УДК 621.772.252:669.15-195
,
ОАО "Запсибметкомбинат", г. Новокузнецк
Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк
Оптимизация технологии подготовки чугуна и стали для производства отливок и непрерывнолитых заготовок с использованием Математического Моделирования
Было установлено, что при длительной продувке в расплаве генерируются в достаточном количестве неметаллические включения - нитриды и карбонитриды титана. С использованием математического моделирования оценивали вероятность нитридообразования при различных технологических параметрах. Применение математического моделирования позволило совершенствовать и технологию непрерывной разливки стали.
Для эффективного модифицирования чугуна применяются нанопорошки [1]. Технология изготовления этих порошков очень сложна и энергоемка, требует наличия планетарных мельниц. Однако образование подложек для модифицирования можно произвести и другими методами, в частности, за счет образования нитридов титана при продувке чугуна азотом [2]. Было установлено, что при длительной продувке в расплаве генерируются в достаточном количестве неметаллические включения - нитриды и карбонитриды титана.
Оценочные измерения показали, что размер включений составляет порядка 200…400 нм, что приближается к размеру наночастиц. Для равномерного распределения частиц в объеме ковша в цехе изложниц обработку чугуна азотом совмещают с низко - и высокочастотной обработкой расплава. Такая обработка оказала влияние и на микроструктуру шлаковых чаш и изложниц. Как свидетельствуют результаты экспериментов, чем больше титана удаляется в процессе продувки, тем больше образуется неметаллических включений и тем равномернее (при прочих равных условиях) распределение графита и основы в структуре чугуна.
Продувка чугуна азотом при заданных режимах значительно измельчает размер нитридов титана, ведет к уменьшению их размера, более равномерно распределяет их в объеме основы и в фосфидной эвтектике. Оценка качества микроструктуры показала, что после продувки чугуна техническим азотом, при которой удаляется порядка 0,03…0,06 % титана, образуется значительное количество нитридов титана, которое обеспечивает равномерное распределение графита в структуре чугуна.
Наличие достаточного количества подложек для образования графита обеспечивает получение благоприятной микроструктуры чугуна с равномерно-распределенным графитом среднего размера и матрицы без дендритной структуры. Таким образом образование большого количества неметаллических включений при продувке, как было отмечено и ранее [2], благоприятно сказывается на микроструктуре чугуна и на эксплуатационной стойкость изложниц и шлаковых чаш.
Для оценки нитридообразования в чугуне использовали также математическое моделирование.
В математических моделях оценивали вероятность нитридообразования при различных технологических параметрах.
Для нахождения коэффициента активности элементов в чугуне
использовались параметры взаимодействия :
, (1)
Так как температура обработки чугуна в цехе изложниц составляет 1200…1400 ºС, что ниже температуры сталеплавильных процессов (1600 ºС), то в модели использовали эмпирическое соотношение по пересчету данных параметров взаимодействия на более низкие пределы температур по соотношению:
. (2)
Использование данных допущений позволяет рассчитать границы образования нитридов титана в зависимости от исходного содержания титана в чугуне, как при транспортировке чугуна из доменного цеха в цех изложниц, так и при последующих обработках расплава.
Температурные интервалы и условия нитридообразования представлены на рисунке 1.
После выпуска из доменной печи при температуре металла 1470…1500 ºС и концентрации титана порядка 0,03 % содержание азота составляет 0,006 %, что соответствует данным многочисленных опытов, представленных в работе [3].
Рисунок 1 – Условия образования нитридов титана
По прибытию в цех изложниц (1440 ºС), содержание азота, полученное по данной модели, составляет 0,004 %, что также соответствует опытным данным и свидетельствует о хорошей адекватности модели. Дальнейшие виды обработки( см. рисунок 1): перелив металла из ковша в ковш (1350…1400 ºС), слив металла из доменного ковша в разливочный ковш (1250…1300 ºС), продувка чугуна азотом (1200…1250 ºС) свидетельствует, что для образования нитридов в чугуне на конечных стадиях обработки требуется менее 0,001 % азота.
