Способ непрерывной разливки кордовой стали

 

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к непрерывной разливке кордовой стали. Технический результат - изготовление кордовой стали с высокой скоростью разливки до 0,8 м/мин с повышенными физико-механическими свойствами. Способ непрерывной разливки кордовой стали включает охлаждение отливки в кристаллизаторе, радиальную вытяжку непрерывно-литой заготовки с ее принудительным водяным охлаждением в зоне вторичного охлаждения и правку слитка с его охлаждением на воздухе. В процессе разливки интенсивность охлаждения отливки в кристаллизаторе и скорость разливки устанавливают с учетом термонапряженного состояния заготовки при условии, что величины максимальных термических напряжений в непрерывно-литой заготовке по сечению затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны вторичного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке соответственно равны друг другу и не превышают 0,9 предела прочности литой стали при заданной температуре. 1 ил.

Изобретение относится к металлургии, к непрерывной разливке кордовой стали, преимущественно с применением радиального непрерывного литья заготовок.

Известен способ непрерывного литья заготовок, включающий подачу расплава в кристаллизатор для первичного охлаждения, вертикальную вытяжку непрерывно-литой заготовки из кристаллизатора в зону вторичного принудительного водяного охлаждения при избыточном давлении 0,2 Мпа, охлаждение на воздухе с последующей газорезкой на мерные слябы /1/.

Способ обладает высокой производительностью, однако, в связи с тем, что технология не учитывает величину максимальных термических напряжений в непрерывно литой заготовке на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны водяного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке, в последнем возможно образование макро- и микропороков на поверхности и в центре, что требует дополнительной механической или огневой обработки блюма, либо приводит к отбраковке заготовки.

Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ изготовления кордовой стали путем непрерывной разливки расплава в кристаллизотор, охлаждение отливки в кристаллизаторе, радиальную вытяжку непрерывнолитой заготовки с принудительным водяным охлаждением, правку слитка с охлаждением на воздухе, с последующим газовым разделением на мерные слитки /2/.

Способ позволяет получать кордовую сталь с начальной скоростью разливки 0,5-0,55 м/мин и конечной скоростью разливки 0,58-0,6 м/мин, однако, допускает при высоких скоростях 0,8-0,9 м/мин разливки прорыв жидкого металла, образование внутренних дефектов в виде горячих трещин и рыхлостей из-за недостаточного или избыточного охлаждения поверхности непрерывно-литой заготовки.

В основу изобретения положена задача изготовления кордовой стали с высокой скоростью до 0,8 м/мин разливки с повышенными физико-механическими свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что в способе непрерывной разливки кордовой стали, включающем охлаждение отливки в кристаллизаторе, радиальную вытяжку непрерывно-литой заготовки с ее принудительным водяным охлаждением в зоне вторичного охлаждения и правку слитка с его охлаждением на воздухе, согласно изобретению, в процессе разливки интенсивность охлаждения отливки в кристаллизаторе и скорость разливки устанавливают с учетом термонапряженного состояния заготовки при условии, что величины максимальных термических напряжений в непрерывно-литой заготовке по сечению затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны вторичного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке соответственно равны друг другу и не превышают 0,9 предела прочности литой стали при заданной температуре.

На чертеже дан график распределения величин максимальных термических напряжений в непрерывно литой заготовке на выходе из кристаллизатора (1), на выходе из зоны вторичного водяного охлаждения (2) и в полностью затвердевшем слитке (3) по сечению затвердевшей корочки.

Способ непрерывной разливки кордовой стали осуществляют на машине непрерывного литья заготовок типа МНЛЗ-3 БМЗ радиального типа с вертикальным прямолинейным кристаллизатором.

