Сущность метода мягкого обжатия слябовой непрерывно-литой заготовки

Аналогичный расчет был проведен для стали 42CrMo4V (см. рисунок). Для того чтобы обеспечить требуемое содержание серы (менее 0,015%), пришлось заложить в расчет двукратное увеличение массы шлака (Л = 2%). При этом содержание серы снижается ниже 0,015% после 32-33 мин обработки стали в ковше, тем не менее, из-за значительного повышения массы шлака такой вариант технологии вряд ли следует считать рациональным.

В то же время, частичная замена молибдена, добавляющегося ферромолибденом в легированную серой сталь, молибдени-товым концентратом вполне возможна и должна способствовать повышению экономичности производства.

Список литературы

1. Неизотермический обжиг молибденитового концентрата / Ше-шуков О.Ю., Вусихис A.C., Кудинов Д.З., Овчинникова Л.А., Ларионов A.B., Гуляков B.C. // Труды Международного конгресса «Фундаментальные основы технологий переработки и утилизации техногенных отходов». Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2012. С. 255-259.

2. Итоги науки и техники. Сер. Теория металлургических процессов. Т. 6. М.: ВИНИТИ, 1987. 208 с.

3. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. 503 с.

УДК 621.746.5.047:669.14

В.В. Мошкунов, A.M. Столяров

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

СУЩНОСТЬ МЕТОДА МЯГКОГО ОБЖАТИЯ СЛЯБОВОЙ НЕПРЕРЫВНО-ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ

Система мягкого обжатия непрерывно-литых заготовок начала широко применяться в конце XX века. Это связано с внедрением новой конструкции роликовой проводки МНЛЗ. Все новые слябовые МНЛЗ имеют оборудование для осуществления мягкого обжатия отливаемых заготовок. В англоязычной специальной литературе данный метод именуется как «soft reduction» (SR).

Мягкое обжатие слябовой непрерывно-литой заготовки осуществляется путем нажатия верхними роликами сегментов зоны вторичного охлаждения МНЛЗ при стационарном положении нижних роликов и плавном обжатии на несколько миллиметров той части заготовки, внутри которой находится конечная часть лунки жидкого металла. Схематичное изображение процесса мягкого обжатия непрерывно-литой заготовки показано на рис. 1.

Двухфазная зона

оооооооа

Обжатие заготовки

V__;

^огтооооооо

Жидкая фаза 1,0

0

0,80...0,65 0,30...0,20 Содержание жидкости в заготовке

Рис. 1. Схема мягкого обжатия слябовой непрерывно-литой заготовки в процессе разливки

При этом очень важно, чтобы длина обжимаемого клинообразного участка совпала с интервалом между первым и вторым порогами проницаемости двухфазной зоны внутри заготовки. Первый порог или «граница выливаемости» характеризует начало затруднения подпитки жидким расплавом двухфазной зоны. По мнению разных авторов, этот порог наступает при наличии еще 0,800,65 жидкой фазы внутри заготовки. Величина этого параметра во многом зависит от химического состава разливаемой стали, в первую очередь, от содержания углерода, а также от скорости вытягивания заготовки из кристаллизатора. При уменьшении содержания углерода в металле доля жидкой фазы в двухфазной зоне заготовки, соответствующей первому порогу проницаемости, снижается. С увеличением скорости вытягивания заготовки из кристаллизатора протяженность лунки жидкого металла внутри заготовки растет, а значит, и увеличивается гидравлическое сопротивление двухфазной зоны между положениями двух порогов проницаемости. Это вызывает более раннее прекращение движения расплава, а величина доли жидкой фазы в двухфазной зоне на первом пороге проницаемости увеличивается.

При достижении 0,30-0,20 жидкой фазы внутри заготовки сопротивление течению расплава становится настолько высоким,

что подпитка двухфазной зоны уже невозможна - это соответствует второму порогу проницаемости или «границе питания». В результате обжатия заготовки происходит сближение фронтов кристаллизации внутри заготовки с увеличением гидродинамического давления в двухфазной зоне, что улучшает условия подпитки расплавом локальных участков этой зоны и компенсировать уменьшение объема металла при его усадке в процессе затвердевания. Это способствует снижению порообразования в осевой части отливаемой заготовки и уменьшению осевой химической неоднородности металла.

Существует и другой подход к определению момента начала и конца осуществления мягкого обжатия непрерывно-литой заготовки. Считается, что начало обжатия должно соответствовать температуре начала концентрационного переохлаждения, а конец обжатия — температуре затвердевания эвтектической составляющей. Это позволит, перекрывая доступ ликватов в поры по междендритным каналам, обеспечить полное закрытие пор с окончанием кристаллизации эвтектической составляющей. Следует отметить, что недостатком данного подхода является необходимость проведения довольно сложных исследований по определению точных значений вышеназванных температур для каждой марки стали.

