книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

Известно, что в укрупнении неметаллических вклю­ чений практическое значение имеет ортокинетическая коагуляция, обусловленная различной величиной и фор­ мой частиц, неодинаковой их плотностью, а также пе­ ремешиванием металла. Вероятность столкновения раз­ личных частиц можно определить выражениями

ме того, из сопоставления вероятности столкновения ча­ стиц в потоке (Wu) с вероятностью столкновения в спо­ койной жидкости (W'o) вытекает, что, когда диаметр частиц равен 10 мкм, отношение Wu/W0 превышает ІО5. Поскольку в стали всегда встречаются частицы указан­ ных размеров, при перемешивании металла резко уве­ личивается частота встреч.

Из изложенного выше ясно, что жидкая сталь, зали­ ваемая в кристаллизатор, содержит определенное коли­ чество неметаллических включений. Кроме того, вслед­ ствие продолжения химических реакций образуются но­ вые (по терминологии В. И. Явойского, вторичные и тре­ тичные) неметаллические включения в процессе охлаж­ дения металла от температуры, которую он имеет в струе, до температуры ликвидуса, а также в интервале понижения температуры в двухфазной области до точки солидуса. Наиболее существенное значение имеют про­ цессы, протекающие в период кристаллизации, т. е. в ин­ тервале температур ликвидус— солидус.

210

При переходе из жидкого состояния в твердое раст­ воримость в стали кислорода резко уменьшается, в ре­ зультате чего концентрация кислорода в маточном рас­ творе может превысить равновесные значения с элемен­ тами-раскислителями, и реакция между ними в условиях понижения температуры приводит к образованию ок­ сидных неметаллических включений. Известное влияние на этот процесс может оказывать также ликвация эле-

ется в жидких объемах металла внутри двухфазной об­ ласти под влиянием дендритной сегрегации. При дос­ тижении пересыщения начинают выделяться сульфиды и располагаться в междендритных каналах между рас­ тущими кристаллами. Как уже указывалось выше, ис­ следованиями последних лет установлено пластинчатое

вода тепла субдендритные ответвления образуются та­ ким образом, что жидкий металл остается между меж­ дендритными ответвлениями.

Исследования с использованием радиоактивных изо­ топов и электронной микроскопии, а также металлогра­ фические исследования показали, что междендритные расстояния составляют 50—200 мкм в зависимости глав­ ным образом от скорости кристаллизации [163]. Экс­ периментальные данные о междендритных расстояниях, приведенные в предыдущем параграфе, свидетельству­ ют о том, что образующиеся в процессе кристаллизации включения практически не могут быть удалены, так как они очень мелкие и образуются в замкнутых объемах. В этих условиях конвективные потоки металла уже пре­

объема металла в затвердевающем слитке только оксид­ ных и силикатных включений.

Согласно общепринятой точке зрения В. И. Явойско-

211

го [164], поведение неметаллических включений в про­ цессе продвижения фронта кристаллизации определя­ ется соотношениями удельной поверхностной энергии на границах жидкость — включение (ож.в), кристалл — включение (ак.в) и кристалл — жидкость (стк.ж). Если в процессе кристаллизации возникнут условия, обеспечи­ вающие справедливость неравенства

а < а + о

то включения будут захватываться кристаллами и фик­ сироваться в них. В случае возникновения на каком-то этапе кристаллизации условий, нарушающих это нера­ венство, неметаллические включения испытывают крис­ таллизационное давление и отталкиваются в глубь жид­ кого объема металла. Поведение неметаллических вклю­ чений зависит также от их формы и размера: глобуляр­

с изложенным, зависит от скорости кристаллизации. Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше времени на протекание реакций на поверхности уже сформиро­ вавшихся включений и укрупнение включений в резуль­ тате коагуляции. Большие скорости кристаллизации спо­ собствуют захватыванию включений ветвями растущих дендритов и фиксации их на месте расположения в жид­ ком металле. При изменении условий кристаллизации, сопровождающихся сильным развитием ликвационных явлений, химический состав жидкого металла вблизи фронта кристаллизации изменяется настолько, что ме­ няются условия смачивания им включений, происходит обрастание включений кристаллами и фиксация их [164].

В обычных слитках это совпадает с образованием «усов» «ли с изменением дендритной структуры, т. е. на стыках различных кристаллических зон. На основе из­ ложенных теоретических представлений довольно удов­

включений от поверхности обычного слитка к оси, скоп­ ление наиболее крупных включений в нижней части

212

слитка в осевой зоне равноосных кристаллов, а также обычное увеличение числа и размеров сульфидных включений от края к центру слитка [165, 166 и др.].

