Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Кроме перечисленных выше способов внепечнои обработки металла на установках непрерывной разливки возникли (и непрерывно возникают) такие способы обработки жидкого металла   и   внешнего   воздействия   на   кристаллизующийся   металл, которые можно назвать "специальными". Какой-либо общепри-1 нятой классификации этих способов нет. Акад. АН УССР В.А.Ефимов [25] предложил следующую классификацию методой внешних воздействий на жидкий металл в процессе разливки! I— группа методов— введение в расплав давлений и коле-Г баний — низкочастотная и высокочастотная (ультразвуковая! вибрации; II группа - механическое перемешивание расплава[ под воздействием электромагнитного поля, газоимпульсной обработки; продувки инертными газами и специальными меха4 ническими мешалками; III группа - введение в расплав кон-1 центрированных источников энергии — электроимпульсная об-l работка и воздействие на расплав взрывом. Возможны и дру! гие схемы классификации. Рассмотрим некоторые из этих ме-| годов более подробно.

Электромагнитное перемешивание. Первые опыты по элект! ромагнитному перемешиванию (ЭМП) металла при непрерывно^ разливке были проведены еще в 50-е годы. В конце 70-х го! дов этот метод получил широкое распространение.

ЭМП используют для решения двух задач: 1) для улучше! иия внутреннего строения заготовки (измельчения структуры, снижения степени ликвации в средней и центральной частях, уменьшения центральной пористости); 2) для улуч! шения поверхности заготовки (снижения количества поверх] нос1ных дефектов, количества неметаллических включений поверхностном слое, повышения толщины наружной плотност корочки).

Механизм воздействия на металл при решении первой за! дачи основан на снижении перегрева, обламывании ветвей дендритов и создании циркуляции металла в жидкой сердцевине. Решение второй задачи связано с созданием потоков на поверхности металла в кристаллизаторе и 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.

Метод ЭМП позволяет управлять структурой отливаемых слитков путем подавления образования столбчатой кристаллизации, улучшения осевой сегрегации, снижения чувствительности к трещинообразованию, повышения допустимого перегрева. При разработке систем ЭМП необходимо учитывать размеры кристаллизатора, скорость разливки, марку стали, тип УНРС, тип ЭМП, установку ЭМП, направление перемешивания, частоту и мощность ЭМП. ЭМП должно работать так, чтобы поток жидкого металла достигал кристаллизаюра и обеспечивал хорошую турбулентность поверхности ванны металла. Интенсивность ЭМП должна уменьшаться при снижении содержания легирующих элементов в разливаемой стали и при уменьшении скорости разливки. В соответствии с опытом, накопленным фирмой "Concast" (Швейцария), для сортовой и блюмовой установок лучше использовать ЭМП кругового типа (8.19, а) с высокой выходной мощностью, для нешироких слябов (шириной < 1000 мм) лучше использовать установки ЭМП продольного типа, состоящие из двух—трех катушек,   располагающихся  под   кристаллизатором   (  8.19,   б), а для широких слябов установки ЭМП поперечного типа (8.19, в) [26].

При внедрении ЭМП возникло несколько проблем, одна из которых  включала  образование  полос  как  следствие  отрицательной  и  положительной  ликвации,  а  вюрая -  выбор  оптимальных   параметров   перемешивания   для   подавления   роста столбчатой   структуры.   На   практике   чаще   всего   применяют два   вида   ЭМП:   круговое   (вращательное)   и   осевое.  Как  уже отмечалось,  круговое применяют главным  образом в  кристаллизаторах   сортовых  УНРС,   так  как   оно   способствует   удалению  включений  от  поверхности  заготовок,  улучшению  тепло-огвода   и  уменьшению  вероятности  прорыва   корочки,   однако эффект   центрифугирования   вызывает   центральную   ликвацию легких   элементов,    а    также    скопление   вблизи   поверхности тяжелых,  но   легкоплавких  (Р,  Se,   Pb)  элементов,   что  может привести к прорыву корочки. Применение вращательного ЭМП ниже кристаллизатора нарушает естественную конвекцию жидкого   металла   и   можег   вызывать   образование   "мостов",   способствующих  увеличению   макроликвации.   Осевое   ЭМП   (вниз вдоль    стенок,    вверх    по    оси    заготовки)    наиболее    благоприятно,   так  как  предотвращает  опасность  прорыва,   способствует уменьшению глубины жидкой лунки. Однако для размещения  оборудования  осевого  ЭМП  требуется  большое  расстояние вдоль заготовки без поддерживающих роликов В настоящее время  начали  с  успехом  применять  методы  многоступенчатого ЭМП, когда в кристаллизаторе и вблизи конца жидкой  лунки непрерывнолитой   заготовки   устанавливают   оборудование   для вращательного,  а  в  средней части  УНРС  —  для  осевого  ЭМП. Входит в практику непрерывное ЭМП,при котором обеспечивают движение жидкого металла ниже кристаллизатора у стенок заготовки    вниз,     по     оси     -    вверх,     а     в    кристаллизаторе наоборот: у стенки  - вверхпо  оси - вниз. Наилучшие результаты    дает    перемешивание,    обеспечивающее    спиральное    (с большим шагом витков) движение жидкого металла.

