Модифицирование стали. Электромагнитное перемешивание. Мягкое обжатие на МНЛЗ. Другие способы воздействия на кристаллизующийся металл.

Обычно под модифицированием понимается процесс активного регулирования первичной кристаллизации и изменения степени дисперсности кристаллизующихся фаз путем ввода в расплав малых добавок отдельных химических элементов или соединений. Такие вещества называют модификаторами. Модификаторы, практически не изменяя состав стали, оказывают существенное влияние на ее структуру. Многие из них активно взаимодействуют с компонентами жидкой стали, в результате чего эффект модифицирования в ходе выдержки металла ослабляется. Ввод модификаторов в ряде случаев сопровождается благоприятным воздействием на вредные примеси (раскислением, дегазацией, связыванием серы в устойчивые сульфиды).

Все модификаторы, влияющие на структуру затвердевшего металла делят на две группы: модификаторы первого и второго рода.

Модификаторы первого рода непосредственно образуют в металле центры кристаллизации в виде мелкодисперсной взвеси. Они должны либо сами обладать высокой температурой плавления и создавать твердые частицы, вызывающие гетерогенные образования зародышей, либо образовывать с компонентами стали тугоплавкие соединения, играющие такую же роль. Например, для получения мелкозернистой кристаллической структуры в жидкий металл вводят тугоплавкие соединения, содержащие следующие химические элементы: титан, ванадий, бор, алюминий, цирконий, ниобий, служащие дополнительными центрами кристаллизации. Между тем, при подборе модификаторов первого рода необходимо руководствоваться следующими соображениями: добавка должна образовывать устойчивое тугоплавкое соединение с одним из компонентов сплава или же сам модификатор должен иметь более высокую температуру плавления, чем основа сплава.

Модификаторы второго рода являются поверхностно активными веществами. При кристаллизации они адсорбируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Это приводит к увеличению величины переохлаждения жидкой стали перед фронтом кристаллизации и создает благоприятные условия для возникновения новых центров зарождения кристаллов, что в итоге способствует измельчению зерна. При выборе модификаторов второго рода учитывают следующие соображения: добавка должна иметь низкий коэффициент распределения в железе, что вызывает увеличение ее концентрации вблизи поверхности кристалла. Растворимость добавки в твердой фазе должна быть небольшой, при этом желательно образование с основой сплава (железом) тугоплавкой эвтектики. Модификаторы второго рода не только измельчают размеры кристаллического зерна, но и изменяют формы роста кристаллов. Они препятствуют развитию игольчатых или пластинчатых кристаллов, придавая им округлые формы. Экспериментально установлено, что в качестве модификаторов второго рода целесообразно использовать щелочные и щелочноземельные металлы.

Процесс кристаллизации непрерывного слитка в технологической линии МНЛЗ можно разбить на три характерные стадии: затвердевание в кристаллизаторе, затвердевание в зоне вторичного охлаждения и формирование макроструктуры в зоне окончательного затвердевания, т.е. в той части слитка, где остаточная жидкая фаза занимает 10—30% площади поперечного сечения слитка. В соответствии с особенностями кристаллизации непрерывного слитка в технологической линии МНЛЗ и желании получить максимальный эффект делаются попытки осуществить электромагнитное перемешивание в трех, а иногда и четырех, уровнях — в кристаллизаторе, зоне вторичного охлаждения, зоне окончания затвердевания.

Эффект от электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе связывают, с одной стороны, с изменением гидродинамики в жидкой фазе при наложении принудительного, упорядоченного и управляемого движения за счет электромагнитных сил на гидродинамические потоки от струи, истекающей из промежуточного ковша в кристаллизатор. С другой стороны, перемешивание в кристаллизаторе создает теплофизические условия кристаллизации непрерывного слитка, аналогичные формированию макроструктуры при литье с небольшим перегревом металла над точкой ликвидус. Поэтому электромагнитное перемешивание в кристаллизаторе наиболее целесообразно и эффективно. Электромагнитное перемешивание в зоне вторичного охлаждения также должно способствовать улучшению качества макроструктуры непрерывнолитых заготовок. Во-первых, также как и в кристаллизаторе, интенсифицируется теплообмен в жидкой фазе. Во-вторых, часть растущих ветвей дендритов обламывается потоками расплава. Одни из них, по всей вероятности, расплавляются, снижая температуру жидкой фазы, а другие становятся дополнительными центрами кристаллизации. Все это создает условия для подавления роста столбчатой структуры.

Замена тянущих роликов на пару специальных роликов с функцией мягкого обжатия позволяет значительно уменьшить макроликвацию (зональная химическая неоднородность сплава). Принцип прост: наличие обжатия на этой стадии проката уплотняет слиток, тем самым ограничивая пространство для элементов, подверженных ликвации, не давая им отслаиваться.