Проведено исследование влияния уменьшения расхода охладителя на грань малого радиуса на сокращение зоны столбчатых кристаллов, растущих от этой грани, для высокопроизводительных сортовых машин.

         Из практики разливки непрерывнолитых заготовок известно, что предпочтительной является макроструктура с равноосной структурой в центральной зоне. При этом образуется рассредоточенная осевая пористость, которая хорошо заваривается при горячей пластической деформации даже при невысокой степени обжатия. Естественно, что для расширения осевой зоны равноосных кристаллов необходимо путем целенаправленных воздействий добиваться сокращения зоны столбчатых кристаллов. В конечном итоге это приведет к тому, что заготовки будут характеризоваться более низким баллом осевой пористости и ликвации, будет улучшаться качество проката.

         Как известно, сокращение зоны столбчатых кристаллов достигается при резком снижении интенсивности направленного теплоотвода от фронта кристаллизации, а также при скоплении зародышей твердой фазы у фронта кристаллизации. Поскольку нами изучены способы сокращения зоны столбчатых кристаллов, растущих от грани малого радиуса, то основное внимание необходимо сосредоточить на снижении интенсивности теплоотвода, так как зародыши твердой фазы под действием силы тяжести будут скапливаться преимущественно у грани большого радиуса.

         На практике контролируемое перераспределение воды между гранями формирующейся заготовки представляет собой довольно сложную задачу. Это связано с тем, что на современных сортовых машинах предусмотрен единый подвод воды к рамке вторичного охлаждения, которая служит для распределения воды между гранями. В такой ситуации наиболее приемлемым решением является использование форсунок разных типоразмеров (больший типоразмер по большому радиусу и боковым сторонам, меньший – по малому радиусу).

         Для теоретического обоснования влияния расхода охладителя на протяженность зоны столбчатых кристаллов было проведено исследование температурного перепада на фронте затвердевания. Для этой цели была использована математическая модель непрерывной разливки стали, основанная на решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности. Рассчитан температурный перепад между жидким металлом, находящимся на расстоянии y=0,0037 м от фронта кристаллизации и твердой фазой, находящейся на том же расстоянии от фронта кристаллизации для следующих исходных данных (марка стали – Ст 5сп; сечение заготовки – 125х125 мм; скорость разливки – 3,2 м/мин; расход воды на вторичное охлаждение по секторам: С1 – 120 л/мин, С2 – 250 л/мин, С3 – 200 л/мин). После чего было рассчитано значение этого же температурного перепада для условий теплоотвода уменьшенного на 20%. Полученные результаты представлены на рис. 1. Циклический характер информации, представленной на расчетных кривых является следствием перехода от непрерывного континиума к дискретному решению задачи численными методами (хотя продвижение фронта кристаллизации действительно носит периодический характер, это явление описано в работах).

         Анализ представленной информации позволяет заключить, что снижение интенсивности внешнего теплоотвода при прочих равных условиях позволяет уменьшить тепловой поток, отводимый от фронта кристаллизации и, следовательно, сократить протяженность зоны столбчатых кристаллов. То есть перераспределение воды между радиальными гранями должно привести к выравниванию длин зон столбчатых кристаллов (уменьшение расхода охладителя на грань малого радиуса приведет к сокращению зоны столбчатых кристаллов, растущих от этой грани, а для грани большого радиуса она останется неизменной при условии сохранения прежнего расхода охладителя).

         Рис. 1. Изменение температурного перепада между жидкой и твердой фазой у фронта затвердевания
(1 – для случая с номинальным охлаждением, 2 – для случая с уменьшенным расходом охладителя на 20 %) при скорости разливки 3,2 м/мин

         Обобщая результаты обоих серий расчетов можно заключить, что уменьшение расхода охладителя позволяет уменьшить тепловой перепад между точками, лежащими по разные стороны от фронта затвердевания (следовательно, и тепловой поток, отводимый от фронта затвердевания) для первого случая на 10 ⁰С, а для второго 8 ⁰С.

         На основании результатов математического моделирования высказана гипотеза о том, что режим вторичного охлаждения, предполагающий 20 % уменьшение расхода воды на грань малого радиуса, приведет к выравниванию длин зон столбчатых кристаллов, растущих от радиальных граней сортовых заготовок, разливаемых на высоких скоростях (3-4 м/мин).

         Сравнение различных способов перераспределения воды между гранями формирующегося слитка позволило сделать вывод, что для условий сортовой МНЛЗ наилучшим способом достижения этого эффекта является использование для охлаждения грани малого радиуса форсунок меньшего типоразмера по сравнению с другими гранями.

        В результате проведения двух опытно-промышленных серий разливки заготовок из марки стали Ст5 сп сечением 125х125 мм с 20 % перераспределением охладителя между радиальными гранями заготовки (на МНЛЗ ЭСПЦ ЗАО «ММЗ «ИСТИЛ (УКРАИНА)», отбора поперечных образцов (по два образца от каждой серии), их шлифовки, травления 50 % водным раствором соляной кислоты и последующего изучения протяженности структурных зон (точность измерения ± 0,5 мм) были получены данные о влиянии уменьшения расходов воды на подавление роста зоны столбчатых кристаллов, растущих от грани малого радиуса.

         На основании приведенных выше данных можно сделать следующие выводы:

• предложенная схема расстановки форсунок позволяет уменьшить относительную разницу в протяженности зоны столбчатых кристаллов по радиальным сторонам (за счет сокращения протяженности названной зоны от грани малого радиуса) и, следовательно, расширить площадь зоны осевых равнооосных кристаллов на величину порядка 10 - 16 %. Поэтому ее использование целесообразно при разливке марок стали с гарантией по макроструктуре, так как предложенное мероприятие является резервом снижения осевой пористости и повышения химической однородности заготовки;
  
  
• в случае если требуется уменьшить разницу в протяженности зоны столбчатых кристаллов по радиальным сторонам в еще большей мере, необходимо прибегнуть к большей степени перераспределения воды между гранями непрерывнолитого слитка (однако в этом случае перед принятием конкретных решений необходимо сделать расчет температурных полей и проверить удовлетворяют ли они другим технологическим требованиям).