Vliv tvaru ponorné výlevky na mikročistotu plynule odlévané oceli Ing. David Bocek a), Ing. Lubomír Lacina a), Ing. Pavel Střasák Ph.D. b), Ing. Antonín Tuček CSc. b), Ing. Ladislav Socha c), Prof. Ing. Jiří Bažan CSc. c), a) Třinecké železárny, a. s., Třinec, b) TechSoft Engineering s.r.o., Praha, c) Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Příspěvek je věnován vlivu tvaru ponorné výlevky na mikročistotu plynule lité oceli. V současnosti existuje celá řada typů ponorných výlevek odlišných tvarů, velikostí, různých rozměrů výtokových kanálků, přičemž jejich výběr pro daný typ ZPO vychází z parametrů, jako jsou např. tvar a rozměry krystalizátoru, charakter proudění oceli v krystalizátoru, licí rychlost, jakost odlévané oceli atd. Konstrukce ponorné výlevky tedy představuje hlavní parametr, kterým lze ovlivnit charakter proudění oceli v krystalizátoru a tím i čistotu plynule lité oceli a výslednou kvalitu předlitku. 1. Úvod Ponorná výlevka představuje keramickou trubici, která je používána na zařízení plynulého odlévání (dále jen ZPO) a slouží k přivádění proudu oceli z mezipánve do krystalizátoru (obr. 1). Kromě přivádění oceli je využívána také k ochraně licího proudu, protože při odlévání oceli dochází vlivem podtlaku k nasávání okolní atmosféry a tzv. reoxidaci oceli. o zabránění strhávání licího prášku z hladiny do krystalizátoru, o usnadnění vyplouvání a pohlcování nekovových vměstků do licího prášku, o rovnoměrného rozdělení kovu po průřezu krystalizátoru pro vznik rovnoměrné licí kůry odlévání předlitků bez povrchových a vnitřních vad. Již z tohoto výčtu úkolů je zřejmé, že výběr vhodného typu ponorné výlevky pro dané ZPO je ovlivněn mnoha faktory, mezi které patří např.: tvar a rozměry krystalizátoru, charakter proudění oceli v krystalizátoru, licí rychlost, jakost odlévané oceli atd. To znamená, že vhodným výběrem ponorné výlevky lze ovlivnit výslednou mikročistotu a také kvalitu odlévané oceli. 2. Charakteristika ponorných výlevek Obr. 1 Ukázka ponorné výlevky v provozních podmínkách Fig. 1 Illustration of subentry nozzle in plant conditions V současnosti již ponorné výlevky neplní jen uvedené základní úlohy, ale jsou na ně kladeny vyšší nároky. Mezi úkoly, které v současnosti ponorné výlevky plní, tedy patří [1,2,3]: ochrana licího proudu před naplyněním a reoxidací oceli, zamezení rozstříku kovu, zajištění optimálního proudění oceli přiváděné ponornou výlevkou do krystalizátoru pro dosažení: o klidné hladiny oceli s licím práškem v úrovni menisku, Dnes již existuje řada výrobců, kteří produkují ponorné výlevky různých tvarů, velikostí s různým počtem a sklonem výtokových kanálků (otvorů). Obecně lze ponorné výlevky rozdělit na dva základní typy, a to náporové a beznáporové ponorné výlevky. Rozdíl obou typů ponorných výlevek spočívá ve způsobu přivádění oceli do krystalizátoru a tím i ovlivnění proudění ve vznikajícím (tuhnoucím) předlitku [1,2,3]. V případě náporových výlevek (obr. 2) je proud oceli přiváděn do tuhnoucího předlitku se značnou hloubkou průniku do tekutého jádra. To znamená, že pro přiváděnou ocel nejsou vytvořeny tak příznivé podmínky pro vyplouvání nekovových vměstků do licího prášku, protože vyplouvající vměstky se mohou zachycovat mezi vznikajícími krystaly v předlitku. Náporové ponorné výlevky jsou tedy používány pro odlévání oceli s méně přísnými požadavky na nižší mikročistotu (dle znečištění nekovovými vměstky).
