RU2063295C1 - Process of continuous casting of steel billets of large cross-section - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: during layer-by-layer formation of continuous ingot thickness of primary ingot and thicknesses of subsequent layers are chosen from condition

, where H is thickness of primary layer, h is thickness of grown layer, K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{3}}$ is the square of coefficient of crystallization of metal. EFFECT: improved efficiency of process. 2 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно, к производству стальных заготовок крупного и особокрупного поперечного сечения на машинах непрерывного литья (МНЛЗ). The invention relates to metallurgy, namely, to the production of steel billets of large and extra-large cross-section on continuous casting machines (CCM).

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. A known method for the continuous casting of metal billets, including the supply of liquid metal to the mold, the formation and drawing out of the mold partially hardened billets and its final solidification in the secondary cooling zone of the continuous casting machine (see Kn. Theory of continuous casting. Technological fundamentals. Rutes VS Askoldov V.I. Evteev D.P. et al. M: Metallurgy. 1971, 296 p.). The disadvantages of this method when used for the production of billets of large cross-section are the low quality of the billet due to segregation of impurities in the central part of the ingot, as well as the low productivity of the continuous casting process. The noted drawbacks are the result of low melt crystallization rates in the central casting zones. The intensification of the solidification processes in the described method is possible only with the tightening of the external cooling of the ingot, the effectiveness of which, in the sense of accelerating the crystallization of the metal, is insignificant.

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. There is also a method of continuous casting of metal billets, in which the intensification of solidification processes (and with it the strangulation of the quality of the billet by segregation and increasing the casting capacity) is achieved by introducing "refrigerators" into the liquid phase of the ingot of solid particles of the cast metal (see ed. St. N 416149 , CL B 22 D 11/00). Particles are introduced through the crystallizer in order to partially or completely melt them in the liquid phase and thus remove, overheating of the melt. The disadvantages of using "refrigerators" in the manufacture of billets: a large cross-section are increased segregation of impurities in the axial zones of the ingot and low casting performance. Both disadvantages are due to the weak effect of "refrigerators" on the crystallization of metal in these zones (see. The quality of continuously cast steel billets / Dyudkin D.K. Tekhnika, 1988, p. 75). In addition, the uneven and unpredictable distribution of the introduced particles in the volume of the liquid well of the casting creates the risk of accumulations of incompletely molten particles and the resulting uneven properties of the metal over the cross section of the workpiece.

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. There is also a known method for continuous casting of billets, adopted as a prototype, in which accelerated solidification of the billet is achieved by forming a primary ingot in the first mold and layer-by-layer growth of this ingot in one or more successively mounted molds, the cross-sectional area of which increases discretely with increasing mold serial number (see Prince Continuous Casting / E. Hermann M, 1961, p. 324). At the same time, specific recommendations for choosing the geometric parameters of the primary ingot and the layers growing on it are not specified. The disadvantages of this method when casting billets of large cross-section are the low quality of the billet by chemical heterogeneity and low casting productivity arising from the irrational choice of the thickness of the primary ingot and subsequent layers.

Целью изобретения является улучшение качества заготовки и увеличение производительности процесса непрерывного литья при послойном формировании отливки. The aim of the invention is to improve the quality of the workpiece and increase the productivity of the continuous casting process in the layered formation of the casting.

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.To achieve this goal, in a method for continuously casting billets of large cross-section, including the formation of a primary ingot in the first mold and layer-by-layer growth of this ingot in one or more successively installed molds, the cross-sectional area of which discretely increases with increasing serial number of the mold, according to the invention, the thickness the primary ingot and the thickness of the layers successively stacked on it are selected from the condition

where H is the thickness of the primary ingot,
h the thickness of the stacked layers, mm,
k _{3 the} coefficient of solidification of the metal, mm / min ^0.5 ;
wherein the build-up of each subsequent layer is carried out after the solidification of the primary ingot and all previous layers is complete.

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.It is known that the advancement of the crystallization front during the solidification of castings in continuous casting machines is satisfactorily described by the expression (2) (see Kn. The quality of continuously cast steel billets / Dyudkin D.K. Tekhnika, 1988, p. 42):

where δ is the thickness of the crystallized crust,
k ₃ coefficient of solidification,
t is the time from the start of solidification.