Теоретическое определение величины обжатия рекомендуется выполнять по следующей формуле:

В = В + Р2 + в

-г х^з ,

Л

где В0 - требуемая величина мягкого обжатия, мм;

В1 - суммарное обжатие, требуемое для предотвращения

вытекания расплава из двухфазной зоны заготовки, мм; В2 - суммарное обжатие, требуемое для предотвращения

перетекания расплава при выпучивании заготовки, мм; В3 - суммарная термическая усадка твердой фазы при

понижении температуры в ходе обжатия, мм; ^ - коэффициент, учитывающий условия горячей деформации заготовки.

На практике величина мягкого обжатия слябовых непрерывно-литых заготовок не превышает 8 мм.

Все известные режимы мягкого обжатия непрерывно-литой заготовки делятся на две большие группы: статическое и динамическое.

В начале 90-х годов прошлого века началось применение режима статического мягкого обжатия. Обжатие осуществлялось в одних и тех же специально оборудованных роликовых секциях технологического канала МНЛЗ, то есть являлось неподвижным (статическим) относительно машины. В качестве примера можно привести разливку трубной стали широкого сортамента на слябовой МНЛЗ фирмы «POSCO». Использование мягкого обжатия в нескольких настроенных на кпин секциях позволило существенно улучшить качество осевой зоны отливаемых слябов вследствие снижения их осевых рыхлости и химической неоднородности.

Однако статический метод мягкого обжатия имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что эффективность обжатия значительно снижается при изменении сортамента разливае-мой стали, режима вторичного охлаждения заготовки и скорости ее вытягивания из кристаллизатора. Различные отклонения от установившегося процесса разливки вызывают изменение расположения лунки жидкого металла относительно роликовых секций, в которых осуществляется процесс мягкого обжатия. Следствием этого является снижение эффективности используемого метода. Раннее обжатие не приносит эффекта из-за того, что подпитка расплавом двухфазной области внутри заготовки не встречает затруднений. Позднее же обжатие не может привести к улучшению макроструктуры заготовки вследствие непродавливаемости жидкости сквозь кристаллы практически уже сформировавшейся структуры сляба. В обоих случаях, как при раннем, так и при позднем обжатии, возрастают нагрузки на поддерживающую роликовую систему. Увеличение напряжений в закристаллизовавшейся заготовке при запаздывании с обжатием может привести к образованию внутренних трещин.

Для разливки широкого марочного сортамента стали на сля-бовых МНЛЗ в настоящее время, как правило, применяется режим динамического мягкого обжатия. Сущность этого режима состоит в том, что в процессе разливки постоянно осуществляется слежение за границами зоны мягкого обжатия и расчет установок позиционирования (величин хода штоков гидроцилиндров) для выбора соответствующих роликовых секций, в которых производится обжатие заготовки. Таким образом, зона мягкого обжатия может перемещаться относительно технологического канала МНЛЗ при различных изменениях технологического режима разливки стали. Управление производится с верхнего уровня АСУ ТП, передающего

установки положения границ зоны обжатия и величин хода штоков гидроцилиндров в контроллеры базового уровня управления.

Известны три основных подхода для осуществления слежения за положением границ зоны мягкого обжатия:

- первый подход основан на расчетном контроле;

- второй подход предполагает прямые измерения параметров;

- третий комбинированный подход включает как расчетный контроль, так и систему косвенного контроля положения границ зоны мягкого обжатия.

Первый подход реализован фирмой «VAI» (Австрия) в системе динамического мягкого обжатия на МНЛЗ №4 в ОАО «НТМК». В систему входят испольнительные механизмы -сегменты «Smart» по семь роликов с гидроцилиндрами, имеющими только датчики перемещений (датчики давлений отсутствуют), а также математическая модель слежения за терморежимом «Dynacs» и модель «DynaGap» для автоматического регулирования растворов роликов сегментов с визуализацией параметров процесса мягкого обжатия. Обжатие проводится при наличии внутри заготовки от 0,50 до 0,05 жидкой фазы незавимо от скорости и химического состава металла. На машине также возможно изменение границ зоны обжатия и величины обжатия в зависимости от условий эксплуатации. Так, величина обжатия зависит от толщины заготовки и химического состава разливаемой стали. Слябы толщиной 200 мм обжимаются на 2,2 мм, а толщиной 300 мм - на 4,0 мм. Величина обжатия для низкоуглеродистой стали на 30-40% ниже, чем для трубной стали. Установки корректируются на основании результатов контроля качества темплетов.

