і прокату - серія “лікваційних квадратів”, які відповідають моментам введення зарядів.

Метод вибуху застосовували в комплексі з методами зондування і введення радіоіндикатора. Експериментальні дані добре узгоджуються з результатами комп’ютерного моделювання (див. рис. 6б). Горизонтальне затвердіння зливків різної маси протягом трьох часів відбувається практично однаково і підпорядковується відомому закону квадратного кореня з коефіцієнтом затвердіння рівним 24,2 - 24,6 мм.хв-0,5.

Кінетику вертикального затвердіння крупних листових зливків вивчали методом диференційованого зондування з одночасним введенням радіоактивного індикатора фосфор-32. Результати досліджень наведені на рис. 7.

Рис. 7. Кінетичні криві вертикального затвердіння та ізохрони кристалізації крупних листових зливків масою 20 т (а) і 27 т (б), отримані за даними диференційованого зондування і введення ізотопу: 1 – межа твердої фази, 2 – межа двофазної зони, 3 – рівень металу в надливі (дані зондування); I – межа тіла зливка, II – початковий рівень металу; цифри у меж радіоактивних зон (ізохрон кристалізації) відповідають часу введення індикатора після закінчення заливання металу

З наведених даних випливає, що кінетичні криві вертикального просування твердої фази для обох зливків мають класичну форму і складаються з трьох частин. Час початку прискореного затвердіння залежить від маси зливка: 120 хв для 20-тонного зливка і 140 хв для 27-тонного зливка.

Скорочення обсягу рідкої фази супроводжується інтенсивним розвитком лікваційних явищ і збагаченням рідкої серцевини зливка ліквуючими домішками. Умови ліквації домішок при затвердінні зливка характеризуються ефективним коефіцієнтом розподілу домішки Кеф=Ст/Ср (де Ст - концентрація домішки у твердій фазі на межі з рідким розплавом із концентрацією домішки в обсязі рівній Ср).

Значення коефіцієнта Кеф залежить від умов вимивання лікватів з периферійної частини двофазної зони спадними потоками, а також параметрів дендритної структури і може бути подано рівнянням:

Кеф = 1 - (1 - К0) S(x), (6)

де S(x) – частка твердої фази на відстані х від цілком затверділого металу; К0 – рівноважний коефіцієнт розподілу домішки.

Із зростанням швидкості конвективних потоків уздовж фронту затвердіння значення S(х) збільшується, тобто вимивання лікватів відбувається з більшої глибини твердофазної зони. З підвищенням швидкості затвердіння значення S(х) зменшується і вимивання лікватів відбувається з меншої глибини. При конічній формі дендриту:

S(x) = (1 - x/a ) 2 = y 2 (x) / b 2, (7)

де а - ширина двофазної зони; b - відстань між первинними осями дендритів; y(x) - товщина дендриту на відстані х від цілком затверділого шару.

Межа глибини вимивання лікватів, обумовлена морфологією дендриту, що росте, складає біля 0,67. В цьому випадку:

. (8)

Для вуглецю (К0 = 0,34), сірки (К0 = 0,02), фосфору (К0 = 0,2) значення відповідно рівні 0,56; 0,34; 0,46. Ці значення характеризують максимальний ступінь вимивання домішки з двофазної зони.

Для кількісної оцінки характеристик ліквації домішок у процесі затвердіння крупних зливків була розроблена спеціальна методика відбирання проб металу з рідкої серцевини зливків, що затвердівають, у кварцові пробовідбірники. За даними хімічного аналізу проб металу визначали ступінь ліквації вуглецю, сірки і фосфору. У результаті було встановлено, що для оцінки ліквації домішок достатньо визначити ступінь ліквації вуглецю, ступінь ліквації інших домішок у крупних зливках лінійно пов’язана зі ступенем ліквації вуглецю.

На рис. 8 показана зміна ступеню ліквації вуглецю в рідкій серцевині зливків, що кристалізуються, сталі марки Ст3сп. Помітне збільшення вмісту вуглецю в рідкій серцевині зливків відзначається через 60-80 хв після закінчення заливання металу. До цього моменту в нижній частині зливка, що не закристалізувалась, з’являється двофазна зона, яка виявля-ється диференційованим зондуванням (див. рис.7).

Для листових зливків масою 20-30 т, що відливаються сифонним способом, на першому етапі затвердіння (до 90 хв), коли швидкість затвердіння перевищує 1 мм/хв, ступінь ліквації вуглецю не перевищує 10що узгоджується з теоретичними розрахунками. На другому етапі (об’ємно-послідовної кристалізації) із зменшенням швидкості затвердіння і розвитком двофазної зони вертикальної кристалізації ступінь ліквації вуглецю швидко збільшується і досягає до 160-ої хвилини 30(див. рис. 8).

Рис. 8 Зміна ступеня ліквації вуглецю у рідкій серцевині крупних листових зливків Ст3сп, що кристалізуються

Для листових зливків із мартенівської сталі масою 23 т, відлитих зверху, до цього ж часу рівень ліквації вуглецю значно більший і складає 50Менший рівень ліквації домішок у процесі затвердіння крупних листових зливків масою 20-27 т пов’язаний з тим, що якість рідкої сталі, яка виплавляється в кисневих конверторах і додатково піддається позапічній обробці, достатньо висока. На ступінь ліквації домішок у крупних зливках істотно впливає рівень вмісту сірки, фосфору і газів у сталі, що розливається.