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.Moreover, the growth rate of the crust at an arbitrary point in time is determined by the expression (3) obtained by differentiating (2) with respect to time:

where V _{k is} the crystallization rate of the metal at the solidification front. From the expression (3) it follows that the solidification of a continuously cast ingot is accompanied by a continuous decrease in the crystallization rate. Therefore, the volumes of metal that solidify last (i.e., adjacent to the geometric axis of the workpiece) crystallize at the lowest rate. This speed will be obtained from (3) by substituting the corresponding crust thickness:

Where

crystallization rate of the axial zone of the ingot
H is the thickness of the ingot.

Выражение (4) указывает на обратно пропорциональную связь скорости

и толщины Н. Поэтому увеличение толщины слитка Н всегда влечет снижение величины скорости кристаллизации.Expression (4) indicates an inverse proportional relationship of speed

and the thickness of N. Therefore, an increase in the thickness of the ingot H always entails a decrease in the rate of crystallization.

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.As a result of studies conducted by the authors, the dependence of the intensity of segregation processes in steel ingots on the rate of their crystallization was revealed. The crystallization rate was varied over a wide range by varying the external cooling conditions of the ingot. At the end of hardening, the metal was subjected to X-ray microanalysis for chemical inhomogeneity. It has been established that, at a melt crystallization rate less than the impurity diffusion rate, a segregation process is observed with the liquid phase enriched with this impurity and the final solidification of the workpiece with a chemical cross section heterogeneity. Conversely, the presence of a prevailing crystallization rate suppresses separation processes and provides a quick fixation of the chemically uniform casting structure. Empirically determined minimum crystallization rates, eliminating the segregation of impurities. For the most common steel impurities, the values of the indicated velocities are respectively
for oxygen (O ₂ ) 1.2 mm / min,
for sulfur (S) 1.8 mm / min,
for phosphorus (P) 1.0 mm / min,
for nitrogen (N) 1.8 mm / min.

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.From this it follows that in order to obtain the structure of a continuously cast billet that is homogeneous to the chemical composition, the crystallization rate of the axial zones of the ingot must be less than critical, i.e. satisfy the condition:

In view of (4), condition (5) is realized at an ingot thickness

Taking into account that the ingot is formed as a result of the closure of counter-moving crystallization fronts with the thickness of the solid phase at the junction point h Н / 2, condition (6) of defect-free crystallization of the ingot can be represented as

Known methods of casting do not take into account these ratios, which leads to unsatisfactory product quality and low casting performance.

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.In contrast to the known, in the claimed method of continuous casting, the thickness of the primary ingot and the thickness of the layers successively stacked on it are selected in accordance with condition (1). This feature guarantees the production of a chemically homogeneous structure of the primary ingot and all subsequent layers (since it corresponds to conditions (6) and (7)) and, according to (4), increases the average crystallization rate over their cross section, which increases the casting productivity. If the sign is not observed (i.e.

the condition (5) of defect-free crystallization of the metal in the primary ingot or layer is violated, which leads to the development of segregation processes and reduces the casting performance.

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. The sign of the build-up of each subsequent layer after the solidification of the primary ingot and all previous layers is complete ensures effective cooling of the solidified ingot at all stages of its formation, which helps to maintain a high solidification rate and, together with it, to obtain high-quality workpieces with high productivity. If this symptom is not observed, i.e., when the ingot that has not fully solidified the ingots is introduced into the next mold, the heat removal conditions from this ingot are violated, which leads to a sharp decrease in its crystallization rate and poses a threat to the quality of the workpiece.

В результате патентно-информационных исследований не обнаружено технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет считать предложенное решение соответствующим критерию "существенные отличия". As a result of patent information research, no technical solutions with similar distinctive features were found, which allows us to consider the proposed solution as meeting the criterion of "significant differences".

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. The invention is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the claimed process for continuous casting of large workpieces, and Fig. 2 shows a comparative analysis of the productivity of the casting process at various thicknesses of the stacked layers.