Чаще всего устройство электромагнитного перемешивания включает статор асинхронного электродвигателя, ротором служит жидкий металл. Используемая частота 1—20 Гц, число фаз 2—3, число полюсов 1 и более, сила тока ~ 3 кА, напряжение «400 В, мощность 10-3000 кВ-А. Максимальный эффект в ряде случаев получаки тогда, когда ЭМП осуществляют и в кристаллизаторе, и в зоне вторичного охлаждения и перед обжимными роликами. Кроме этого, в начале 80-х годов был создан новый способ электромагнитного воздействия на металл — способ так называемого электромагнитного торможения (ЭМТ). Фирмы "Kawasaki Steel Corp." (Япония) и "ASEA АВ" (Швеция) разработали для слябовых установок процесс и оборудование для электромагнитного воздействия на металл в кристаллизаторе [27, 28]. Оборудование включает два комплекта 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 кристаллизаторы струи стали, благодаря чему неметаллические включения получают возможность быстро всплывать на поверхность мениска (8.20). Особенно эффективно использование ЭМТ на радиальных УНРС, на которых при повышении скорости разливки увеличиваются отложения включений на внутреннем радиусе заготовки. Применение ЭМТ обеспечило повышение скорости разливки на 30 % без увеличения загрязненности металла включениями.

Метод ЭМТ позволяет предотвратить вторичное расплавление корочки узкой грани заготовки и снижает содержание включений в зоне их концентрации, находящейся на 1/4 от толщины заготовки. На заводе фирмы "Кавасаки сэйтэцу" (Япония)    провели    сопоставительные    исследования    эффекта EMBR на двух криволинейных слябовых УНРС (с и без EMBR) и на вертикальной слябовой УНРС (без EMBR). Обнаружено, что концентрация включений при работе с EMBR уменьшилась в два раза и находится примерно на уровне, достигаемом на вертикальной УНРС. Благодаря EMBR снижается скорость вытекающих потоков металла и предотвращается размывание узких граней заготовки. Уменьшилась пораженность заготовок микродефектами и особенно тех участков, которые соответствуют периоду стыковок двух плавок.

Воздействие ультразвуком и электроразрядами. Энергия ультразвука, воздействующая на расплав, изменяет кинетику процесса; при воздействии ультразвука наблюдается усиление перемешивания жидкой фазы, обламывание растущих кристаллов.

В СССР проведено специальное исследование воздействия ультразвука на теплообменные и другие процессы в струе стали ШХ15 (8.21). Исследование показало, что прохождение струи стали через теплообменник с ультразвуковой обработкой приводит к снижению температуры поступающего в кристаллизатор металла, следствием чего является увеличение    скорости   кристаллизации,    умш.шение    глубины    лунки жидкого металла. При этом отмечено уменьшение количества дефектов усадочного происхождения, уменьшение зоны направленных столбчатых дендри-тов, измельчение и более равномерное распределение карбидов по объему слитка [29]. Испытан ряд способов организации воздействия ультразвуком: через зеркало расплава в кристаллизаторе,  через оболочку затвердевающего слитка в зоне вторичного охлаждения, через направляющие ролики (8.22), через водоох-лаждаемую ультразвуковую воронку и др.

Фирмы "Nippon Steel" и "Sumitomo Metal" (Япония) провели исследования влияния ультразвукового вибратора (УЗВ) на кристаллизацию. Опыты на кристаллизаторе 400x100 мм показали, что при использовании в качестве смазки литейных порошков с применением ультразвука возможна отливка заготовок длиной до 6 м без качания кристаллизатора. При этом использовали два УЗВ мощностью 400 Вт (16—18 кГц) каждый, установленных на широких гранях кристаллизатора. Качество поверхности заготовок улучшилось. Опыты, проведенные на кристаллизаторе 300x200 мм с УЗВ на всех четырех сторонах (15 кГц), подтвердили возможность отливки заготовок без качания кристаллизатора, Продолжительность разливки составляла 140 мин, скорость разливки — 0,8 м/мин. Применение УЗВ сопровождается уменьшением сопротивления трения, глубина поверхностных складок уменьшилась, количество поверхностных пузырей уменьшилось почти в пять раз [30].

