Удосконалення технологічних та конструктивних параметрів високошвидкісної розливки сталі на сортових МБЛЗ

Размещено на http://allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність: 05.16.02 -Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення технологічних та конструктивних параметрів високошвидкісної розливки сталі на сортових МБЛЗ

Бірюков Олексій Борисович

Донецьк - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Кравцов Владлен Васильович,

Донецький національный технічний університет, завідувач кафедрою

“Технічна теплофізика”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, лауреат Державної премії України, заслужений діяч науки і техніки України Дюдкін Дмитро Олександрович, ВАТ “Завод “Універсальне обладнання”, м. Донецьк, заступник директора з нової техніки та технології;

кандидат технічних наук, с.н.с. Якобше Рішард Якубович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник.

Провідна установа

Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра теорії металургійних процесів, м. Маріуполь.

Захист відбувся “29” грудня 2005 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.01 при Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1-ий навчальний корпус, аудиторія 1.201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-ий навчальний корпус.

Автореферат розіслано “28” листопада 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 11.052.01

доктор технічних наук, професор О.В. Яковченко

ВСТУП

Україна є одним із найбільших у світі виробників сталі, причому 70-80% металу направляється на експорт. Для успішної реалізації значних обсягів продукції необхідно забезпечити достатній рівень її конкурентоспроможності і постійно працювати над її підвищенням. У зв'язку з цим зараз в Україні активно впроваджується технологія безперервного розливання сталі.

Актуальність теми

Ситуація, яка склалася сьогодні на ринку металопродуктів, визначає підвищений інтерес інвесторів і металургійних підприємств до високопродуктивних сортових МБЛЗ. Тому найближчим часом прогнозується значне збільшення кількості МБЛЗ цього типу в Україні. З іншого боку, в результаті конкуренції вимоги, встановлені до якості сортових заготовок, постійно підвищуються, що визначає необхідність пошуку шляхів підвищення ефективності даної технології.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дана робота виконана відповідно до плану науково-технічних робіт кафедри технічної теплофізики Донецького національного технічного університету за темою “Дослідження процесів тепломасообміну на різних етапах виробництва металів” (номер дежреєстрації 0104U002487), в якій автор бере участь як виконавець. Крім того, дана робота відповідає напрямкам розвитку металургійного комплексу України, визначеним у “Програмі перспективного розвитку підприємств металургійного комплексу Донецької області до 2010 року” і “Програмі науково-технічного розвитку Донецької області до 2020 року ”.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає у визначенні параметрів процесу, що дозволяють покращити якість заготовок, що відливаються на високошвидкісних сортових МБЛЗ, та підвищити стійкість внутрішньої поверхні кристалізаторів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

розробити теоретичні підходи в області математичного моделювання безперервного розливання, що дозволяють врахувати вплив динамічних процесів у рідкій лунці безперервнолитої заготовки на процеси кристалізації і задавати граничні умови на поверхні заготовки, що формується в зоні вторинного охолодження, з урахуванням локальної нерівномірності відведення тепла;

розробити теоретичні підходи для розрахунку природної усадки заготовок у кристалізаторі; визначення інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора; визначення параметрів розливання, що дозволяють зменшити зношення кристалізаторів (при роботі в номінальних умовах і при відхиленнях від них), та проектування конусності гільз кристалізаторів, внутрішній профіль яких відповідає природній усадці заготовок;

установити характер впливу висоти падіння струменя металу з проміжного ковша на нерівномірність кристалізації біля радіальних граней заготовки;

розробити підхід для дослідження локальної нерівномірності температурних полів безперервнолитої заготовки, що формується в ЗВО, з метою відпрацювання режимів вторинного охолодження, що дозволяють знизити рівень виникаючих термічних напруг;

розробити режим вторинного охолодження, що дозволяє розширити вісьову зону рівновісних кристалів заготовок, що розливаються на високошвидкісних сортових МБЛЗ.