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).The primary ingot 1 (FIG. 1) of thickness H is formed in the first mold 2 during casting. After the solidification of the primary ingot is completed, it is introduced into the next mold 3 with larger cross sections where the first layer 4 is built up with thickness h ₁ . At the end of the solidification of the layer 4 in the next mold 5 build up another layer 6 of thickness h ₂ . The process of building up the layers is continued until a workpiece of the desired shape and size is obtained. Moreover, the thickness of the primary ingot and the thickness of the stacked layers satisfy condition (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). To prove the effectiveness of the proposal, we compare the quality of the workpiece and the productivity of the process when fulfilling and not fulfilling the condition (1). For definiteness and simplification of further considerations, we take the thickness of the stacked layers to be the same and equal to half the thickness of the primary ingot, and the moment of the start of building up of each subsequent layer is compatible with the moment of the end of the hardening of the previous one (Fig. 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.Consider the process of continuous casting at

(figure 2, a). The solidification kinetics of the workpiece with the given geometric parameters is graphically represented by the curve L. According to (3) and (4), the minimum solidification rate is
for primary ingot

;
for subsequent layers

. Expressions (8) do not satisfy condition (5) for the formation of a chemically homogeneous structure and therefore determine the receipt of low-quality workpieces.

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

.For an approximate estimation of the productivity of the casting process, the concept of the average crystallization rate is introduced, which is taken as the ratio of the layer thickness (or half-thickness of the primary ingot) to its solidification time. From the accepted assumptions

follows (figure 2, a)

where from

which means replacing the curve L by the approximating line L 'with an angular coefficient tgα ₁ . Hence the thickness

the solidified phase of the ingot at an arbitrary point in time τ _x is determined by the expression

Let us now consider the process of continuous casting at

(Fig. 2, b). The solidification kinetics of the workpiece with the given geometric parameters is graphically represented by the curve M. The rate of solidification in the region of the ends of the liquid wells:
for primary ingot

;
for subsequent layers

.

Выражения (10) удовлетворяют условию (5) формирования химически однородной структуры и обуславливают получение заготовок высокого качества. Expressions (10) satisfy condition (5) for the formation of a chemically homogeneous structure and determine the receipt of high-quality workpieces.

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.For an approximate estimate of the productivity of the casting process, we approximate the curve M of the straight line M 'with an angular coefficient tgα ₂ ,
Where

Hence the thickness

the solidified phase of the ingot at time τ _x will be equal to:

Let us compare the productivity of the two considered processes by comparing the dynamics of the growth of the solid phase (9) and (11). Because

and given the initial conditions

, we obtain for any moment in time:

i.e., the casting method, taking into account condition (1), has a higher productivity.

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.An example of the practical use of the claimed method with

the process of casting a rectangular steel billet with a cross section of 810 x 1460 mm in five series-mounted molds can serve. A primary ingot formed in the first mold with a cross-sectional dimension of 180 x 830 mm is discretely grown in subsequent molds in layers of thickness 90, 80, 80 and 65 mm. The ingot cooling system in the molds and the secondary cooling zone provides solidification of the metal with a crystallization coefficient of 27 mm / min ^0.5 . Complete crystallization of the preform takes 45.6 minutes.

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.The given technological parameters provide crystallization of the workpiece at any stage of its formation at a speed not lower than

which significantly exceeds the critical speed (1.8 mm / min) and serves as a guarantor of high quality workpiece.

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.An example of using the claimed method when

is a two-stage process of continuous casting of the same workpiece with a primary ingot thickness of 405 mm and a thickness of the build-up layer of 202.5 mm. In this case, the minimum crystallization rate

corresponds to critical for S, P and N and more critical for O ₂ , which guarantees the absence of segregation of these elements and provides high quality casting for the defect "chemical heterogeneity". In this case, the complete solidification of the ingot is carried out in 112.5 minutes.

В сравнении с базовым вариантом, в качестве которого принят прототип, предложенный способ полностью исключает дефект "химическая неоднородность" и повышает производительность литья. Compared with the basic version, which is adopted as a prototype, the proposed method completely eliminates the defect "chemical heterogeneity" and increases the productivity of casting.

Таким образом, совокупность заявленных отличительных признаков обеспечивает достижение цели изобретения. Thus, the combination of the claimed distinctive features ensures the achievement of the purpose of the invention.

Claims (1)

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.A method of continuous casting of steel billets of large cross-section, including the formation of a primary ingot in the upper mold and its layer-by-layer growth in one or more successively mounted molds, the cross-sectional area of which is discretely increased in the direction of drawing the ingot, characterized in that, in order to improve the quality of the workpiece and increasing the productivity of the continuous casting process, the thickness of the primary ingot N and the thickness of the successively stacked on it with Loi h is set according to the following dependencies:

where K ₃ the crystallization coefficient of the metal, mm / min,
while layer-by-layer building is carried out after complete hardening of the primary ingot and previous layers.

Images