Специально проведенное институтом IRSID (Франция) исследование (генератор мощностью 5 кВт, обеспечивающей на всех четырех стенках кристаллизатора (8.23) колебания частотой ~ 13 кГц и максимальную амплитуду 5—7 мм) также показало, что применение ультразвука существенно изменяет механизм смазки, что проявляется в снижении сцепления стали со стенками кристаллизатора и улучшении поверхности заготовки [31]. Одним из перспективных методов физического воздействия на расплав является способ, основанный на использовании высоковольтного электрического разряда в жидкости. В отличие от других способов воздействия на кристаллизующуюся заготовку (ультразвукового, электромагнитного) он характеризуется высокими энергетическими показателями в импульсе и, в то же время, меньшими общими затратами потребляемой энергии. Исследования ЦНИИТМаш показали, что метод наложения постоянного электрического поля на кристаллизующийся слиток обеспечивает значительное снижение, а иногда и полностью исключает зональную ликвацию серы в металле. Экономические показатели не позволили пока использовать этот метод в широких масш-; табах.

УкрНИИМ и ПКБ электрогидравлики АН УССР на ряде метал-|! лургических заводов СССР успешно исследуют способ воздействия на кристаллизующуюся середину заготовки при помощи электроразрядного генератора упругих колебаний (ЭРГУК), который 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 загоювки и плотно   прижатых   мембранами  к   поверхности   заготовки,   периодически производятся электрические разряды. Генерируемые ими колебания широкого спектра через мембраны передаются оболочке заготовки и ее жидкой сердцевине. В результате повышается структурная, химическая и физическая однородность металла [32].

На 8.24 показана схема организации электрогидро-имтгульсного воздействия (ЭГИВ) на металлический расплав, основанного на использовании электрогидравлического эффекта. Передаваемые волноводом в расплав упругие колебания приводят к кавитационным явлениям в объеме жидкой ванны, интенсификации образования твердой фазы вследствие механической и тепловой эрозии в основном мениска и волновода и в меньшей степени фронта затвердевания, активации зародышей кристаллов, коагуляции и ускорения всплыва-ния неметаллических включений, дегазации расплава [33]. В СССР разрабатывается и проходит опробование способ кон-дуктивного электромагнитного перемешивания (КЭМП) жидкого ядра слитка при непрерывной разливке. Сущность способа состоит в пропускании постоянного элктрического тока через слиток и создании постоянного магнитного поля в той же части слитка. В области жидкого ядра под действием электрического тока и магнитного поля, возникает поле электромагнитных сил, под действием которых жидкий металл начинает перемещаться .

Воздействие вибрации. Положительное воздействие вибрации на процессы измельчения структуры стали в процессе ее кристаллизации известно. В СССР влияние вибрации жидкого металла в кристаллизаторе на качество непрерывнолитых заготовок исследовали на литейно-прокатном агрегате завода "Электросталь" . Обнаруженное измельчение структуры металла при вибрации объяснено тем, что под воздействием колебаний возрастает давление жидкого металла на растущие кристаллы, которые разрушаются, образуя при этом дополнительные центры кристаллизации. Это приводит к повышению скорости кристаллизации и уменьшению продолжительности коагуляции включений.

Искусственные   холодильники   и   модификаторы.   Влияни микрохолодильников  (инокуляторов) и модификаторов на  изЯ менение  макроструктуры  слитков  известно.  При  воздействии микрохолодильников и модификаторов создаются дополнительные  центры кристаллизации в жидкой фазе слитка,  приче)>|М образование   зародышей  равноосных  кристаллов  может  прои зойти   за   зоной  концентрационного   переохлаждения,   где   ме далл   чище   и  имеет   высокую   температуру   плавления.  В   ка| честве   модификаторов   успешно   применят   РЭМ.   Применен инокуляторов в промышленном масштабе связано с определен| ными трудностями. Имеющиеся способы  введения  микрохоло дильников   и  модификаторов   не   обеспечивают  регламентиро ванного ввода частиц в жидкую фазу слитка, что значитель! но   снижает   равномерность   их   распределения.   Кроме   этого) вводимые железные порошки не обладают необходимой чистотой, что приводит к повышенному содержанию неметаллических включений в слитке. Исследования показали,  что наиболее   заметные   изменения   макроструктуры   происходили   при введении значительного  количества  инокуляторов  (до  3 %  от массы   разливаемого   металла).   Принятие    такой   технологи вызвало бы необходимость создания дополнительных мощное! тей   по   производству   этих   инокуляторов.   Однако   исследова-j ния  по  созданию  технологии  введения  в  кристаллизующийся' металл искусственных холодильников продолжаются. В ИПЛ АН УССР проведены исследования влияния стальной дроби на ко-     | личественный  и  качественный  состав  неметаллических  вклю-1 чений в непрерывнолитой суспензионной стали 35ГС и ШХ151 Использовали  дробь из  стали 35ГС,  ПЗ  и ШХ15. Применений дисперсных  инокуляторов  позволило  увеличить  скорость  раз-1 ливки на 30-50% [34].  Практика  показала  также, что легированной   дроби  различного   состава   позволяет   регулир вать состав неметаллических включений.