Об'єкт дослідження - процеси затвердівання, охолодження й усадки безперервнолитих заготовок, що розливаються на високопродуктивних сортових машинах (швидкість розливання вище 3 м/хв).

Предмет дослідження - залежність поля температур і динаміки просування фронту кристалізації безперервнолитих заготовок від температурно-швидкісних режимів лиття.

Методи дослідження

Основним методом дослідження, використаним у даній роботі, є математичне моделювання, в області якого автором розроблено ряд нових теоретичних підходів. Для підтвердження вірогідності результатів чисельних експериментів використані дані, отримані за допомогою відповідних вимірів температури поверхні заготовки за допомогою інфрачервоного оптичного пірометра (клас точності 0,5); результати вимірів товщини кірки заготовки в різних перерізах із інструментальною точністю ±0,1 мм, отримані при вивченні “чулков” від проривів; результати дослідно-промислових експериментів по вивченню впливу зменшення витрати охолоджувача на грань малого радіуса на скорочення довжини зони стовпчастих кристалів, що ростуть від даної грані (для виявлення макроструктури відібраних поперечних зразків зроблене їхнє травлення 50%-ним водяним розчином соляної кислоти, виміри довжин структурних зон із точністю ±0,5 мм); результати дослідно-промислових експериментів по визначенню зношення кристалізаторів у залежності від параметрів розливання (зношення внутрішньої поверхні гільз кристалізаторів вимірялося за допомогою нутроміра фірми Danieli з точністю вимірів 0,01 мм).

Наукова новизна отриманих результатів

1. Удосконалено метод для розрахунку усадки заготовок у кристалізаторах високошвидкісних сортових МБЛЗ за рахунок визначення динамічної усадки заготовки на підставі даних про температурний стан її кірки, отриманих за допомогою математичної моделі. Так, за допомогою даного підходу встановлено, що профіль кристалізатора Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм відповідає з точністю 0,05 мм усадці заготовок із сталей, що мають вміст вуглецю 0,05-0,07% С та 0,16-0,18% С; максимально можлива невідповідність складає 0,53 мм і має місце при вмісті вуглецю 0,29-0,31% С.

2. Вперше отримано залежність інтенсивності силової взаємодії кірки заготовки і матеріала кристалізатора в його кутових елементах від невідповідності внутрішнього профілю кристалізатора усадці заготовки, що дозволяє цілеспрямовано коригувати значення параметрів температурно-швидкісного режиму для підвищення стійкості кристалізаторів. З її допомогою надано пояснення експериментальному факту підвищення стійкості кристалізаторів Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм на 40-50% при підвищенні швидкості розливання з 2,8-3,0 м/хв до 3,3-3,5 м/хв.

3. Удосконалено метод для проектування внутрішнього профілю кристалізаторів високошвидкісних сортових МБЛЗ за рахунок визначення профілів кристалізаторів, що повторюють криві усадки заготовок із конкретних груп марок сталі, що дозволяє значно підвищити стійкість їхньої внутрішньої поверхні. Згідно з експериментально отриманими даними при відповідності профіля кристалізатора усадці заготовок після розливання 10 тисяч тонн сталі середнє зношення в його нижній частині складає 0,2 мм, у той же час при високому ступені невідповідності зношення досягає 0,6 мм.

4. Подальший розвиток одержало дослідження впливу параметрів роботи вторинного охолодження на макроструктуру безперервнолитих заготовок за рахунок аналізу локальних характеристик температурного поля в районі фронту затвердівання, отриманих за допомогою математичної моделі, у залежності від параметрів розливання, що дозволило обґрунтувати умови проведення дослідно-промислових випробувань, у результаті яких було встановлено, що для швидкості розливання сортових заготовок більше 3 м/хв зменшення витрати охолоджувача на грань малого радіуса на 20% приводить до збільшення площі вісьової зони ріновісних кристалів на 10-16% за рахунок скорочення довжини стовпчастих кристалів біля грані малого радіуса.

