Крупный слиток

Смирнов А.Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М., Цупрун А.Ю.

Донецк, 2009 г.

Требования к качеству крупных слитков непрерывно растут вместе с ростом требований к надежности получаемых из них изделий. Неоднородность размеров, формы и распределения кристаллов в объеме слитка, пористость и химическая неоднородность являются основными проблемами при получении качественного слитка.

3.1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССАКРИСТАЛЛИЗАЦИИ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

Методы исследования ПРОЦЕССА затвердевания стальных слитков подразделяются на разрушающие (требующие отбраковки или порезки слитков) и неразрушающие.

К первой группе методов относятся: термический анализметалла внутри изложницы или в ее стенке, опрокидывание изложницы (выливание жидкого остатка), ввод индикатора и т.п.

Метод измерениятемпературыметалла в различных точках затвердевающего слитка широко применялся для определения температурных градиентов и кинетики продвижения фронта КРИСТАЛЛИЗАЦИИ в слитках различной массы.

Особые требования при этом предъявляют к устройству термопар. Термопары должны быть насколько возможно малыми как по объему, так и по массе, с тем, чтобы не нарушать термические условия внутри слитка и обеспечить быстрое реагирование на изменение температуры (минимальную инерционность). Вместе с тем, они должны быть соответствующим образом защищены от воздействия жидкого металла и жестко закреплены. Выполнение этих требований связано с техническими трудностями, ограничивающими возможности метода. Обычно термопары вводят в изложницу до разливки через специальные отверстия в боковой поверхности или сверху через прибыльную часть. Введение термопар через отверстия в боковой поверхностиизложницы возможно только для слитков небольшой массы, где явления усадки не получают значительного развития. Для крупных слитков ввод термопар осуществляют сверху через прибыльную часть. Однако, в связи с тем, что необходимо обеспечить достаточную механическую прочность всей измерительной системы при длительной выдержке в жидкой стали, защита термопар получается громоздкой, а вся система обладает большой тепловой инерцией.

Более объективную информацию о температуре незатвердевшего ядра слитка позволяет получать метод термического зондирования с применением малоинерционных термопар. Сущность метода состоит в том, что термопару, защищенную кварцевым колпачком с толщиной стенки 0,5 мм погружают в металл на короткое время (не более 1 мин), достаточное для снятия устойчивых показаний. Каждое измерение выполняют индивидуальной (одноразовой) термопарой, необходимое числотермопар готовят заранее. Погружение термопар в заданную точку жидкой сердцевины слитка осуществляют с помощью специального устройства.

Метод измерениятемператур в затвердевающем слитке отличается значительной трудоемкостью и, как правило, связан с большими потерями металла, идущего на отливку опытных слитков. Поэтому в настоящее время для исследования ПРОЦЕССАКРИСТАЛЛИЗАЦИИ слитков чаще пользуются косвенным методом, основанном на измерениитемператур и тепловых потоков в изложнице. Для измерениятемпературыповерхности слитка в изложнице сверлят отверстиядиаметром 18-20 мм. Перед проведением замеров отверстия в изложнице закрывают холостыми пробками, длину которых подгоняют индивидуально в зависимости от глубины отверстий. После окончания заливки металла холостые пробки извлекают из отверстий, а на их место устанавливают датчикитемпературы с прижимными устройствами. Постоянное усилие прижима спая термопары к поверхности слитка обеспечивается грузами.

Для получения прямых данных о процессе роста твердой фазы на практике используют так называемый метод выливания жидкого остатка (опрокидывания изложницы). Между тем, этот метод не позволяет определить фронт КРИСТАЛЛИЗАЦИИ в том объеме твердой корки, которая в виде сплошного фронта фиксируется моментом выливания, поскольку жидкая сталь, заключенная в капиллярах, образованных осями растущих дендритов, при опрокидывании не вытекает. Кроме того, при опрокидывании удаляется содержащая кристаллы двухфазная область жидко-твердого состояния стали, которая в связи с этим не учитывается также как и обломкидендритов твердожидкой зоны. Можно принять, что этим методом определяется так называемая «граница выливаемости» на ранних стадиях затвердевания. Определение же времени полного затвердевания слитка этим методом невозможно. Следует также отметить высокую стоимость этого метода, что не позволяет его использовать для исследования ПРОЦЕССАКРИСТАЛЛИЗАЦИИ крупного слитка.

Более широкие возможности по исследованию характера продвижения фронта затвердевания в слитке может обеспечить метод введения в металл специальных индикаторов, например на основе радиоактивных изотопов или элементов-примесей растворимых в жидкой стали и легко выявляемых химическим анализом (сера, молибден и т.п.).