Жидкую сталь из разливочного ковша подают в промежуточную емкость, снабженную механизмом регулирования расхода металла, и в кристаллизатор для охлаждения отливки, из которого осуществляют с заданной скоростью радиальную вытяжку непрерывно литой заготовки с принудительным водяным охлаждением плоскофакельными форсунками в зоне вторичного водяного охлаждения ЗВО для формирования твердой оболочки толщиной до 45...50 мм при температуре на поверхности слитка 1100...1150°С. За зоной вторичного охлаждения находится разливочная дуга для осуществления постепенного радиального изгиба слитка с радиусом кривизны 10 м. После чего производят перевод слитка в горизонтальной положение путем его правки с охлаждением на воздухе. Далее непрерывный слиток разрезают на блюмы равной длины.

В процессе разливки стали интенсивность охлаждения отливки в кристаллизаторе, в зоне вторичного водяного охлаждения и скорость разливки устанавливают с учетом теплового и термического - термонапряженного состояния заготовки при условии, что величины максимальных термических напряжений в непрерывно-литой заготовке по сечению затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны вторичного водяного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке соответственно равны друг другу и не превышает 0,9 предела прочности литой стали и связаны следующим соотношением при заданной температуре для исключения возможности возникновения поверхностных и внутренних дефектов в заготовке

где σ - текущее термическое напряжение в твердой корке отливки, МПа;

β - коэффициент линейного расширения литой стали;

σ_пр - предел прочности литой стали, МПа;

Е - модуль упругости, МПа;

ν - коэффициент Пуассона;

ϕ - относительная толщина фиктивного слоя твердой корки;

Х=x/ξ - относительная координата твердой фазы;

ξ - текущая толщина твердой корки, м;

х - текущая координата в сечении твердой корки, м;

T_S, T_C - температуры солидуса и окружающей среды (стенки кристаллизатора, охлаждающей воды и воздуха) соответственно;

- фиктивный слой твердой фазы;

λ(Т) - теплопроводность данной марки при температуре ТК, Вт/mК;

α - коэффициент теплоотдачи на поверхности заготовки, Вт/(m²К)).

С учетом проявления в области высоких температур эффекта релаксации для уточнения значений температурных напряжений используют следующую зависимость:

где τ - текущее время; τ_рел - время релаксации:

где μ^* - коэффициент вязкости материала при температурах, близких к температуре солидус (μ^*=3,5·10⁹ Па·с);

G=G₀ехр[-k(T-T₀)/(T^*-T₀)] - модуль сдвига;

G₀ - значение модуля сдвига при контрольной температуре Т₀<Т (G₀=5·10⁸ Па, Т₀=700°С, T^*=1400°С, k=4);

Q=269,93 кДж/моль - энергия активации;

R=8,31 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная.

Величина максимальных термических напряжений в непрерывно-литой заготовке по сечению затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны вторичного водяного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке в пределах допустимого напряжения, равного 0,9 предела прочности литой стали, практически придает 10% запас прочности твердеющей корочке при заданной температуре для исключения возможности возникновения поверхностных и внутренних дефектов в заготовке.

С использованием разработанной технологии осуществляют многовариантный анализ процессов затвердевания и охлаждения. В качестве примера на чертеже приведены результаты определения максимальных термических напряжений по сечению затвердевшей корочки непрерывно литого слитка размером 0,250 × 0,300 м (сталь 80К, скорость разливки ω=0,8 м/мин). Из графической зависимости следует, что характер распределения термических напряжений по сечению затвердевающей корочки заготовки является одинаковым.

Приведенные на чертеже 1 графики характеризуют технологическую особенность способа, поскольку кривые 1, 2, 3 показывают распределение максимальных термических напряжений максимальных термических напряжений в непрерывно-литой заготовке на выходе из кристаллизатора (1), на выходе из зоны вторичного водяного охлаждения ЗВО (2) и в полностью затвердевшем слитке (3), которые связаны между собой и с пределом прочности литой стали соотношением (1).

Безразмерная координата по оси абсцисс наглядно демонстрирует состояние затвердевшее корочки в непрерывно-литой заготовке по сечению слитка, где координата 0-поверхность слитка, а координата 1,0 - ось слитка.