Практичне значення отриманих результатів

Результати даної роботи реалізовані на МБЛЗ ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”:

1. Розроблено пакет прикладних програм для вивчення температурного поля та динаміки затвердівання безперервнолитої заготовки, що формується. Даний пакет прийнято до використання для попереднього визначення оптимальних параметрів температурно-швидкісних режимів розливання високоякісних марок сталі.

2. Розроблено і прийнято до використання спосіб підвищення стійкості кристалізаторів за рахунок коригування діапазону швидкості розливання заготовок при використанні одного внутрішнього профілю для розливання сталей усього марочного сортаменту.

3. Відпрацьовано і прийнято до використання для розширення вісьової зони рівновісних кристалів заготовок із високоякісних марок сталі, що розливаються на високошвидкісних сортових МБЛЗ, режим роботи вторинного охолодження, заснований на зменшенні витрати охолоджувача на грань малого радіуса.

Особистий внесок

Здобувач є автором математичної моделі процесів безперервного розливання сталі, що враховує вплив динамічних потоків рідкого металу і локальну нерівномірність відведення тепла в ЗВО; теоретичного підходу до вивчення усадки сортових заготовок і проектування конусності кристалізаторів. Автором особисто проведені дослідження з експериментального вивчення температурного поля заготовки, що формується. Дослідно-промислові дослідження з вивчення зношення кристалізаторів у залежності від параметрів розливання, вивчення впливу зменшення витрати охолоджувача на розширення вісьової зони рівновісних кристалів, а також вивчення динаміки кристалізації заготовок на підставі обмірювань “чулков” від проривів проведені автором разом із співробітниками технічного відділу ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”.

Апробація результатів дисертації

Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи повідомлені і були обговорені на X-й Ювілейній Міжнародній конференції “Ресурсоенергозбереження в ринкових відносинах”, м. Київ, 2003 р.; 3-й Міжнародній науковій конференції “Проблеми і напрямки розвитку металургії”, м. Дніпропетровськ, 2003 р; “Прогресивні технології в металургії сталі - ХXI століття”, м. Донецьк, 2004 р; Міжнародній конференції “Метал-2005”, м. Острава (Чехія), 2005 р.

Публікації

Основні наукові положення і результати досліджень опубліковані у восьми статтях, сім з яких опубліковані в наукових виданнях, рекомендованих ВАК України, а одна стаття - в збірнику робіт конференції.

Структура дисертації

Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку посилань і додатків. Обсяг дисертації - 196 сторінок комп'ютерного тексту, у тому числі 45 рисунків, 15 таблиць; список використаних джерел складає 113 найменувань; додатки приведені на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ “Шляхи підвищення ефективності високошвидкісного розливання сталі на сортових МБЛЗ ”. Проаналізовано дані літературних джерел, в яких у достатній мері розглянуті підходи до оптимізації процесів безперервного розливання сталі в сортові заготовки для діапазону швидкості розливання 1-2 м/хв. Показано, що для швидкостей більше 3 м/хв на сьогоднішній день потрібно визначити набір оптимальних параметрів розливання і розробити ефективні прийоми роботи МБЛЗ у перехідних процесах. Тому дана робота спрямована на вивчення процесів формування сортових заготовок для умов високошвидкісного розливання з метою підвищення ефективності даної технології.

Обґрунтовано доцільність використання в якості одного з основних інструментів для рішення поставленої задачі методу математичного моделювання.

Проаналізовано різні способи вивчення динамічних процесів, що протікають у кристалізаторі. Зроблено висновок про те, що для проведення кількісних розрахунків доцільно використовувати аналітичну методику, приведену в роботах Сладкоштєєва В.Т., після удосконалення використаної в ній розрахункової схеми.

Аналіз методики для диференційованого завдання граничних умов теплообміну в ЗВО, розробленої в Новолипецькому політехнічному інституті, дозволив прийти до висновку про необхідність удосконалення алгоритму пошуку рішення і завдання характеристик форсунок.

