Способы внешних воздействий на кристаллизующийся металл

24.8.1. Электромагнитное перемешива­ние (ЭМП).Первые опыты по электро­магнитному перемешиванию металла при непрерывной разливке были про­ведены еще в 50-е годы минувшего века. В настоящее время этот метод получил широкое распространение. ЭМП ис­пользуется для решения двух задач:

1. Изменение внутреннего строе­ния заготовки (измельчение структу­ры, снижение степени ликвации в средней и центральной частях, умень­шение центральной пористости).

2. Улучшение поверхности заготов­ки (снижение числа поверхностных дефектов, количества неметалличес­ких включений в поверхностном слое, повышение толщины наружной плот­ной корочки).

Механизм воздействия на металл при решении первой задачи основан на снижении перегрева, обламывании ветвей дендритов и создании циркуля­ции металла в жидкой сердцевине (рис. 24.15). Решение второй задачи связано с созданием потоков на по­верхности металла в кристаллизаторе и с 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 (рис. 24.16).

В основном применяют два вида перемешивания: круговое (вращатель­ное) и осевое. Круговое применяют главным образом в кристаллизаторах сортовых УНРС, так как оно способ­ствует удалению включений от поверх­ности заготовок, улучшению теплоотвода и уменьшению вероятности про­рыва корочки.

В настоящее время начали с успе­хом применять методы многоступен­чатого ЭМП, когда в кристаллизаторе и вблизи конца жидкой лунки непре-рывнолитой заготовки устанавливают оборудование для вращательного, а в средней части УНРС — для осевого перемешивания. Входит в практику непрерывное ЭМП, при котором обеспечивают движение жидкого ме­талла ниже кристаллизатора у стенок заготовки вниз, в осевой зоне вверх, а в кристаллизаторе, наоборот, у стенок заготовки вверх, а по оси вниз. Мак­симальный эффект получается, когда перемешивание осуществляют и в кристаллизаторе, и в зоне вторичного охлаждения, и перед обжимными ро­ликами.

В начале 80-х годов XX в. создан новый способ электромагнитного воз­действия на металл — способ так на­зываемого электромагнитного тормо-

Рис. 24.15.Изменение формы растущего дендрита в зависимости от ха­рактера потока металла у фронта кристаллизации:

/ — без потока; 2 и 3 — ламинарный и турбулентный потоки соответственно

Рис. 24.16.Схемы систем ЭМП, используемых на сортовых (заготовочных)

и блюмовых УНРС

жения¹. Оборудование включает ком­плекты 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 кристалли­затор струи стали, благодаря чему неметаллические включения успевают всплыть на поверхность мениска. Осо­бенно полезно электромагнитное тор­можение на радиальных УНРС, на ко­торых при повышении скорости раз­ливки возрастает опасность выделения включений на внутреннем радиу­се заготовки. Применение электро­магнитного торможения позволило повысить скорость разливки на 30 % без увеличения загрязненности метал­ла включениями (рис. 24.17).

¹ Разработчики дали способу обозначение EMBR (Electromagnetic Brake).

24.8.2. Воздействие ультразвуком и электрическими разрядами.Энергия ультразвука (УЗ), воздействующая на расплав, меняет кинетику процесса; при УЗ-воздействии наблюдают уси­ление перемешивания жидкой фазы, обламывание растущих кристаллов. Испытан ряд способов организации воздействия ультразвуком: через зер­кало расплава в кристаллизаторе, че­рез оболочку затвердевающего слитка в зоне вторичного охлаждения, через направляющие ролики (рис. 24.18), через водоохлаждаемую ультразвуко­вую воронку и др.

Специалисты УкрНИИмет и ПКБ электрогидравлики АН Украины на ряде металлургических заводов успеш­но исследовали способ воздействия на кристаллизующуюся середину заго­товки электроразрядного генератора упругих колебаний (ЭРГУК). ЭРГУК 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 непрерывной заготовки и плотно прижатых мембранами к ее поверхности, периодически создаются электрические разряды. Генерируе­мые ими колебания широкого спектра

Рис. 24.17.Схема электромагнитного тормо­жения EMBR (Electromagnetic Brake) (В — направление статического магнитного поля, /—электрический ток):

а, б— вид на широкую и узкую стороны сляба соответственно

Рис. 24.18.Схема организации УЗ-воздей-

ствия на кристаллизующийся непрерывный

слиток:

1 — кристаллизующийся слиток; 2 и 3 — направляю­щие ролики; 4— вибратор

Рис. 24.19.Принципиальная схема пульса-ционного перемешивания жидкой фазы слитка и движения потоков в выталкиваю­щей (а) и всасывающей (б) фазах пульсаци-онного цикла:

/ —зона движения металла, вытесненного из погру­жаемой трубы; 2— зона направленных ламинарных потоков; 3 — область рециркуляционных потоков; 4— зона стабильной турбулентности

через мембраны передаются оболочке заготовки и ее жидкой сердцевине. Ре­зультатом является повышение струк­турной химической и физической од­нородности металла слитка.