Этим же объясняется обычно большее количество ок­ сидных и сульфидных включений в зоне расположения усов и пограничной зоне .между столбчатыми и равноос­ ными дендритами и минимальные количества включений в корковой зоне и на протяжении всей столбчатой зоны [134, 165 и др.]. Для объяснения повышенного содержа­ ния оксидных неметаллических включений в нижней части обычного слитка выдвигается несколько отличаю­ щихся друг от друга гипотез.

Согласно одной из них [167, 168] опускание оксид­ ных неметаллических включений в нижнюю часть свя­ зано с захватыванием их оседающими кристаллами; со­ гласно другой [154, 169] оксидные включения являются зародышами первых, наиболеее чистых равновесных кристаллов, образующихся в объеме слитка и опускаю­ щихся в его нижнюю часть. Повышенное содержание оксидных включений в нижней центральной части неко­ торые авторы объясняют также медленным всплывани­

ний при кристаллизации криволинейного непрерывного слитка. К таким особенностям относятся: преобладание в поверхностных слоях слитка в составе неметалличе­ ских включений минеральной фазы стекловидного веще­ ства над сульфидами и преобладание сульфидов над другими минеральными фазами в более глубоких слоях слитка, сосредоточение мелких оксидных и сульфидных включений в больших количествах в поверхностных сло­ ях слитка и увеличение количества крупных сульфидов в осевой зоне слитка, отсутствие скачкообразного изме­ нения содержания оксидных неметаллических включе­ ний в местах перехода зоны столбчатых дендритов в зо­ ну неориентированных дендритов, отсутствие изменения химического состава оксидных неметаллических вклю­ чений в процессе кристаллизации.

Однако на основе изложенных теоретических пред­

213

ставлений не представляется возможным объяснить не­ которые весьма важные особенности поведения неметал­ лических включений при кристаллизации криволинейно­ го слитка. К таким особенностям относятся: большое количество мелких оксидных включений на стороне г по сравнению со стороной R и одинаковое количество суль­ фидов всех размеров по противоположным криволиней­ ным сторонам, резкое увеличение содержания оксидных включений в пределах одной и той же структурной зо­ ны столбчатых дендритов по стороне г на строго опре­ деленном расстоянии от поверхности слитка и отсутст­ вие этого явления по стороне R.

Не совсем строго можно объяснить и резкое увеличе­ ние содержания неметаллических включений в осевой зоне мелких неориентированных дендритов, кристалли­ зация которой в непрерывном слитке идет с высокой скоростью. Совершенно очевидно, что эти особенности в распределении неметаллических включений могут ока­ зать вредное влияние на качество металла, поэтому не­ обходимо проанализировать условия их возникновения и разработать пути их предотвращения. Для этого не­

конвективные потоки жидкого металла в объеме крис­ таллизующегося слитка. В самое последнее время эта точка зрения начинает получать все большее признание.

Причинами описанных особенностей поведения неме­ таллических включений при кристаллизации криволи­ нейного непрерывного слитка могут быть:

1)вынужденные конвективные потоки жидкой стали

уфронта кристаллизации в зоне действия струи;

2)различное расположение криволинейных фронтов кристаллизации по сторонам г я R слитка относительно вынужденных потоков жидкого металла;

3)естественные конвективные потоки в объеме жид­ кого металла за пределами действия струи;

4)прекращение конвективных потоков жидкого ме­ талла при кристаллизации осевой структурной зоны.

Если учесть эти факторы, то можно следующим об­ разом представить модель неравномерного распределе­ ния неметаллических включений в криволинейном не­ прерывном слитке. Основное количество неметалличе­

214

ских включений поступает в объем жидкого металла кристаллизующегося непрерывного слитка со струей из промежуточного ковша. Возникающие под действием струи вынужденные конвективные потоки жидкого ме­ талла, имеющие высокие скорости, увлекают с собой ок­ сидные неметаллические включения и выносят их на фронт кристаллизации. Поскольку криволинейные фронты кристаллизации по сторонам г м R слитка мо­ гут быть по-разному расположены относительно на­ правления циркуляционных потоков жидкой стали, при отрицательных углах встречи потока с плоскостью фрон­ та кристаллизации происходит задержка оксидных включений на «щетке» растущих дендритов. Естествен­ но, это в первую очередь касается мелких оксидных не­ металлических включений, так как они легче увлекают­ ся конвективными потоками и надежнее задерживают­ ся на дендритных ответвлениях.

Выше указывалось, что сульфидные включения пол­ ностью растворены в жидкой стали. Во время кристал­ лизации сера концентрируется в жидких объемах метал­ ла внутри двухфазной области; при достижении пере­ сыщения в междендритных каналах начинают выделять­ ся сульфиды. Следовательно, вынужденные конвектив­ ные потоки жидкого металла не могут повлиять на пе­ рераспределение сульфидов. Этим и объясняется обнаруженное экспериментально одинаковое количество мелких и крупных сульфидных включений по противо­ положным криволинейным сторонам слитка.