odolnost vůči vysoké teplotě (především tepelným změnám), chemická odolnost (např. k licímu prášku), mechanická pevnost při vysokých teplotách, odolnost proti zarůstání vnitřního povrchu (nekovovými vměstky). 3. Vývojové trendy ponorných výlevek Obr. 2 Ukázka charakteru proudění z náporové výlevky v krystalizátoru 420 320 mm [4] Fig. 2 Illustration of one vent SEN outflow pattern into the 420 320 mm mold [4] V současném ocelářském průmyslu jsou neustále zvyšovány požadavky na kvalitu oceli při dosahování maximální efektivnosti výroby za co nejnižších nákladů. To se také projevilo ve vývoji a zdokonalování používaných ponorných výlevek. Tento vývoj spočívá v optimalizaci konstrukce ponorné výlevky pro dosažení zvýšení jakosti odlévaných předlitků. Tato optimalizace je však také ovlivněna provozními parametry daného ZPO a značkou odlévané oceli. Vlastní vývoj nových konstrukčních typů ponorných výlevek je realizován pomocí modelování, a to jak fyzikálního tak numerického. Následně jsou prováděny provozní experimenty s optimalizovanou ponornou výlevkou pro potvrzení výsledků získaných modelováním. Obr. 3 Ukázka charakteru proudění ze dvou otvorové beznáporové výlevky v krystalizátoru 420 320 mm [4] Fig. 3 Illustration of two vents SEN outflow pattern into the 420 320 mm mold [4] Beznáporové ponorné výlevky (obr. 3) jsou charakteristické bočními výtokovými kanálky (otvory) ve spodní části trubice ponorné výlevky. V tomto případě je přiváděná ocel rozdělena výtokovými kanálky (otvory) na jednotlivé proudy, které proudí ke stěnám krystalizátoru, kde se část přiváděné oceli nasměruje k hladině krystalizátoru, přičemž zbylá část směřuje dovnitř tuhnoucího předlitku. Právě poměrem vystupujícího proudu oceli z bočního kanálku (otvoru) rozděleného na jednotlivé proudy lze ovlivnit charakter proudění oceli v krystalizátoru. To však záleží na celé řadě parametrů, mezi které patří především: velikost, počet, tvar a sklon výtokových kanálků (otvorů), dále vzdálenost výtokových kanálků (otvorů) od stěny krystalizátoru atd. Beznáporové ponorné výlevky jsou tedy používány pro odlévání oceli s vyššími požadavky na mikročistotu (dle znečištění nekovovými vměstky). Lze tedy konstatovat, že výběr ponorné výlevky se řídí požadavky kladenými na mikročistotu a výslednou kvalitu odlévaného předlitku na provozovaném ZPO. Kromě těchto požadavků je výběr ponorné výlevky ovlivněn také její cenou, která se odvíjí od kvality a dosahovaných vlastností. Mezi nároky kladené na ponorné výlevky patří např.: V rámci tohoto příspěvku jsou uvedeny příklady optimalizace a vývoje moderních ponorných výlevek v některých ocelářských podnicích provozujících ZPO. V japonském podniku KOBE STEEL 5 je provozováno blokové pětiproudé ZPO s rozměry příčného průřezu 310 330 370 mm. Pro zvýšení kvality odlévaných předlitků bylo provedeno studium vlivu konstrukce ponorných výlevek. Vlastní studium bylo provedeno na vodním modelu s cílem simulace hloubky ponoření, licí rychlosti a vlivu proudění dané ponorné výlevky na strhávání licího prášku (simulovaného siliko-gelem) do objemu předlitku v krystalizátoru. Byla vybrána jak přímá ponorná výlevka, tak rozdvojená ponorná výlevka se dvěmi výstupními otvory, které směřují dolů pod různými úhly. Z literárního odkazu není zřejmý ani tvar ani rozměry použitých výlevek. Jsou pouze uvedeny výstupní úhly bočních otvorů výlevky. Výsledky uvedené na obr. 4 a 5 ukazují zanášení a separaci licích prášků turbulentním prouděním oceli v závislosti na licí rychlosti a vzdálenosti od povrchu krystalizátoru pro různé typy a výstupní úhly ponorné výlevky.
