Непрерывное литьё заготовок. Кристаллизаторы и зона вторичного охлаждения

В. А. Ульянов, В. Н. Гущин





                НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ ЗАГОТОВОК




КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ И ЗОНА ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.746
ББК 34.3
      У51

         Рекомендовано ученым советом Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по металлургическим и машиностроительным направлениям подготовки 22.03.02, 22.04.02, 15.03.01, 15.04.01



Рецензент:
доктор технических наук, профессор Института проблем машиностроения РАН В. В. Мишакин



    Ульянов, В. А.
У51       Непрерывное литьё заготовок. Кристаллизаторы и зона вторичного
     охлаждения : учебное пособие / В. А. Ульянов, В. Н. Гущин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1135-6

     Обобщены и систематизированы материалы о конструкциях кристаллизаторов и зон вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и происходящих в них тепломассообменных процессах. Приведены результаты физического и математического моделирования гидродинамических процессов с учётом конструктивных параметров применения сталеразливочных стаканов, водоохлаждаемых виброхолодильников в кристаллизаторах и технологических режимов ввода упругих колебаний в непрерывнолитые заготовки в зонах вторичного охлаждения. Рассмотрены различные принципы интенсификации формирования непрерывнолитых заготовок в условиях направленного или градиентного воздействия на них, позволяющие оптимизировать условия всплывания неметаллических включений, формирования макро- и микроструктуры литого металла.
     Для студентов металлургических и машиностроительных направлений подготовки. Может быть полезно для инженеров, специализирующихся в области непрерывного литья.

УДК 621.746
ББК 34.3






ISBN 978-5-9729-1135-6

     © Ульянов В. А., Гущин В. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.......................................................4
1. ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ.................................5
1.1. Кристаллизаторы для МНЛЗ..................................5
1.2. Способы подвода расплава в кристаллизаторы...............20
1.3. Тепловые расчёты кристаллизаторов........................28
1.4. Динамика потоков и интенсивность теплоотдачи от расплава.31
2. РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОДВОДА МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ.............................................42
2.1. Масштабы моделирования и структура проведения модельного и промышленного экспериментов............................42
2.2. Гидростабилизирующие способы подвода расплава в слябовые кристаллизатры...........................................42
2.3. Гидростабилизирующие способы подвода расплава в сортовых заготовках....................................................48
2.4. Формирование оболочки и структуры заготовки..............58
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СОРТОВЫХ И СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК........................65
3.1. Ввод экзогенных центров кристаллизации...................65
3.2. Механическое и электромагнитное перемешивание............76
3.3. Применение водоохлаждаемых волноводов....................78
3.4. Экспериментальное исследование подвода расплава в кристаллизаторы............................................124
4. ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.....................130
4.1. Конструктивные элементы и режимные параметры ЗВО....130
4.2. Электромагнитное перемешивание в ЗВО....................139
4.3. Электрогидроимпульсное воздействие в ЗВО................142
4.4. Теплофизические параметры формирования непрерывнолитых заготовок....................................................149
4.5. Теплотехнические расчёты................................157
4.6. Двухфазная зона и механизм её взаимодействия с внешними воздействиями................................................164
4.7. Развитие дефектов литого металла и модельных сред при применении внешних воздействий...............................170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................174
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................176

3

ВВЕДЕНИЕ


     Большая потребность промышленности в профильных и листовых заготовках требует расширения и совершенствования непрерывной разливки железоуглеродистых и цветных сплавов, которая, кроме того, позволяет значительно повысить выход годного и улучшить качество литья по сравнению с отливкой в стационарные формы, а также облегчает механизацию и автоматизацию процесса разливки.
     В настоящее время в мире на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) разливается больше половины всей выплавляемой стали, а также значительное количество получаемых чугунов, алюминиевых и медных сплавов.
     Успешное решение задач увеличения объёма разливки на МНЛЗ с одновременным расширением сортамента и повышением качества отливаемых заготовок невозможно без теплотехнического, гидродинамического и массообменного обоснования режимов работы МНЛЗ и вспомогательного оборудования, так как качество получаемого литого металла в значительной степени зависит в процессе кристаллизации и затвердевания от этих факторов. Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования, оборудование МНЛЗ и технология непрерывного литья ещё далека от совершенства, что позволяет продолжить поиск новых технических и технологических решений.
     Учебное пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области непрерывного литья, а также может быть полезно специалистам, инженерам, работающим в этой области.