Второй подход был реализован в 1999 году на МНЛЗ №2 завода в Зальцгиттере (Германия). Система динамического мягкого обжатия фирмы «SMS Demag AG» включает:

- сегменты по семь роликов с четырьмя гидроцилиндрами и датчиками перемещений штоков и давлений; сегменты оборудованы самоцентрируемыми подвижными верхними рамами «Cyber Link», качающимися с амплитудой 0,3 мм и частотой 3 Гц;

- систему регистрации показаний датчиков перемещений и давлений и анализа величины сдвига фаз между ними, а также визуализации параметров обжатия на верхнем уровне АСУ ТП.

Данная система анализа позволяет в режиме реального времени определять положение границ зоны обжатия по сдвигу фаз между кривыми изменения показаний датчиков перемещений и давлений. Настройка системы мягкого обжатия по такому подходу

является более оперативной и контроль качества темплетов носит, скорее, калибровочный характер.

Одной из первых динамическая система мягкого обжатия была создана на заводе фирмы «Rautaruuki Steel» (Финляндия). На МНЛЗ №6 отливаются слябовые заготовки толщиной 210 мм с максимальной скоростью вытягивания заготовки из кристаллизатора, равной 1,8 м/мин. Вместимость промежуточного ковша МНЛЗ составляет 28 т. В процессе мягкого обжатия заготовки обеспечивается ее сдавливание при содержании жидкой фазы внутри заготовки от 0,75 до 0,25. Это осуществляется путем автоматического регулирования зазора между роликами сегментов при работе гидравлических устройств вдинамическом режиме.

Сотрудники фирмы «SMS Demag Inc.» в городе Питтсбурге (штат Пенсильвания, США) утверждают, что динамическое обжатие является в настоящее время эффективным инструментом повышения качества металла. Определяющими параметрами для осуществления такого обжатия являются геометрия роликов МНЛЗ, прочность сегментов, система автоматизации, позволяющая достаточно точно прогнозировать момент окончания затвердевания. Фирма «SMS Demag» в течение семи лет с целью внедрения технологии разливки с мягким обжатием реконструировала 16 МНЛЗ различной конструкции с 28 ручьями.

При динамическом мягком обжатии обеспечиваются следующие преимущества: получаются меньшими осевые рыхлость и ликвация отливаемой заготовки даже при возникновении помех в ходе разливки; обеспечивается надежное производство заготовок из тех сталей, которые трудно обрабатываются; значительно снижается водородное растрескивание стали и повышается качество заготовок из сталей, используемых для производства деталей морских буровых платформ; уменьшается отбраковка толстого листа из-за осевой ликвации;

Третий подход согласно комбинированному принципу реализован в системе динамического мягкого обжатия отечественной фирмой «Уралмаш» на МНЛЗ №2 в кислородно-конвертерном цехе ОАО «Северсталь». Она была введена в эксплуатацию в 2006 году. Структурная схема системы динамического мягкого обжатия показана на рис. 2.

В программное обеспечение верхнего уровня управления АСУ ТП входят два модуля: модуль «Динамика» производит расчет положения границ зоны мягкого обжатия; модуль «УГМО» осуществляет управление гидроцилиндрами роликовых сегментов. Система косвенного контроля границ зоны мягкого обжатия служит для настройки двух вышеназванных модулей.

Рис. 2. Структурная схема системы динамического мягкого обжатия фирмы «Уралмаш»

В модуль «Динамика» кроме уравнения теплопроводности введено уравнение гидродинамики расплава в двухфазной зоне, что позволяет следить за изменением давления расплава в этой зоне, определять границы и оценивать эффективность мягкого обжатия. Это дает возможность точного определения положения первого порога проницаемости и доли жидкой фазы на оси заготовки, а также контролировать величину давления расплава между первым и вторым порогами проницаемости в режиме реального времени и определять оптимальные установки позиционирования.

Система косвенного контроля включает комплексный анализ соотношений показаний датчиков перемещений и давлений при работе без мягкого обжатия. При этом включается виртуальный режим мягкого обжатия, в процессе которого вся информация о параметрах разливки поступает в модуль «Динамика», а показания датчиков давлений реагируют на положение конца лунки жидкого металла. Возможно небольшое надавливание началом и концом сегмента для последующего анализа корреляции между показаниями датчиков давлений и перемещений в режиме виртуального обжатия.

После завершения комплексного зондирования в модуль «Динамика» вводятся корректировочные коэффициенты для обеспечения совпадения расчетных границ зоны мягкого обжатия с представлениями об их положении по результатам зондирования.

Максимальная величина обжатия на МНЛЗ №2 ОАО «Северсталь» при разливке стали для производства штрипса в слябы толщиной 315 мм достигает 5-7 мм.