научная статья по теме ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВ»

УДК 621.746.27:620.191

проблемы качества поверхности непрерывнолитых слябов

© Сивак Борис Александрович, канд. техн. наук, проф.

ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И.Целикова». Россия, Москва. E-mail: sivak@vniimetmash.ru Статья поступила 14.03.2012 г.

Рассмотрены основные типы дефектов поверхности слябов и причины их возникновения. Представлена общая схема зарождения и развития поверхностных трещин. Проведен анализ возможности применения критериев разрушения механики деформируемого твердого тела для условий непрерывной разливки стальных слябов.

Ключевые слова: непрерывная разливка; сляб; кристаллизатор; поверхностные трещины; критерии разрушения.

Наиболее проблемными с точки зрения качества слябов непрерывной разливки стали являются поверхностные дефекты, среди которых наиболее значимыми и трудно устранимыми оказываются паукообразные, сетчатые и поперечные трещины, которые развиваются в приповерхностном слое, проходят по границам зерен и, как правило, не загрязнены ликватами [1]. Важнейшую роль в их образовании играют конструкция кристаллизатора и его тепловая работа, а также конструкция механизма качания кристаллизатора и назначенный режим качания.

Сетчатые трещины, как правило, занимают значительные области поверхности, тогда как паукообразные трещины локализованы вокруг отдельных центров зарождения. Морфология и механизм развития сетчатых и паукообразных трещин близки, но причины их образования и глубина проникновения различны [2, 3]. Возможно образование сетчатых трещин по смешанному механизму - зарождение их как паукообразных, а дальнейшее развитие как сетчатых. Паукообразные трещины инициируются местными жидкими прослойками на границе зерна, образующимися в результате захвата и расплавления частиц меди с поверхности кристаллизатора, а также поверхностными и приповерхностными газовыми кавернами и неметаллическими включениями, попадающими в формирующуюся оболочку слитка в кристаллизаторе. Основное влияние на их образование оказывают состояние поверхности ра™ бочих стенок кристаллизатора и организация си° стемы вторичного охлаждения непосредственно ^ под кристаллизатором.

Поперечные трещины развиваются по сле-£ дам качания кристаллизатора. Следы качания, а < вместе с ними и поперечные трещины могут быть г устранены выбором надлежащего режима кача-

ния кристаллизатора и состава шлакообразую-щей смеси.

В технологическом процессе непрерывной разливки стали кристаллизатору отведена одна из самых основных функций - формирование слитка требуемого сечения. Кристаллизатор должен обеспечивать необходимый отвод тепла от затвердевающей стали и получение на выходе из кристаллизатора прочной оболочки слитка с хорошей поверхностью, которая не разрушалась бы под действием тепла жидкой фазы и ферро-статического давления расплава, а также от взаимодействия с направляющим аппаратом зоны вторичного охлаждения (ЗВО).

Исключение захвата меди достигается покрытием стенок кристаллизатора слоем хрома и никеля, а также оптимальной геометрией стенок, уменьшающей их износ. Оптимизация зазора между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора также уменьшает вероятность образования газовых каверн.

Геометрическая форма и размеры внутренней рабочей полости кристаллизатора определяются требуемыми размерами формирующегося сляба с учетом усадки слитка при его кристаллизации. При этом действительная геометрия стенок зависит не только от стали и скорости разливки, но и от термомеханических процессов взаимодействия оболочки слитка с поверхностью стенок. Обычно используемый постоянный уклон как узких, так и широких стенок кристаллизатора не позволяет получить хорошее качество поверхности сляба при повышенных скоростях разливки. По этой причине ряд фирм рекомендует обеспечивать параболическую конусность стенок кристаллизатора, чтобы улучшить тепловой контакт и снизить трение по всей внутренней поверхности [4]. Самостоятельной проблемой является

расчет геометрии внутренней полости кристаллизатора для разливки тонких слябов [5, 6].

Необходимым условием стабильности процесса непрерывной разливки стали является возвратно-поступательное движение кристаллизатора с определенной частотой и амплитудой. При этом используются различные законы движения кристаллизатора, но непременным условием всегда остается наличие участка пути в каждом цикле качания, где кристаллизатор движется с большей скоростью, чем слиток - так называемое время опережения. Особенно актуальной проблема оптимизации конструкции механизма и режима качания кристаллизатора становится с увеличением скорости разливки и расширением марочного состава сталей [7]. В последние годы практически все ведущие фирмы мира разрабатывают конструкции бесшарнирных рессорных механизмов с гидравлическим приводом качания.