4

1. ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ


            1.1. Кристаллизаторы для МНЛЗ



     Кристаллизатор МНЛЗ выполняет две основные функции: формо-образователя и теплообменного аппарата. В нём отводится около 20-25 % всего тепла.
     Качество непрерывнолитой заготовки, повышение стабильности работы МНЛЗ и её производительность в значительной степени зависят от правильной организации тепловых процессов в кристаллизаторе, так как именно в нём появляется вероятность возникновения различных дефектов в нарастающей оболочке.
     При получении сортовых заготовок основными дефектами литья являются осевая рыхлость, газовые пузыри, трещины, ромбичность для квадратных и овальность для круглых заготовок и ряд других, связанных с нарушением технологии выплавки и разливки стали, короблением кристаллизаторов, отклонением от технологической оси МНЛЗ [1-7]. Такие дефекты неблагоприятно влияют на литье, ограничивают круг изделий,

изготавливаемых из такого слитка.
     Форма и размеры сечений сортовых заготовок оказывают определённое влияние на специфику образования дефектов. На рис. 1.1 показаны гильзовый (а) и блочный (б) кристаллизаторы круглого сечения. Значительная часть возникающих дефектов для этих видов кристаллизаторов связана с появлением овальности.


Б-Б                       Б-Б

Рис. 1.1. Гильзовый (а) и блочный (б) кристаллизаторы

5

     На рис. 1.2 приведены поперечные сечения сборного (а) и гильзового (б) кристаллизаторов квадратного сечения. Для этого типа кристаллизаторов развитие ряда дефектов связано с возникновением разнодиагональности.
     Исследование качества макроструктуры поперечных темплетов заготовок 220x220 мм из стали 40 показало, что угловые трещины в основной массе залегают на расстоянии 10-20 мм от наружной поверхности. Полость трещин заполнена неметаллическими включениями, преимущественно сульфидного, оксисульфидного, корундового и шпинелевого характера. Возникновение этих дефектов является следствием неравномерного подмыва нарастающей корки и охлаждения непрерывнолитой заготовки [17]. На основе металлографических и электронно-фрактографических исследований был сделан вывод о необходимости увеличения скорости кристаллизации на глубине 250-500 мм.
     Основными дефектами труб, особенно труб, полученных на пилигримовых станах из непрерывнолитых заготовок диаметром 265-540 мм, являются внутренние и наружные плены, трещины и шлаковые включения. Одной из причин их возникновения является неотработанный способ подачи металла в кристаллизатор. Рекомендовано применение сталеразливочных стаканов с увеличенным сечением металлопровода, четырьмя боковыми, направленными вверх, и одним донным разгрузочным отверстиями [4]. Исследованиями в этой работе показано, что организация раннего теплоотвода при горячем мениске в круглом кристаллизаторе способствует улучшению геометрии заготовок и заметному снижению пораженности их различными дефектами.


Рис. 1.2. Сборный (а) и гильзовый (б) квадратные кристаллизаторы

     Способ подвода металла и температуры его перегрева в значительной степени определяют неравномерность нарастания оболочки непрерывнолитых заготовок, которая, в свою очередь, вносит большой вклад в образование и развитие дефектов усадочного характера [3-16].

6

     Это подтверждается и данными в работах [5, 18, 19]: ослабленные участки оболочки являются концентраторами напряжений, где образуются горячие продольные наружные трещины. Исследование заготовок диаметром 360-540 мм показало, что неравномерность фронта затвердевания с увеличением сечения возрастает.
     В сортовых заготовках прямоугольного сечения, особенно квадратного, плохо организованный подвод металла и ряд других факторов приводят к аналогичным результатам. Исследование квадратных непрерывнолитых заготовок 150-300 мм показало, что для уменьшения величины неравномерности фронта затвердевания и сопровождающей ее ромбично-сти (разнодиагональности) необходимо снизить теплоотвод в нижней части углов кристаллизатора, начиная с горизонта 200-400 мм ниже мениска. Это можно достичь, помимо применения кристаллизаторов специальных конструкций, также организацией подвода металла [20, 21]. Аналогией зарождения ромбичности является овалообразование круглой заготовки. Различие заключается в пространственном расположении главной оси дефекта.
     Снижение разнодиагональности в сортовых заготовках, близких к квадратному (280x320 мм), при недостаточно отработанном подводе расплава в кристаллизатор также сопровождается дефектами усадочного и ликвационного характера в промежуточной и осевой зонах [8, 15].
     Для кристаллизаторов более сложного профиля, например, балочного типа (рис. 1.3), возникающая разнодиагональность усугубляется крайне неравномерным скоростным полем потоков расплава.
     Повышение качества непрерывнолитых заготовок связано в значительной мере со снижением вероятности появления продольных трещин. Целенаправленное исследование [22, 23] по изменению условий разливки показало, что перепады температуры жидкой стали в кристаллизаторе и изменение жидкотекучести шлакообразующей смеси от перехода в нее частичек ZrO₂, вымываемых из огнеупорных погружных стаканов, служат причинами появления и развития трещин. Изменение конструкции стаканов и оснащение их теплоизоляционной прослойкой привело к повышению однородности поля температур в сечении кристаллизатора, снижению скорости износа стаканов и снижению индекса пораженности заготовок продольными трещинами. Стойкость разливочных стаканов, в свою очередь, зависит как от материалов и технологии их изготовления [24-26], так и режимов течения газово-металлической смеси в канале погруженного стакана [27-30].