Применение радиоактивных изотопов основано на том, что изотоп распространяется только в жидкой части слитка. На практике этим методом исследовали кинетику продвижения фронта затвердевания в слитках различной формымассой от 3 до 30 т. Однако, метод радиоактивных изотопов имеет определенные ограничения в силу того, что изотоп не проникает в двухфазную зону и фиксирует только объем жидкой фазы.

3.2 КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛО- И

МАССООБМЕН В ЖИДКОЙ СЕРДЦЕВИНЕ СЛИТКА

Конвективное перемещение металла в изложнице относится к одному из важнейших параметров, влияющих на интенсивностьтеплопередачи от перегретых объемовстали к границе затвердевания и определяет скорость продвижения фронта затвердевания, перераспределение индивидуальных кристаллов, распределение неметаллических включений в слитке и расположение ликвационных полос в нем.

Заливка металла в изложницу сопровождается турбулентным перемещением больших объемов жидкости, которое существует еще некоторое время после окончания ПРОЦЕССА разливки. Поэтому объяснение процессов затвердевания стали только в рамках стационарной и нестационарной теплопередачи представляется практически невозможным, так как масса крупных слитков может достигать 200–400 т и более, а перегревстали и конвективный теплоперенос к границе затвердевания сохраняются в них в течение нескольких часов.

Конвекция – это явление макроскопического уровня, при котором взаимодействуют слои теплоносителя с разными температурами, перемешиваемые потоками движущегося металла. Перенос вещества в потоках жидкостей может осуществляться в результате перемещения молекул (молекулярный перенос), а также макрочастиц из одной точки в другую (вихревой перенос). Конвективный перенос представляет собой совокупность этих двух видов переноса жидкости.

Теплопередача от движущихся потоков жидкой перегретой стали к границе затвердевания может происходить или под действием внешних сил, или благодаря разности плотностей жидкого металла, вызванной местным охлаждением в поле действия сил тяжести. В первом случае происходит теплообмен в условиях вынужденной конвекции, а во втором имеет место свободная конвекция. В процессеконвекцииобъемысреды стремятся переместиться к поверхноститеплообмена и отдают ей тепло тем интенсивнее, чем больше скоростьдвижения среды. Поэтому конвекция неразрывно связана с турбулентностью, а ее интенсивность определяется, прежде всего, интенсивностьюпотока теплоносителя.

В наиболее общем виде перемещение расплава в жидкой части слитка можно представить в виде схемы, приведенной на рис.3.2.

Более холодный металл, расположенный у фронта затвердевания, опускается вниз из-за большей его плотности, а более горячий - по центру слитка поднимается вверх. Помимо ПРОЦЕССАпередачи тепла потоками жидкой стали в слитках имеет место массоперенос растворимых примесей и твердых частиц.

Весьма характерным является тот факт, что скоростьпотоков в начале затвердевания слитков не зависит от их массы. Последнее положение экспериментально установлено для слитков массой 0,2–40 т. Вместе с тем, интенсивностьпотоков с течением времени заметно снижается. Для слитков массой 8–40 т снижение примерно в 10 раз происходит через 1–2 часа.

В зависимости от структуры, формирующейся в ходе затвердевания, характер конвективных потоков может быть различным. В конечном счете, конвекция в объемерасплава вызывает взаимодействие потоков и образование зон, обогащенных примесями.

Для характеристики конвективной теплопередачи в слитках используют критерии Нуссельта(Nu), Пекле(Pe) и Прандтля(Pr)

3.6. ГАЗЫ В СТАЛЬНОМ СЛИТКЕ

Практика металлургического производства показывает, что ряд химических элементов отрицательно влияет на технологические и служебные характеристики металла. В число таких элементов входят ГАЗЫ водород, азот и кислород. Источники их поступления в сталь разнообразны.

Отрицательное влияние водорода на качество стали установлено достаточно давно. Источниками поступления водорода в металлургических процессах являются, в первую очередь, шихтовые материалы, атмосфераагрегата и ферросплавы. Дополнительным источником поступления водорода в сталеплавильных процессах является передельный чугун, содержание водорода в котором колеблется в значительных пределах – 2,0-6,5 см3/100 г. Ещё большим содержанием водорода характеризуется твердый (чушковый) чугун, который длительное время хранится или транспортируется в неблагоприятных погодных условиях. Из металлической части шихты небольшое содержание водорода отмечается в пакетированном покупном скрапе и обрези головной части слитков. В остальной же части шихты источником водорода являются влажные материалы.  Ферросплавы, используемые в качестве раскислителей и легирующих присадок, обычно вносят мало водорода (сотые или десятые доли кубического сантиметра водорода на 100 г металла). Однако с учетом того факта, что после ввода раскислителей и многих легирующих компонентов прекращается окисление углерода (ванна перестаёт кипеть) и происходит непрерывное поступление водорода из печной атмосферы и шлака, роль ферросплавов, как источника водорода, является весьма значительной.