За пределами зоны вынужденных конвективных по­ токов жидкого металла неметаллические включения витают в объеме жидкого металла, так как скорость их всплывания значительно меньше скорости опускания непрерывного слитка. Неметаллические же включения, к которым приближается фронт кристаллизации, частич­ но увлекаются естественными криволинейными потока­ ми и переносятся ими в узкую зону лунки жидкого ме­ талла, где отсутствуют конвективные потоки и проис­ ходит кристаллизация центральной зоны слитка в усло­ виях застойного состояния жидко-твердого металла.

Этим объясняется повышенное содержание неметал­ лических включений в осевой зоне слитка, несмотря на высокую скорость кристаллизации последних порций стали. Те же неметаллические включения, которые не

215

были увлечены естественными конвективными потоками вдоль фронта кристаллизации, впоследствии захватыва­ ются ветвями растущих дендритов и фиксируются на месте их расположения в жидком металле. Этим обу­ словлено одинаковое содержание оксидных неметалли­ ческих включений по противоположным криволинейным сторонам непрерывного слитка за пределами зоны дей­ ствия вынужденных конвективных потоков жидкого ме­

пользуя которые можно добиться устранения неравно­ мерности распределения оксидных неметаллических включений в криволинейном непрерывном слитке.

Для определения скорости всплывания неметалли­ ческих включений из жидкой стали обычно применяют уравнение Стокса, которое описывает скорость подъема твердых шариков в спокойной жидкости (/?е<1):

Определим максимальный радиус частиц, попадаю­ щих в кристаллизатор из разливочного ковша. Высота уровня металла в основном разливочном ковше состав­ ляет [171]

или

где Qp— вес металла в ковше, тс.

где М р — скорость разливки, т/с.

216

Емкость промежуточного ковша обозначим через qP, уровень металла — через Лр. Средняя скорость опуска­ ния уровня металла в промежуточном ковше составит

лр Мр

Яр

В. С. Рутес определил, что высота уровня металла в промежуточном ковше, равная 650 мм, обеспечивает вслывание включений диаметром более 800 мкм и, как показали опытные работы, устраняет их попадание в кристаллизатор.

На современных установках hp «[0,6^м -г- 0,7 м;

% = 0,05 + 0,1 Qv,

тогда

Следовательно, влиянием промежуточного ковша на степень очистки металла от включений диаметром ме­ нее 800 мкм можно пренебречь. В этом случае макси­ мальный диаметр неметаллических частиц будет полно­ стью определяться всплыванием их в большом ковше. К моменту разливки тр поступит металл, расположен­ ный на расстоянии х от дна ковша. В этом случае мак­ симальный размер частиц определится из соотношения

(167)

где тв — время выдержки металла в ковше; Ар— разность плотностей металла и включений.

Ql g&? (*в + тр)

217

где

После преобразования

Г2.6T]Qp/aTp

( 169)

e b ? (Тв + Тр)

Согласно выражению (169), максимальный диаметр неметаллических частиц, попадающих в кристаллизатор, определяется емкостью основного ковша, временем вы­ держки металла перед разливкой, удельным весом ча­ стиц, скоростью и продолжительностью разливки. Для оценки справедливости формулы (169) рассчитаем мак­ симальный диаметр неметаллических включений, попа­ дающих в кристаллизатор в условиях радиальной уста­ новки непрерывной разливки стали Руставского метал­ лургического завода. После подстановки известных данных гвил.max составит порядка 60 мкм. Полученные расчетные значения удовлетворительно совпадают с экс­ периментальными.

Сопоставляя выражения (169) и (164), определим максимально возможную скорость всплывания частиц в кристаллизаторе:

м/с. (170)

Анализ соотношения (170) показывает, что скорости всплывания частиц ничтожно малы и составляют поряд­ ка 0,5—1,0 мм/с. Эти скорости значительно меньше ско­ ростей разливки (8—12 мм/с), и, следовательно, всплы­ вания неметаллических включений, попавших в кристал­ лизатор, трудно ожидать.

Очевидно, основная роль в перераспределении неме­ таллических включений внутри затвердевшего непрерыв­ ного слитка принадлежит потокам жидкой стали, возни­ кающим под действием струи. В главе 11 установлено, что скорость струи определяется по формуле

ОСЬ= (3,8 V Ар+ 4,4 y h r) e

218

Можно предположить, что глубина проникновения струи определяется расстоянием, на котором интенсивность вынужденной и естественной конвекции является, одинаковой. Показателем интенсивности может служить критерий Нуссельта. Согласно [81], при естественном1 перемешивании

при вынужденном движении

Приравнивая выражения (171) и (172), получаем с небольшой погрешностью (приняв /Ѵ°-0І7= І)

I

Х10~б м2/с, ß==10~4) и преобразований получим следую­

W