Для оцінки хімічної неоднорідності цілком затверділих листових зливків використовували метод суцільного відбору проб по всій поверхні повздовжніх темплетів зливка на п’ятьох рівнях по висоті. Встановили, що ступінь ліквації в крупних листових зливках масою 20-27 т для вуглецю складає 20-23для сірки - 53-58для фосфору - 13-15 %. Збільшення маси листових зливків від 20 до 27 т практично не вплинуло на максимальний ступінь ліквації фосфору і вуглецю. Значення максимальної ліквації сірки стало декілька вище (на 5-9. Це розходження вдалося перебороти, використовуючи обробку сталі в ковші синтетичним шлаком.

Удосконалення та оптимізація технології сифонного розливання сталі в крупні зливки із застосуванням теплоізолюючих сумішей

Розробка раціональної технології сифонного розливання допускає вибір оптимальних значень температури металу, що розливається, яку визначали за формулою:

, (9)

де tк - температура сталі в ковші, оС; tл - температура ліквідусу сталі, оС; вит - час витримки ковша, с; р - тривалість розливання, с; ке - ефективний коефіцієнт охолодження металу в ковші, що для 350 т ковша дорівнює 4.10-3 оС/с.

На основі формули (4) і експериментальних значень температури ліквідусу сталі, отриманих автором, були складені температурні нормативи швидкісного сифонного розливання крупних зливків (табл. 1).

Таблиця 1 - Нормативи температури металу в ковші після обробки аргоном для сифонного відливання крупних листових зливків масою 20 і 30 т

№ пп. | Марка сталі | Температура ліквідусу, оС | Середня нормативна температура металу у ковші, оС | Рекомендована температура металу у ковші, оС

20 т | 30 т

1 | 09Г2С | 1512 | 1570 | 1565 | 1560

2 | Ст. 3сп | 1510 | 1570 | 1565 | 1560

3 | Ст. 5сп | 1500 | 1555 | 1555 | 1550

4 | Ст. 35сп | 1490 | 1555 | 1545 | 1540

5 | Ст. 45сп | 1485 | 1545 | 1540 | 1535

6 | 10ХСНД | 1510 | 1570 | 1565 | 1560

При збільшенні маси зливка важливим завданням є розрахунок оптимальних розмірів центрової і діаметра каналів сифонної проводки. Шляхом вирішення диференціального рівняння руху металу в центровій і сифонній проводці отримана розрахункова формула для визначення часу заповнення виливниці:

, (10)

де зап - час заповнення виливниці, с; S - еквівалентний перетин виливниці, м2; - коефіцієнт витрати; - перетин ливникового каналу, м2; Н1 - початковий рівень металу у виливниці, м; Н2 - кінцевий рівень металу у виливниці, м.

Коефіцієнт витрати визначали з врахуванням місцевих опорів окремих ділянок центрової і сифонної проводки і даних з в’язкості маловуглецевої сталі, отриманих автором.

Результати розрахунків показали, що збільшення висоти центрової не дозволяє істотно збільшити швидкість розливання. Параметром, що лімітує і визначає швидкість сифонного розливання крупних зливків, є перетин ливникових каналів. Збільшення діаметра сифонної проводки від 60 до 70 мм дозволяє відповідно до розрахунку за формулою (10) знизити тривалість наповнення виливниці при розливанні 30 т зливку на 16

У процесі освоєння сифонного розливання крупних листових зливків було встановлено, що при прокатуванні товстих листів поверхневі дефекти розташовувалися в більшій мірі на стороні, яка відповідає широкій грані зливка більш віддаленої від центрової. Це пов’язано з інерційним відхиленням фонтануючої струмини при заповненні виливниці від вертикалі і розмивом затверділої кірки зливка. Для зменшення зазначеного шкідливого явища отвори живильників зміщали в сторону протилежну руху металу на 80-120 мм.

Макроструктуру і якість поверхні зливків значною мірою визначають склад і витрати застосовуваної теплоізолюючої суміші. При розливанні дослідних зливків застосовували перліто-графітову, зольно-графітову, а також спеціально розроблену зольно-силіманітову суміш, яка не вміщує графіту. Остання суміш, склад якої захищений авторським свідоцтвом, забезпечує хорошу якість поверхні і макроструктури зливків при зниженні рівня викиду пилу на 10-20

Для усунення враженості поверхні зливків шлаковими включеннями витрату теплоізолюючої суміші при розливанні металу встановлювали мінімальною (1,0-1,5 кг/т сталі). При необхідності суміш добавляли в процесі розливання для виключення оголення поверхні металу.

Для поліпшення якості поверхні донної частини зливків були розроблені спеціальні способи розливання та пристрої для подачі теплоізолюючої суміші у виливницю, на які були отримані авторські свідоцтва: раціональні режими заповнення виливниць, двошарові суміші, спеціальний контейнер для сумішей та ін.

Розробка раціональних параметрів, елементів конструкції і технології відливання крупних зливків для виробництва товстих листів

При конструюванні 30-тонного листового зливка намагались забезпечити мінімальний розвиток хімічної, фізичної і структурної неоднорідності, що досягається створенням високої спрямованості затвердіння. Основні параметри зливків визначали на підставі даних комп’ютерного моделювання та експериментальних досліджень. На рис. 9 наведені схеми розроблених конструкцій 30-тонних зливків і порівняльних зливків масою 20 і 27 т. Серійні листові зливки (див. рис. 9 а, б) мають хвилясту поверхню. Наявність хвиль на поверхні зливка при сифонному розливанні під теплоізолюючими сумішами викликає налипання на поверхню часток суміші і, як наслідок,