По оси абсцисс на выходе из кристаллизатора толщина твердой корочки составляет приблизительно 0,23 от половины толщины литой заготовки (левая штриховая ордината, по кривой 1).

На выходе из зоны вторичного водяного охлаждения толщина твердой корочки составляет приблизительной 0,48 от половины толщины литой заготовки (правая штриховая ордината, по кривой 2).

На протяжении всего процесса затвердевания в слое, примыкающем к границе двухфазная зона - затвердевшая часть, наблюдают растягивающие напряжения (~14 МПа), а в слое, расположенном вблизи охлаждаемой поверхности, - сжимающие напряжения (~ 55 Мпа).

Предел прочности для литой стали по известным данным принимаем σ_пр=20 МПа для области высоких температур (в районе температур солидуса) и σ_пр=60-70 МПа (для температур охлаждаемой поверхности) с соответствующей интерполяцией σ_пр в диапазоне T_S-Т_пов.

Анализ распределения термических напряжений по сечению корочки показывает, что расчетные значения напряжений не превышают предела прочности по всему сечению затвердевшей корочки. На основании новой технологии предложены рабочие режимы разливки кордовой стали марок 70К, 75К, 80К, 85К: ω - 0,65-0,8 м/мин для заготовок 0,250 × 0,300 м; ω - 0,6-0,7 м/мин для заготовок 0,300 × 0,400 м.

Поле температур поверхности в характерных точках непрерывно литой заготовки 0,250 × 0,300 м при различных скоростях разливки имело следующий характер: на выходе из кристаллизатора 870-970°С, в конце зоны вторичного принудительного водяного охлаждения 1050...1180°С, в зоне правки повышается на 110...140°С и монотонно убывает до 900°С, в полностью затвердевшем слитке.

С использованием предложенной технологии возможно управлять расходом охлаждающей воды и скоростью разливки, а также прогнозировать величину сжимающих термических напряжений по сечению заготовки в ходе затвердевания, охлаждения и последующего нагрева в проходной печи стана 850.

Новая технология разливки кордовой стали марок 70К, 75К, 80К, 85К позволяет увеличить скорость непрерывного литья до ω - 0,75-0,8 м/мин для заготовок 0,250 × 0,300 м; ω - 0,68-0,73 м/мин для заготовок 0,300 × 0,400 м без прорывов жидкого металла и образования внутренних дефектов в виде горячих трещин и рыхлостей по сравнению с известной при скорости разливки 0,58-0,6 м/мин.

Разработанные режимы разливки кордовых марок сталей прошли промышленное опробование в условиях МНЛЗ-3 БМЗ.

Источники информации

1. Ю.А.Самойлович, В.А.Тимошпольский, И.А.Трусова, В.В.Филиппов. Стальной слиток, т.2, Минск, “Белорусская наука”, 2000, с.367-371.

2. Ю.А.Самойлович, В.А.Тимошпольский, И.А.Трусова, В.В.Филиппов. Стальной слиток, т.2, Минск, “Белорусская наука”, 2000, с.380-383, рис.4-12.

Формула изобретения

Способ непрерывной разливки кордовой стали, включающий охлаждение отливки в кристаллизаторе, радиальную вытяжку непрерывнолитой заготовки с ее принудительным водяным охлаждением в зоне вторичного охлаждения и правку слитка с его охлаждением на воздухе, отличающийся тем, что в процессе разливки интенсивность охлаждения отливки в кристаллизаторе и скорость разливки устанавливают с учетом термонапряженного состояния заготовки при условии, что величины максимальных термических напряжений в непрерывнолитой заготовке по сечению затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора, на выходе из зоны вторичного охлаждения и в полностью затвердевшем слитке соответственно равны друг другу и не превышают 0,9 предела прочности литой стали при заданной температуре.

РИСУНКИ

Рисунок 1