7

Рис. 1.3. Кристаллизатор для балочной заготовки

     Показанная на рис. 1.4 конструкция слябового кристаллизатора с регулируемой шириной полости требует, в отличие от сортовых и профильных, особых условий подвода металла и методов внешних воздействий для оптимизации формирования непрерывнолитых заготовок при снижении количества дефектов в литом металле.
     Особенностью формирования слябовых заготовок, как было показано, является крайняя неравномерность скоростных полей гидропотоков в верхней части жидкой лунки, что сопровождается повышенной неравномерностью продвижения фронта затвердевания со всеми вытекающими последствиями по развитию дефектов ликвационного характера, нарушения сплошности литья, поверхностных дефектов.
     К дефектам слябов, зависящим от нарушения стабильности процесса непрерывного литья, относятся пояса, заливины и завороты корки. Современный уровень технологии производства и непрерывной разливки стали не позволяет получать заготовки без загрязнений неметаллическими включениями, но дает возможность существенно сократить их количество и изменить форму и внутреннее строение литого металла.
     Развитость большинства перечисленных дефектов слябов, как показывает практика, в значительной степени снижается при оптимизации подвода расплава в кристаллизатор, температурного режима литья, а также различного рода внешних динамических воздействий по всей высоте жидкой лунки.

8

Рис. 1.4. Конструкция слябового кристаллизатора с передвижными узкими стенками

     Пример кристаллизатора криволинейной МНЛЗ приведён на рис. 1.5. Кристаллизатор представляет собой жёсткую конструкцию, состоящую из внутренних рабочих медных пластин 1 и внешнего стального корпуса 2. В стенках кристаллизатора имеются каналы 3 для охлаждающей воды. Форма каналов в стенках кристаллизаторов зависит в основном от его конструкции (рис. 1.6). Длина рабочей части применяемых в промышленности кристаллизаторов при удовлетворительном качестве литья может находиться в пределах 300-1000 мм и в значительной степени определяется отливаемым сечением и скоростью вытягивания, ограничивается прочностью затвердевшей на выходе корки толщиной от 15 до 40 мм.
     Кристаллизатор должен обеспечивать основные требования - высокий теплоотвод и условия непрерывного формирования твёрдой оболочки. Тепловой режим кристаллизатора организуется так, чтобы на выходе твёрдая оболочка заготовки была достаточной толщины, максимально равномерна по периметру и прочности для предотвращения возможности порыва металла.
     Использование кристаллизаторов с профилированными (ребристыми, волнистыми, рифлёными) широкими стенками приводит к сокращению брака непрерывнолитых заготовок по продольным трещинам при условии соблюдения определённого соотношения между шагом и высотой применяющихся пилообразных, синусоидальных или параболических выступов профилированных стенок.

9

Рис. 1.5. Кристаллизатор криволинейной МНЛЗ

Рис. 1.6. Схемы каналов в стенках кристаллизаторов: а - тонкостенный кристаллизатор с прямоугольными каналами, б - толстостенный кристаллизатор со сверлёнными цилиндрическими каналами

10

     Эмпирическая зависимость толщины корочки от величины теплового потока Q (Вт), скорости разливки и (м/мин) и периметра заготовки Р имеет следующий вид:
S = Q / KП p ,
где К - опытный коэффициент (для гладких стенок кристаллизатора К = = 11-12, для профилированных 9-11). Классическая зависимость толщины корки в кристаллизаторе £ = kVr даёт хорошее приближение к реальным осреднённым результатам при k = 2,3 -3,2 см /мин⁰,⁵.
     Рассмотрим некоторые теплофизические аспекты интенсификации теплоотвода от формирующихся непрерывных заготовок. Известно, что плотность теплового потока в кристаллизаторах определяется следующим образом:
q = ⁽tж -to⁾K,                      a-1)
где К - суммарный коэффициент теплопередачи;
tж и tₒ - температуры расплава и окружающей среды (охлаждающая кристаллизатор вода).
     В свою очередь, коэффициент теплопередачи подсчитывается по формуле:
К = (1/Рж ⁺⁸ст '■ ⁺¹/“з ⁺¹/“о)⁻¹.            (1.2)
где Рж - эффективный коэффициент теплоотдачи от расплава к поверхности заготовки;
§ст /^ст - тепловое сопротивление стенки кристаллизатора (металлическая форма);
«з - эффективный коэффициент теплоотдачи от поверхности заготовки к стенке, учитывающий наличие термических сопротивлений;
Ио - коэффициент теплоотдачи к окружающей среде.
     Величина определяется из уравнения
“₃=q / (tп - tст),                  (1.3)
где tст, tп - температуры поверхности заготовки и соответствующей стенки.
     Плотность теплового потока в зазоре между стенкой кристаллизатора или изложницы и поверхностью заготовки равна

11