Увеличение производительности МНЛЗ связано с повышением скорости разливки. При этом возрастают тепловая и механическая нагрузки на гильзу, проявляются технологические дефекты в их изготовлении, что повышает вероятность разрушения покрытия и выхода кристаллизатора из строя. Целью работы является исследование причин преждевременного выхода из строя гильз сортовых кристаллизаторов, работающих при повышенной скорости разливки.

В работе рассмотрено поведение хромового покрытия гильз кристаллизатора сортовой МНЛЗ «квадрат 120 мм», которые использовались на одном из металлургических предприятий при разливке низкоуглеродистой стали обычного состава. Всего было исследовано более 10 гильз, изготовленных двумя поставщиками, и эксплуатировавшимися при скорости разливки около 4 м/мин. Эти гильзы показали относительно низкую стойкость и были преждевременно сняты из эксплуатации.

Заготовки для исследований вырезали из зоны несколько выше мениска, в которой видимое влияние жидкой стали отсутствовало и ниже мениска, поскольку именно в этой части возникает максимальная температура нагрева поверхности кристаллизатора.

Исследования выполняли с помощью методов оптической металлографии на микроскопе «Neophot-21». Травление образцов проводили в реактиве, содержащем 50 % азотной кислоты, 25 % уксусной кислоты, 25 % фосфорной кислоты [1]. Толщину покрытия и микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3, нагрузка при измерении микротвердости 0,25 Н.

Установлено, что на поверхности гильз возникают типичные дефекты – риски, износ поверхности и в углах кристаллизатора, которые вызываются движущейся заготовкой, температурной деформацией гильзы и усиливаются к нижней части кристаллизатора.

Кроме указанных дефектов, наблюдали участки эрозионного разрушения.

Такие участки неправильной формы и размером несколько сантиметров возникали уже после относительно небольшого числа плавок несколько ниже мениска. Потемнение покрытия свидетельствует о заметном локальном перегреве гильзы, так как хром темнеет (окисляется) при температурах выше 500 ^ОС [2].

С увеличением числа плавок покрытие разрушается. Видно, что края участка неровные, сглаженные. Это можно объяснить частичным растворением и испарением хрома под действием высокой температуры заливаемой стали. Внутри участка хромовое покрытие становится тоньше, капли застывшей стали привариваются к поверхности и при движении заготовки вызывают глубокие риски, проникающие на несколько миллиметров в медную основу. Риски провоцируют хрупкие сколы и разделение покрытия на чешуйки. Необходимо отметить, что за пределами эрозионного участка такие риски быстро сглаживаются и сколы в покрытии, связанные с ними, не наблюдали.

Между хромовым покрытием и медной основой в большинстве изученных образцов наблюдали достаточно четко выраженный переходной слой. Он имеет хорошо видимую межфазную границу, которая идет параллельно хромовому покрытию. Следовательно, ее можно связать с диффузией хрома в медь и образованием твердого раствора.

Толщина переходного слоя колебалась, и была, в основном, 10 – 18 мкм. Микротвердость переходного слоя повышена по сравнению с микротвердостью основы и достигала 1400 Н/мм². Однако такой слой не был сплошным и, в отдельных случаях, его не наблюдали. При изготовлении шлифа в этих местах покрытие относительно легко отделялось от основы с образованием видимого зазора.

Для получения достаточно прочного соединения покрытия с основным металлом рекомендуется проводить длительную термическую обработку – диффузионный отжиг.

В процессе диффузионного отжига происходит образование a - твер­дого раствора хрома в меди. При достижении предела растворимости (т. С_a) возможно выделение b-фазы – твердого раствора меди в хроме. Необходимо учитывать, что с понижением температуры a-фаза становится пересыщенной, и из нее будет выделяться b-фаза в соответствии с ходом линии предельной растворимости.

Следовательно, наблюдаемый переходной слой представляет собой смесь a и b фаз, полученных путем термической обработки (температура нагрева поверхности кристаллизатора при нормальной работе менее 250 ^ОС и скорость диффузии хрома в медь низкая).

При нарушении технологии нанесения покрытия, недостаточной выдержки при термической обработке надежного переходного слоя не получается. Прочность соединения покрытия и основы получается относительно низким, и термические деформации ведут к нарушению контакта хрома и меди. Из-за высокой плотности теплового потока в этих местах заметно возрастает температура нагрева хромового слоя, что ведет к его окислению и отслаиванию.

Так же необходимо учитывать влияние толщины покрытия. Указанные эффекты наблюдали, в первую очередь, в гильзах с большей толщиной слоя хрома, что связано с заметным увеличением внутренних напряжений в покрытии при его утолщении [3]. Отслаивание покрытия, разрушение в этих местах медной основы способствуют резкому снижению стойкости гильзы и ее преждевременному снятию из эксплуатации. Исследованные гильзы были сняты из эксплуатации из-за интенсивного развития раковин в околоменисковой зоне, и их стойкость составила менее 35 % от номинальной.

В результате выполнения исследований установлено, что преимущественной причиной разрушения хромового покрытия гильз является износ, который увеличивается в нижней зоне кристаллизатора. Вблизи мениска наблюдаются макроскопические участки эрозии и отслоения покрытия. Проведенные исследования показали, что вероятной причиной эрозионного разрушения покрытия является нарушение технологии изготовления гильзы, а так же превышение оптимальной толщины хромового покрытия. Непрерывное литье со скоростями, превышающими рекомендованные, ведет к деформации гильзы и ускоряет отслоение покрытия. Увеличение толщины покрытия повышает температурное сопротивление гильзы и, следовательно, обуславливает повышенный нагрев и растрескивание покрытия. Для получения достаточной стойкости гильз в таких условиях необходимо выбирать оптимальные параметры непрерывной разливки.