Измерения показали, что содержание азота после продувки находится на уровне 0,002…0,003 % и свидетельствует о том, что нитриды будут образовываться. Содержание титана, с одной стороны, при продувке постоянно снижается и образующиеся нитриды удаляются в шлак, а с другой стороны часть нитридов, которые не успели всплыть в шлак, остаются в чугуне, скапливаются в фосфидной эвтектике и основе чугуна, что и подтверждается металлографическими исследованиями.
Вторым направлением по применению математического моделирования является технология обработки металла в промежуточных ковшах при производстве непрерывнолитых заготовок.
Наложение низкочастотных колебаний в режиме резонанса на металл, находящийся в ковше перед разливкой, должно способствовать уменьшению количества включений, макро и микронеоднородности расплава. Такую обработку, целесообразно производить одновременно с другими внешними воздействиями, например с инжекцией газов. На было предложено пульсирующий поток газа вводить в защитную трубу от сталеразливочного ковша в приемную ванну промежуточного ковша. Собственную частоту металла в приемной ванне промежуточного ковша вычисляли по формуле[4]:
, (3)
где 
‑ циклическая частота собственных колебаний, с-1; 
, ‑ корни первой производной функции Бесселя; 
‑ собственные числа задачи о главных колебаниях жидкости; g=9,81 м/с2;
‑ гиперболический тангенс аргумента. Для приемной ванны промежуточного ковша имеем :
=π
, (4)
где m,n-номера собственных колебаний, α = b/a, где b, a – размеры среднего значения сечения приемной ванны промежуточного ковша. С использованием выражений можно оценить собственные частоты колебаний металла в приемной ванне. Эксперименты показали, что применение пульсирующей подачи инертного через погружаемую трубу в приемную ванну промежуточного ковша позволяет заметно интенсифицировать перемешивание, при этом значительно изменяется и характер перемешивания металла. При вдувании газа в таком режиме не образуется бурунов оголенного металла на поверхности ванны. Было отмечено по характеру перемешивания в системе «металл-шлак», что при этом перемешивании образование гомогенного однородного шлакового покрова наблюдается при меньших расходах инертного газа.
Оценка собственных частот колебания металла в ванне, проведенная по методикам [4,5] показала, что собственные частоты колебаний находятся в пределах 1Гц. На поток аргона накладывают колебания, в спектре которых есть низкочастотная составляющая, совпадающая с собственной частотой колебаний металла в приемной ванне[5].После определения собственной частоты колебаний металла в приемной ванне разработали конструкцию дутьевого устройства для подачи аргона в промежуточный ковш.
Положительное влияние ввода пульсирующей струи аргона особенно проявилось при вводе силикокальция в виде проволоки в приемную ванну промежуточного ковша. Было установлено, что вследствие большей интенсивности перемешивания металла силикокальций, содержащийся в порошковой проволоке, вовлекается в объем ванны, увеличивается при этом его усвоение. В сравнительном промежуточном ковше, несмотря на больший расход инертного газа, мощность перемешивания недостаточна, вследствие чего часть силикокальция сгорает на поверхности приемной ванны, значительно снижая его усвоение металлом, подтверждаемое химическим анализом стали. Данный вид обработки способствует также лучшей защите струи металла от насыщения азотом и кислородом.
Таким образом, математическое моделирование позволило оптимизировать технологии обработки металла в заливочных ковшах цеха изложниц и промежуточных ковшах МНЛЗ, повысить усвояемость модификаторов и микроструктуру изделий. Наложение колебаний на струю инертного газа позволяет значительно интенсифицировать перемешивание металла в промежуточном ковше МНЛЗ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза / , , и др. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН. – 1999. – 312 с.
2. Тен продувки азотом на первичную кристаллизацию чугуна / , // Изв. вузов. Черная металлургия. – 1994. – №7. – С. 54-58.
3. Леви в чугуне для отливок / .– М.: Машиностроение. – 1964. – 227 с.
4. Униговский параметров колебаний при обработке жидких металлов / // Сталь – 1992. – №10. – С. 22-26.
5. Лубяной обработка расплава методом резонансно-пульсирующего рафинирования / // Сталь – 2006. – №5. – С. 21.