bloky rychlostí 0,7 m.min -1. Úhly výstupních otvorů pro 4-otvorovou ponornou výlevku byly různé, od 25 směrem nahoru po 15 směrem dolů, vždy v krocích po 5. Různé úhly výstupních otvorů z 4-otvorové výlevky byly také hodnoceny pro jejich účinek na charakter směšování kovu v krystalizátoru. Bylo také provedeno srovnání všech těchto variant s jednootvorovou, tzv. náporovou výlevkou. Všechny 4-otvorové ponorné výlevky pracovaly s hloubkou ponoření 175 mm pod meniskus, přímá výlevka pak s hloubkou 85 mm. Obr. 4 Hloubka zanášení licího prášku do krystalizátoru Fig. 4 Depth of casting powder entrapment into the mold Obr. 6 Rychlostní profily a proudová pole při použití jednootvorové a 4-otvorové ponorné výlevky Fig. 6 Velocity profiles and flow fields during one and four vent SEN utilization Na obr. 6 jsou uvedeny profily rychlosti a proudová pole v krystalizátoru pro přímou a 4-otvorovou ponornou výlevku. Na základě analýzy toku kapaliny a rozdělení retenčních časů bylo shledáno, že: Obr. 5 Hloubka separace licího prášku v krystalizátoru Fig. 5 Depth of casting powder separation in the mold Z obr. 4 a 5 je zřejmé, že nejlepších výsledků bylo dosaženo použitím rozdvojení výlevky se sklonem výstupu 30, přičemž jako nejhorší se projevila výlevka se sklonem výstupu 0. Z výsledků lze také dojít k závěru, že s rostoucím sklonem výstupu výlevky je dosahováno menší hloubky zanášení na vodním modelu. Byla zkoušena i upravená ponorná výlevka se sklonem výstupu 30, ale se zúžením. Tato úprava oproti výlevce bez zúžení se na zlepšení parametrů neprojevila. Matematickým modelováním a optimalizací ponorné výlevky se zabývali autoři práce [6]. Zkoumali vliv rychlosti a profilu proudění při použití jednootvorové a 4-otvorové ponorné výlevky. Byla provedena matematická simulace pomocí programu FLUENT při použití trojrozměrného modelu blokového krystalizátoru s průřezem 350 x 250 mm, ve kterém jsou odlévány 4-otvorová ponorná výlevka má lepší směšovací charakteristiky než přímá výlevka s jedním výtokovým otvorem, charakter toku ze 4-otvorové výlevky rozptyluje přehřátí, což vede k vyššímu podílu zóny rovnoosých krystalů bloků v litém stavu (primární krystalizace), hloubka pronikání proudu je snížena, přenos tepla do menisku je zlepšen pomocí natavování licího prášku. Nicméně z výsledků bylo také zjištěno, že u více otvorové ponorné výlevky vystupující proud naráží na stěnu krystalizátoru a může docházet k natavování licí kůry bloku. K zabránění tohoto jevu musí být zvýšena hloubka ponoření tak, aby výstupní proud narážel na silnější stěnu licí kůry. Předběžné zkoušky s 4- otvorovou výlevkou prokázaly 10 % zvýšení oblasti rovnoosých krystalů v licí struktuře bloku. Z uvedených odkazů je patrné, že typ, konstrukční řešení, hloubka ponoření, ale také provozní parametry ZPO výrazným způsobem ovlivňují proudění oceli
v krystalizátoru a tím i výslednou strukturu, mikročistotu a jakost plynule litých odlitků. Tyto příklady byly vybrány z rozsáhlé literární rešerše vypracované v rámci řešení projektu MPO FI-IM2/043. 4 Vývoj moderní ponorné výlevky pro blokové ZPO v TŽ, a.s. vpouštěny vměstky. Výpočet vyplouvání vměstků byl proveden za předpokladu, že nebude docházet k přestupu tepla a hmoty mezi vměstky a taveninou, že vzájemná interakce (shlukování a rozdružování) je zanedbatelná a že proudění vměstků nemá vliv na taveninu. Výsledkem analýzy je četnost zachycení jednotlivých průměrů na různých částech výlevky a krystalizátoru pro jednu danou hustotu vměstků. V rámci experimentů byl v podmínkách TŽ, a.s. zahájen vývoj nového typu ponorné výlevky pro odlévání kruhových formátů ( 410 a 525 mm) na blokovém ZPO s cílem minimalizace výskytu nadměrných vměstků (> 50 m). V současné době se pro odlévání kruhových předlitků používají dva druhy ponorných výlevek (náporová výlevka s přímým výtokem a beznáporová výlevka pětiotvorová se čtyřmi bočními otvory a jedním excentrickým otvorem (viz obr. 7). Přímá ponorná výlevka se používá u jakostí náchylných na povrchovou kvalitu předliků a pětiotvorová výlevka pro jakosti, u kterých je požadována co nejlepší mikročistota materiálu (železniční dvojkolí, ložisková ocel). Obr. 7 Detailní náhled na 5-ti otvorovou ponornou výlevku Fig. 7 Detail preview of 5-vent subentry nozzle 4.1 Matematické modelování V první fázi řešení bylo provedeno matematické modelování vyplouvání nekovových vměstků v podmínkách krystalizátoru 410 mm a 525mm na blokovém kontilití při ověřování 5-ti otvorové ponorné výlevky (dále jen 5-ti otv.) a výlevky typu umbrella design (dále jen UD), viz obr. 8. Pro modelování byl použit matematický model Fluent 6. Byl modelován charakter proudění taveniny při rozdílných hloubkách ponoru ponorných výlevek (5-ti otv. a UD) s cílem zajištění zlepšení mikročistoty oceli a zjištění nejoptimálnější hloubky ponoru výlevek. Posuzování mikročistoty oceli bylo provedeno pomocí vyplouvání vměstků tak, že do výsledného stacionárního rychlostního, tlakového a teplotního pole byly následně Obr. 8 Detailní náhled na ponornou výlevku typu umbrella design Fig. 8 Detail preview of subentry nozzle umbrella design type Z analýzy modelování vyplouvání nebo zachytávání vměstků vyplynuly nejvhodnější varianty ponoru testovaných výlevek: 5-ti otv. výlevka 410 mm ponor 110 130 mm, při menších ponorech již proud směřuje do hladiny a může dojít ke strhávání licího prášku, 525 mm ponor 130 mm zachycení vměstků na hladině odrazem od licí kůrky nebo při ponoru 190 mm se zachytávají vměstky přímo na hladině, aniž by došlo k rozkmitání hladiny, Umbrella design nejvhodnější varianta pro 410 mm je hloubka ponoru 210 mm, pro 525 mm je nejvhodnější variantou hloubka ponoru 190 mm. Ve druhé fázi byla provedena optimalizace sklonu výstupních otvorů výlevky typu UD. Byla odzkoušena 1. optimalizační varianta, ve které byl o 15 zvýšen úhel spodní strany výstupního otvoru trysky. Pro průměr krystalizátoru 410 mm dopadá vystupující proud taveniny z výlevky na licí kůrku a od ní se odráží do hladiny a u stěny krystalizátoru vzniká stagnantní oblast. Pro průměr 525 mm při ponoru výlevky 250 mm dopadá proud přímo na hladinu. Z těchto důvodů byla provedena 2. optimalizace, ve které byl úhel spodní hrany zvýšen o 7,5. Pro oba průměry krystalizátoru dopadá proud taveniny na licí kůrku a od ní se odráží do hladiny (při ponoru 250 mm). V poslední fázi modelování bylo z provozních důvodů (obtížnost usazování výlevky UD do mezipánve)
přistoupeno ke zmenšení spodního výtokového průměru výlevky umbrella design z původních 148 mm na 115 mm. Cílem bylo zlepšení usazování ponorné výlevky do mezipánve z hora bez nutnosti použití speciálních dělených usazovacích kamenů. Nová výlevka byla označena UD115 znázorněna na obr. 9 a 10. o něco menší než hloubka ponoru. Z provedeného numerického modelování výlevky UD115 a původní UD výlevky při různých hloubkách ponoru vyplývá, že výlevka UD115 má lepší předpoklady pro vyplouvání vměstků. Pro potvrzení výsledků modelování jsou prováděny provozní zkoušky odlévání s následným monitorováním a porovnáváním vlivu ponorných výlevek (5-ti otv. výlevek, UD a UD115) na mikročistotu oceli dle normy ASTM E45 (včetně hodnocení největších nadměrných vměstků DS). 