Поиски оптимальных режимов качания кристаллизатора и состава шлакообразующих смесей в условиях высоких скоростей разливки показали, что обеспечение стабильности литья и улучшение качества поверхности заготовки наблюдаются при повышении частоты качания до 2-5 Гц и уменьшении амплитуды до 1-5 мм, что соответствует достаточно низким значениям времени опережения. Решение проблемы качества поверхности при высокоскоростной разливке решается как благодаря применению шлаков с более низкой вязкостью, обеспечивающих стабильность толщины пленки на поверхности стенок кристаллизатора, так и путем использования несинусоидальных законов движения кристаллизатора, обеспечивающих повышенное поступление смеси и уменьшение силы трения.

Современные машины непрерывного литья слябовых заготовок, как правило, имеют верхний вертикальный участок с прямолинейным кристаллизатором и последующую криволинейную форму с постепенным загибом до определенного радиуса и последующим плавным разгибом до горизонтального положения. Наличие вертикального участка с таким же кристаллизатором способствует всплытию попавших в кристаллизатор неметаллических включений и получению чистой слябовой заготовки.

Сетчатые и паукообразные трещины, видимые только после огневой зачистки или травления поверхности слитка, располагаются единичными трещинами и параллельными цепочками вдоль слитка. Встречаются по центру узкой грани и по широкой грани слитка. Сетчатые трещины ини-

циируются выделением по границам зерен дисперсных включений типа нитридов алюминия, ниобия, ванадия, а также фазовых превращений стали в аустенитно-перлитной области, приводящих к общему снижению деформационной способности стали. Возникают сетчатые трещины в ЗВО при температурах 1100-900 °С в результате значительных градиентов температуры вдоль поверхности сляба и термоциклирования при движении слитка. Устранить сетчатые трещины можно в первую очередь обоснованной организацией вторичного охлаждения МНЛЗ водовоздушной смесью, обеспечивающей равномерное и мягкое охлаждение поверхности сляба. Для предотвращения образования сетчатых трещин амплитуда термоциклирования и средняя температура, относительно которой оно происходит, т.е. режим разливки и вторичного охлаждения, должны быть такими, чтобы термоциклирование не проходило в области температур пониженной прочности стали.

Механизм образования сетчатых и паукообразных трещин имеет промежуточный характер между механизмами образования горячих и термических трещин. Сетчатые трещины зарождаются в наиболее перегретых «пятнах» поверхности сляба, где теплоотвод по каким-либо причинам замедлен. Поверхностные слои металла из-за наличия включений, диффузии меди или других особенностей химического состава значительно ослаблены. Сильное охлаждение при попадании слитка в зону «подбоя» кристаллизатора способствует росту сетчатых трещин. Вероятно, трещины, имеющие форму сетки, образуются ниже температур реального солидуса, так как они проходят по твердым границам, ослабленным неметаллическими включениями. Паукообразные трещины возникают при температурах реального солидуса и проходят по границам первичных зерен, ослабленным жидкими пленками цветных металлов или их легкоплавкими окислами. Очевидно, именно по этому признаку трещины следует разделить на сетчатые и паукообразные.

Трещины обоих типов могут расти одинаково под действием термических напряжений, поэтому способы их устранения или уменьшения пора-женности ими НЛЗ часто совпадают. Например, к ~ таким общим способам можно отнести снижение ° фона растягивающих напряжений в кристаллизаторе и уменьшение интенсивности вторичного ? охлаждения. ^

Общая схема причин зарождения и развития 5 паукообразных и сетчатых трещин на поверхно- г

Для заданной длины трещины можно рассчитать интенсивность освобождения упругой энергии при изменении длины трещины. Данная характеристика наглядно позволяет сделать заключение о влиянии различных факторов на опасность внезапного подрастания трещины.

Согласно второму критерию для описания роста трещины при ползучести необходимо записать кинетическое уравнение поврежденности [8]

Ы и-со^ '

где ы - функция поврежденности (0 < ы < 1); А, т - постоянные материала, зависящие от температуры. Условие ы = 1 (поврежденность в вершине трещины имеет свое предельное значение) в результате интегрирования уравнения для поврежденности позволяет получить уравнение для нахождения закона подрастания трещины в процессе ползучести.

Заключение. Подход, связанный с энергетическим критерием, позволяет лишь качественно оценить влияние различных факторов на опасность роста поверхностных трещин. Предлагаемый подход позволяет количественно связать

степень переохлаждения поверхности сляба с размерами трещины (дефекта).

Библиографический список

1. Куклев А.В., Лейтес А.В. Практика непрерывной разливки стали. - М. : Металлургиздат, 2011. - 432 с.

2. Мирсалимов В.М., Емельянов В.А. Напряженное состояние и качество непрерывного слитка. - М. : Металлургия, 1990. - 151 с.

3. Ермолаева Е.И., Урбанович Л.И., Угарова С.П. и др. О механизме образования трещин на поверхности непрерывно-литых слитков // Изв. АН СССР. Металлы. 1981. № 1. С. 90-94.

4. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. - М. : Элиз, 2002. - 208 с.

5. Сивак Б.А. Математич

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком