СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК КРУПНОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B22D11/00 

Изобретение относится к металлургии, а именно, к производству стальных заготовок крупного и особокрупного поперечного сечения на машинах непрерывного литья (МНЛЗ).

Известен способ непрерывной разливки металлических заготовок, включающий подачу жидкого металла в кристаллизатор, формирование и вытягивание из кристаллизатора частично затвердевшей заготовки и окончательное ее затвердевание в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ (см.Кн. Теория непрерывной разливки. Технологические основы. Рутес B.C. Аскольдов В.И. Евтеев Д.П. и др. М: Металлургия. 1971, 296 с.). Недостатками данного способа при использовании его для производства заготовок крупного поперечного сечения являются низкое качество заготовки, обусловленное ликвацией примесей в центральной части слитка, а также малая производительность процесса непрерывного литья. Отмеченные недостатки являются следствием низких скоростей кристаллизации расплава в центральных зонах отливки. Интенсификация процессов затвердевания в описанном способе возможна только при ужесточении внешнего охлаждения слитка, эффективность которого, в смысле ускорения кристаллизации металла, незначительна.

Известен также способ непрерывной разливки металлических заготовок, в котором интенсификация процессов затвердевания (а вместе с ней удушение качества заготовки по ликвации и повышение производительности литья) достигается введением в жидкую фазу слитка твердых частиц разливаемого металла "холодильников" (см. авт. св. N 416149, кл. В 22 D 11/00). Частицы вводят через кристаллизатор с целью их частичного или полного расплавления в жидкой фазе и снятия, таким образом, перегрева расплава. Недостатками использования "холодильников" при производстве заготовок: крупного поперечного сечения являются повышенная ликвация примесей в осевых зонах слитка и низкая производительность литья. Оба недостатка обусловлены слабым влиянием "холодильников" на кристаллизацию металла в указанных зонах (см.Кн. Качество непрерывнолитой стальной заготовки / Дюдкин Д.А. К. Техника, 1988, c.75). Кроме того, неравномерное и непредсказуемое распределение вводимых частиц в объеме жидкой лунки отливки создает опасность скоплений не полностью расплавленных частиц и получения в результате неравномерных свойств металла по сечению заготовки.

Известен также способ непрерывной разливки заготовок, принятый за прототипу, в котором ускоренное затвердевание заготовки достигается формированием первичного слитка в первом кристаллизаторе и послойным наращиванием этого слитка в одном или нескольких последовательно установленных кристаллизаторах, площадь поперечного сечения которых дискретно увеличивается с увеличением порядкового номера кристаллизатора (см. Кн. Непрерывное литье / Э. Германн. М, 1961, с.324). При этом конкретные рекомендации по выбору геометрических параметров первичного слитка и наращиваемых на него слоев способом не оговариваются. Недостатками данного способа при литье заготовок крупного поперечного сечения являются низкое качество заготовки по химической неоднородности и малая производительность литья, возникающие при нерациональном выборе толщин первичного слитка и последующих слоев.

Целью изобретения является улучшение качества заготовки и увеличение производительности процесса непрерывного литья при послойном формировании отливки.

Для достижения этой цели, в способе непрерывной разливки заготовок крупного поперечного сечения, включающем формирование первичного слитка в первом кристаллизаторе и послойное наращивание этого слитка в одном или нескольких последовательно установленных кристаллизаторах, площадь поперечного сечения которых дискретно увеличивается с увеличением порядкового номера кристаллизатора, согласно изобретению, толщину первичного слитка и толщину последовательно наращиваемых на него слоев подбирают из условия

где Н толщина первичного слитка,
h толщина наращиваемых слоев, мм,
k₃ коэффициент затвердевания металла, мм/мин ^0,5;
при этом наращивание каждого последующего слоя осуществляют после полного затвердевания первичного слитка и всех предыдущих слоев.

Известно, что продвижение фронта кристаллизации при затвердевании отливки в МНЛЗ удовлетворительно описывается выражением (2) (см.Кн. Качество непрерывнолитой стальной заготовки / Дюдкин Д.А. К. Техника, 1988, c.42):

где δ- толщина закристаллизовавшейся корки,
k₃ коэффициент затвердевания,
t время от начала затвердевания.

При этом скорость нарастания корки в произвольный момент времени определяется выражением (3), полученным дифференцированием (2) по времени:

где V_k скорость кристаллизации металла на фронте затвердевания. Из выражения (3) следует, что затвердевание непрерывнолитого слитка сопровождается непрерывным снижением скорости кристаллизации. Поэтому, объемы металла, затвердевающие последними (т.е. прилегающие к геометрической оси заготовки), кристаллизуются с наименьшей скоростью. Эту скорость получим из (3) подстановкой соответствующей толщины корки:

где скорость кристаллизации осевой зоны слитка
Н толщина слитка.

Выражение (4) указывает на обратно пропорциональную связь скорости и толщины Н. Поэтому увеличение толщины слитка Н всегда влечет снижение величины скорости кристаллизации.

В результате исследований, проведенных авторами, выявлена зависимость интенсивности сегрегационных процессов в стальных слитках от скорости их кристаллизации. Скорость кристаллизации изменяли в широких пределах путем варьирования условий внешнего охлаждения слитка. По окончании затвердевания металл подвергали микрорентгеноспектральному анализу на предмет выявления химической неоднородности. Установлено, что при скорости кристаллизации расплава меньше чем скорость диффузии примеси наблюдается процесс ликвации с обогащением жидкой фазы этой примесью и окончательным затвердеванием заготовки с химической неоднородностью по сечению. И напротив, наличие превалирующей скорости кристаллизации подавляет разделительные процессы и обеспечивает быструю фиксацию химически однородной структуры отливки. Опытным путем определены минимальные скорости кристаллизации, устраняющие ликвацию примесей. Для наиболее распространенных примесей стали значения указанных скоростей соответственно составляют
для кислорода (О₂) 1,2 мм/мин,
для серы (S) 1,8 мм/мин,
для фосфора (Р) 1,0 мм/мин,
для азота (N) 1,8 мм/мин.

Отсюда следуете что для получения однородной это химическому составу структуры непрерывнолитой заготовки, скорость кристаллизации осевых зон слитка должна быть меньше критической, т.е. удовлетворять условию:

С учетом (4) условие (5) реализуется при толщине слитка

Принимая во внимание, что слиток образуется в результате смыкания встречнодвижущихся фронтов кристаллизации с толщиной твердой фазы в месте соединения h Н / 2 условие (6) бездефектной кристаллизации слитка может быть представлено в виде

Известные способы разливки не учитывают этих соотношений, что обуславливает неудовлетворительное качество продукции и низкую производительность литья.

В отличие о известных, в заявленном способе непрерывной разливки толщину первичного слитка и толщину последовательно наращиваемых на него слоев подбирают в соответствии с условием (1). Указанный признак гарантирует получение химически однородной структуры первичного слитка и всех последующих слоев (т. к. соответствует условиям (6) и (7)) и согласно (4) повышает среднюю по сечению скорость их кристаллизации, что увеличивает производительность литья. При несоблюдении признака (т.е. при нарушается условие (5) бездефектной кристаллизации металла в первичном слитке или слое, что приводит к развитию ликвационных процессов и снижает производительность литья.

Признак наращивания каждого последующего слоя после полного затвердевания первичного слитка и всех предыдущих слоев обеспечивает эффективное охлаждение затвердевающего слитка на всех этапах его формирования, что способствует поддержанию высокой скорости затвердевания, а вместе с ней получению заготовок высокого качества и с высокой производительностью. При несоблюдении этого признака, т. е. при введении в очередной кристаллизатор не полностью затвердевшего слиткам условия теплоотвода от этого слитка нарушаются, что обуславливает резкое снижение скорости его кристаллизации и создает угрозу ухудшения качества заготовки.

В результате патентно-информационных исследований не обнаружено технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет считать предложенное решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема заявленного процесса непрерывной разливки крупногабаритных заготовок, а на фиг.2 дан сравнительный анализ производительности процесса разливки при различных толщинах наращиваемых слоев.

Первичный слиток 1 (фиг.1) толщиной Н формируют в первом по ходу разливки кристаллизаторе 2. По окончании затвердевания первичного слитка его вводят в следующий кристаллизатор 3 большего поперечного сечениям где производят наращивание первого слоя 4 толщиной h₁. По окончании затвердевания слоя 4 в очередном кристаллизаторе 5 наращивают очередной слой 6 толщиной h₂. Процесс наращивания слоев продолжают до получения заготовки требуемой формы и размеров. При этом толщина первичного слитка и толщины наращиваемых слоев удовлетворяю условию (1).

Для доказательства эффективности предложения сопоставим качество заготовки и производительность процесса при выполнении и невыполнении условия (1). Для определенности и упрощения дальнейших рассуждений примем толщину наращиваемых слоев одинаковой и равной половине толщины первичного слитка, а момент начала наращивания каждого последующего слоя совместим с моментом окончания затвердевания предыдущего (фиг.2).

Рассмотрим процесс непрерывной разливки при (фиг.2, а). Кинетика затвердевания заготовки с заданными геометрическими параметрами представлена графически кривой L Согласно (3) и (4) минимальная скорость затвердевания составляет
для первичного слитка ;
для последующих слоев . Выражения (8) не удовлетворяют условию (5) формирования химически однородной структуры и потому обуславливают получение заготовок низкого качества.

Для приближенной оценки производительности процесса литья введено понятие средней скорости кристаллизации, в качестве которой принята величина отношения толщины слоя (или полутолщины первичного слитка) к времени его затвердевания. Из принятых допущений

следует (фиг.2,а)

откуда

что означает замену кривой L аппроксимирующей прямой L' с угловым коэффициентом tgα₁. Отсюда толщина затвердевшей фазы слитка в произвольный момент времени τ_x определяется выражением

Рассмотрим теперь процесс непрерывной разливки при (фиг. 2, б). Кинетика затвердевания заготовки с заданными геометрическими параметрами представлена графически кривой М. Скорость затвердевания в районе концов жидких лунок:
для первичного слитка ;
для последующих слоев .

Выражения (10) удовлетворяют условию (5) формирования химически однородной структуры и обуславливают получение заготовок высокого качества.

Для приближенной оценки производительности процесса литья аппроксимируем кривую М прямой M' с угловым коэффициентом tgα₂,
где

Отсюда толщина затвердевшей фазы слитка в момент времени τ_x будет равна:

Сравним производительность двух рассмотренных процессов, сопоставив динамики нарастания твердой фазы (9) и (11). Так как

и учитывая начальные условия , получим для любого момента времени:

т. е. способ разливки с учетом условия (1) обладает более высокой производительностью.

Примером практического использования заявленного способа при может служить процесс отливки прямоугольной стальной заготовки сечением 810 х 1460 мм в пяти последовательно установленных кристаллизаторах. Формируемый в первом кристаллизаторе первичный слиток с размерами поперечного сечения 180 х 830 мм, в последующих кристаллизаторах дискретно наращивается слоями толщиной 90, 80, 80 и 65 мм. Система охлаждения слитка в кристаллизаторах и зоне вторичного охлаждения обеспечивает затвердевание металла с коэффициентом кристаллизации 27 мм/мин^0,5. Полная кристаллизация заготовки осуществляется за 45,6 мин.

Приведенные технологические параметры обеспечивают кристаллизацию заготовки на любом этапе ее формирования со скоростью не ниже

что значительно превышает критическую скорость (1,8 мм/мин) и служит гарантом высокого качества заготовки.

Примером использования заявленного способа при является двухступенчатый процесс непрерывной разливки той же заготовки при толщине первичного слитка 405 мм и толщине наращиваемого слоя 202,5 мм. При этом минимальная скорость кристаллизации

соответствует критической для S, Р и N и больше критической для О₂, что гарантирует отсутствие сегрегации указанных элементов и обеспечивает высокое качество отливки по дефекту "химическая неоднородность". При этом полное затвердевание слитка осуществляется за 112,5 мин.

В сравнении с базовым вариантом, в качестве которого принят прототип, предложенный способ полностью исключает дефект "химическая неоднородность" и повышает производительность литья.

Таким образом, совокупность заявленных отличительных признаков обеспечивает достижение цели изобретения.

Сущность изобретения: при послойном формировании непрерывного слитка толщину первичного слитка и толщину последующих слоев подбирают из условия: , где H - толщина первичного слитка, h - толщина наращиваемых слоев, K23

Способ непрерывной разливки стальных заготовок крупного поперечного сечения, включающий формирование первичного слитка в верхнем кристаллизаторе и его послойное наращивание в одном или нескольких последовательно установленных кристаллизаторах, площадь поперечного сечения которых дискретно увеличивают в направлении вытягивания слитка, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества заготовки и увеличения производительности процесса непрерывного литья, толщину первичного слитка Н и толщину последовательно наращиваемых на него слоев h устанавливают по следующим зависимостям:

где К₃ коэффициент кристаллизации металла, мм/мин,
при этом послойное наращивание осуществляют после полного затвердевания первичного слитка и предыдущих слоев.