Из известных на практике спосо­бов принудительного перемешивания следует отметить также метод пульсационного перемешивания, заключаю­щийся в периодическом вытеснении порций металла из внутренней полос­ти огнеупорной трубы, погруженной в прибыль слитка (рис. 24.19).

24.8.3. Воздействие вибрации.Под воздействием колебаний возрастает давление жидкого металла на расту­щие кристаллы. В результате их разру­шения образуются дополнительные центры кристаллизации. В свою оче­редь, это приводит к повышению ско­рости кристаллизации и уменьшению продолжительности коагуляции вклю­чений.

24.8.4. Искусственные холодильники и модификаторы.При воздействии микрохолодильников и модификато­ров (например, РЗМ) создаются до­полнительные центры кристаллиза- ции в жидкой фазе слитка, причем об­разование зародышей равноосных кристаллов может произойти за зоной концентрационного переохлаждения, где металл чище и имеет более высо­кую температуру плавления.

Одним из новых способов органи­зации внешнего воздействия на крис­таллизующийся металл является спо­соб искусственного создания допол­нительных центров кристаллизации путем использования так называемых водоохлаждаемых виброхолодильников (ВВХ). Схема ВВХ, разработанная проф. А. А. Скворцовым, показана на рис. 24.20. При опускании головки ВВХ в кристаллизатор на ее рабочей поверхности происходит непрерывное намерзание корки, которая под дей­ствием вибрации непрерывно разру­шается, что приводит помимо сниже­ния перегрева расплава к появлению дополнительных центров кристалли­зации. Усилиями ученых Института электросварки им. Патона, Института проблем литья Украины и специалис­тов ряда заводов разработана техноло­гия получения новых металлических конструкционных материалов — арми­рованных квазимонолитных материалов процессом АКМ (рис. 24.21).

Применительно к непрерывной разливке процесс АКМ позволяет уп­равлять структурой непрерывнолитой заготовки посредством введения в жидкий расплав в кристаллизатор ар­мирующего вкладыша в виде лент, сетки, прутков и др. Помимо подавле­ния ликвационных явлений и повы-

Рис. 24.20.Схема водоох­лаждаемых виброхолодиль­ников (ВВХ):

У —медная конусообразная го­ловка; 2 — вибратор; 3 — вода

Рис. 24.21.Схема отливки АКМ слитка с внутрен­ними кристалли­заторами:

1 — кристаллизатор (изложница); 2 — внутренний крис­таллизатор (вкла­дыш); 3— разливае­мый металл

шения плотности металла такая техно­логия позволяет увеличить скорость разливки и соответственно повысить производительность установок.

24.8.5. Разливка с механическим пе­ремешиваниемприводит к заметному изменению характера теплоотвода че­рез кристаллизатор: при разливке ста­ли удельные тепловые потоки увели­чиваются по всей высоте кристаллиза­тора, 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.

24.8.6. Рациональная организация вторичного охлаждения.Роль вторич­ного охлаждения в возникновении де­фектов стали огромна. Опыт показал, что обычные методы вторичного ох­лаждения путем подачи воды в виде капель, которые сбивают паровую ру­башку, малоэффективны. Капли име­ют большие размеры, область охлаж­дения мала, причем в ней возможны значительные термические удары, вы­зывающие трещинообразование. Для оптимизации вторичного охлаждения используют метод охлаждения путем подачи водно-воздушной эмульсии, заключающейся в распылении охлаж­дающей воды потоком воздуха, в ре­зультате чего вода распыляется на час­тицы диаметром 20—100 мкм и пере­носится на охлаждаемую поверхность заготовки с большой скоростью в виде облака (тумана). Интенсивное распы­ление увеличивает зону охлаждения, повышает его равномерность и упоря­доченность. При этом достигается уменьшение степени сегрегации и об­разования трещин, заметно уменьша­ется глубина жидкой лунки.

На современном этапе развития металлургии ведется активный поиск новых путей организации внешнего воздействия на металл в процессе его кристаллизации.