4.2 Provozní experimenty Obr. 9 Detailní náhled na ponornou výlevku typu UD115 Fig. 9 Detail preview of subentry nozzle UD115 type V další fázi řešení bylo přistoupeno k ověření navržených parametrů (tvarů a ponorů výlevek) v provozních podmínkách TŽ. Na obr. 11 je znázorněno porovnání výlevky typu UD115 s 5-ti otv. výlevkou z hlediska velikosti největších nalezených vměstků. Porovnání bylo provedeno na vzorcích tyčové uhlíkové oceli řady C45. Bylo odlito 5 taveb v jedné sekvenci (předliků 410 mm), kde na 1. až 3. licím proudu byla použita 5-ti otv. výlevka a na 4. a 5. licím proudu výlevka typu UD115. velikost vměstků (um) 25 20 15 10 5 0. 300 275 250 225 200 175 150 125 100 hloubka ponoru výlevek (mm) 1 2 3 4 5 pořadí taveb v sekvenci 5 otv. UD115 ponor 5 otv. ponor UD 115 Obr. 11 Porovnání dosažené mikročistoty při použití 5-ti otv. výlevky a výlevky UD115 Fig. 11 Comparison of obtained microcleanness by using 5-vent and UD115 SEN types Obr. 10 Detailní náhled na ponorné výlevky typu UD115 po lití Fig. 10 Detail preview of subentry nozzles UD115 type after casting Základní charakter proudění pro výlevku UD115 je velmi podobný jako u předchozí výlevky UD s nezmenšeným průměrem hlavy. Zmenšení průměru hlavy UD výlevky způsobilo pro všechny řešené hloubky ponoru a oba průměry krystalizátoru, že tavenina vystupující z výlevky stoupá strměji k hladině. Pro některé varianty stoupá proud podél výlevky vzhůru. Charakteristickým rysem proudění u výlevky UD115 je poměrně kompaktní proud, který se příliš nedělí, spíše jeho některé části provedou dříve změnu směru. Pro všechny ponory dochází k usměrnění proudu k hladině. Tavenina v krystalizátoru mimo výstupní otvory výlevky necirkuluje ani od hladiny ani stěny krystalizátoru směrem k výlevce. Hloubka recirkulace je Jestliže nebudeme příliš přihlížet k 1. tavbě v sekvenci, kde je výskyt nekovových vměstků ovlivněn i erozivními a korozivními ději vyzdívky mezipánve ZPO, pak výlevka UD115 vykazuje nepatrně lepší výsledky z hlediska největšího nalezeného vměstku. Ani v jenom případě nebyl u obou typů výlevek nalezen vměstek větší než 25 m. Průměrná velikost všech vměstků u výlevky UD115 činila 10,77m a u 5-ti otv. výlevky 11,1m. Z grafu je patrné, že při větších hloubkách ponoru vykazují obě výlevky lepší výsledky, což potvrdilo výsledky modelování. 5 Závěr V rámci řešení byl proveden rozsáhlý literární rozbor poznatků, zabývajících se vývojovými trendy v konstrukci a používání ponorných výlevek.
V další etapě řešení byly navrženy různé varianty výlevek a cílem minimalizace výskytu nadměrných vměstků a makrovměstků. Tyto varianty byly ověřeny modelováním pomocí softwarového programu FLUENT 6 při různých hloubkách ponoru ponorných výlevek. Byl navržen a ověřen modifikovaný tvar UD výlevky pod označením UD115, který umožňuje dosáhnout požadované parametry mikročistoty pro odlévání nejnáročnějších značek ocelí. V provozních podmínkách byly ověřeny a porovnány účinnosti dvou typů výlevek (5-ti otvorová a výlevka UD115) s ohledem na výskyt nekovových vměstků v oceli. Literatura [1] Böhm, Z. aj. Plynulé odlévání oceli.1. vyd. Praha, SNTL, 1992. 443 s. [2] Schwerdtfeger, K. Metallurgie des Stranggießens. Verlag Stahl und Eisen mbh. Düseldorf, 1992, 640 s. [3] Irving, W. R. Continuous Casting of Steel. The University Press, Cambridge, 1993, ISBN 0-901716-53-7. [4] Xiu, W.T., Carlsson, G.: Water Model Studies of Fluid Flow in CC-Moulds when Submerged Entry Nozzles are Used, Scandinavian Journal of Metallurgy, 1983, Vol. 12, no. 3, pp. 121-128. [5] Ray, A.K., Singh, R.K., Amitava, P., Mazumdar, S. Evalution of SEN Design for Bloom Casting Based on Mat. Modelling. AISTech 2005, 2005, Vol. II, pp. 863-871. [6] Schlichting, W.K., Gale, J.P., Bullock, R., Loushin, K., Takimoto, T. Commissioning of USS/Kobe s No. 2 Bloom Caster Facility, Iron & Steelmaker, 1996, Vol. 23, no. 6, pp. 35-39. Práce byla řešena v rámci projektu MPO FI-IM2/043.