Одним из способов организации внешнего воздействия на| кристаллизующийся металл является способ искусственного создания дополнительных центров кристаллизации путем ис-1 пользования так называемых водоохлаждаемых холодильников) (ВХ)* . Схема ВХ, разработанная проф. А.А.Скворцовым соавторами  , показана на 8.25.

Водоохлаждаемый холодильник состоит из медной конусообразной заготовки, приваренной к корпусу, внутренней конусообразной вставки и патрубков для подвода и отвода воды от холодильника. Рабочую часть холодильника (РЧХ) в начале разливки погружают в лунку жидкого металла. На наружной поверхности РЧХ, контактирующей с жидким металлом, периодически намораживается корка, которая вследствие использования различных приемов отпадает и опускается в глубь лунки слитка, что приводит к более быстрому снятию перегрева жидкого металла в кристаллизаторе и образованию дополнительных центров кристаллизации. Конусная форма РЧХ улучшает условия удаления корочки с его поверхности.

По способу удаления намерзающего металла с РЧХ холодильники делятся на несколько классов, среди которых от-мегим только два: ВВХ (водоохлаждаемый виброхолодильник)- удаление  "чулка" при помощи вибрации и ПВХ— примораживание корки на РЧХ к оболочке непрерывного слитк Ведутся работы по созданию других классов холодильников.

На 8.25 показаны два испытанных варианта удаления намерзающего металла. Первый вариант связан с непрерывным встряхиванием корки РЧХ при креплении его через поддерживающее устройство к промежуточному ковшу. Второй вариант осуществляется при креплении поддерживающего устройства на верхней кристаллизаторной плите, совершающей колебания вслед за кристаллизатором. Эксперименты, проведенные в промышленных условиях, показали, что применение водоох-лаждаемых виброхолодильников позволяет снизить уровень ( развития дефектов макроструктуры литого металла на 1-3 балла. Вместе с тем, получение дополнительной твердой фазы при помощи виброхолодильников позволяет имельчить макрозерно, снизить и даже при определенных условиях ликвидировать зону гранскристаллизации .

ИЭС им.Патона совместно с ИПЛ АН УССР и рядом заводов разработали технологию получения новых металлических конструкционных материалов — армированные квазимонолитные (АКМ) и квазислоистые (КСМ) материалы. Основой технологии получения стали АКМ и КСМ является способ автовакуумной сварки давлением. При производстве стали АКМ предусматривается активное воздействие на процесс затвердевания при помощи    использования    внутренних    кристаллизаторов    (рис.8.26) и последующей сварки при горячей деформации слитков АКМ (прокатке, ковке, прессовании). При производстве • стали КСМ создается слоистость в твердом состоянии в пакетах из отдельных листов или непрерывнолитьп слябов, а также в цилиндрических кольцевых монослоистых заготовках, получаемых путем навивки рулонной ленты; при последующей горячей прокатке пакетов при раскатке кольцевых заготовок обеспечиваются необходимые условия для сварки и сцепления между слоями.

Применительно к непрерывной разливке процесс АКМ позволяет управлять структурой непрерывнолитой заготовки путем ввода в жидкий расплав в кристаллизатор армирующего вкладыша в виде лен1, сетки, прутков и др. Помимо подавления ликвационных явлений и повышения плотности металла такая технология позволяет увеличить скорость разливки и соответственно повысить производительность УНРС    [35].

Оригинальные исследования проведены в СССР на полупромышленной экспериментальной УНРС, где исследовали тепло-физические явления, сопровождающие формирование непрерывного слитка при перемешивании расплава в кристаллизаторе при помощи вращающегося разливочного стакана  .

Измерение температуры по радиусу слитка показало, чю при разливке с механическим перемешиванием заметно изменяется характер теплоотвода через кристаллизатор: при разливке стали 45 удельные тепловые потоки увеличиваются по всей высоте кристаллизатора на 20—30 %, 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. Более крупные слитки отливают, перемешивая жидкую фазу в кристаллизаторе при помощи активаторов (водил) — огнеупорных стержней, погруженных в металл. При этом измельчается    структура   металла,    изменяется   соотношение    структурных зон в сторону расширения зоны равновесных криста} лов. Приведенные примеры характеризуют пути искания новых методов повышения качества металла при непрерывной разливке.