Розглянуто різні способи розширення вісьової зони рівновісних кристалів безперервнолитих заготовок. Обґрунтовано доцільність розробки способів покращення макроструктури заготовок, що розливаються на високошвидкісних радіальних сортових МБЛЗ, за рахунок зменшення витрати охолоджувача на грань малого радіуса.

Розглянуто конструкції сучасних кристалізаторів для високопродуктивних сортових МБЛЗ. Проаналізовано різні види усадки металу. Розглянуто існуючий підхід до визначення газового зазору в звичайному одноконусному кристалізаторі Обґрунтовано необхідність створення методики для розрахунку природної усадки безперервнолитої заготовки і визначення профілю багатоконусних кристалізаторів.

Другий розділ “Розробка математичної моделі безперервного розливання сталі”. На відміну від відомого підходу до математичного моделювання процесів безперервного розливання сталі запропоновано врахувати при рішенні диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності вплив конвективної складової субстанціальної похідної від температури:

, (1)

де u,v,w - компоненти швидкості розплаву в рідкій лунці вздовж осей X, Y, Z відповідно, м/с.

У результаті ряду перетворень вдалося від вихідного математичного формулювання задачі (1) перейти до такої форми запису, при якій у лівій частині рівняння фігурує тільки локальна складова субстанціальної похідної від температури. При цьому отримана нова залежність для визначення коефіцієнта ефективної теплопровідності для рідкого металу, який знаходиться в зоні дії струменя, що падає. Його запропоновано обчислювати як функцію абсолютного значення і напрямку швидкості в кожному конкретному елементарному об'ємі.

, (2)

де tл - температура ліквідус для даної марки сталі, С; Lстр - довжина зони змушеної конвекції, м; u - поздовжня компонента швидкості для будь-якої точки простору, м/с; vвит - швидкість витягування заготовки, м/с; n - коефіцієнт для обліку впливу конвективних явищ у зоні вільної конвекції.

Таким чином, отримана можливість прямо враховувати вплив гідродинамічних процесів на просування фронту затвердівання.

Для визначення поля швидкостей у зоні змушеної конвекції використано спрощений аналітичний підхід, запропонований у роботах Сладкоштєєва В.Т. У даній дисертації, названий підхід був удосконалений за рахунок використання розрахункової схеми, що більш точно відповідає реальним геометричним умовам протікання процесу (для опису форми рідкої лунки в області змушеної конвекції замість кола еквівалентного діаметра використаний квадрат).

У зв'язку з вибором уточненої розрахункової схеми в даній дисертації отримано нове рівняння для визначення коефіцієнта пропорційності m, що описує розподіл швидкостей у висхідних потоках на кожному горизонті досліджуваної області:

, (3)

замість рівняння, використаного в роботі Сладкоштєєва В.Т.:

, (4)

де серх - середня швидкість потоку в низхідному струмені, м/с; Rстрх - радіус низхідного струменя, м; Dг - гідравлічний діаметр рідкої лунки, м; Yr, YR - відстань від контуру низхідного струменя до фронту кристалізації біля граней малого і великого радіуса відповідно, м.

Використання запропонованої залежності дозволяє уточнити поле швидкостей у висхідному потоці на величину до 20%.

Дана дисертація характеризується наступними особливостями в заданні умов однозначності: розрахунки проводяться для повного поперечного перерізу заготовки, а не його чверті; граничні умови третього роду задаються окремо для кожної грані. Для цього злиток уздовж технологічної осі МБЛЗ розбивається на три зони з якісно різними закономірностями теплообміну: кристалізатор; зона вторинного форсункового охолодження; охолодження на повітрі.

Теплообмін у кристалізаторі. Для найбільш загального випадку прийнято, що в кожному поперечному перерізі частина поверхні заготовки знаходиться в умовах контактного теплообміну, а інша віддає тепло через газовий зазор. При використанні багатоконусних кристалізаторів для всієї поверхні заготовки частка контактного теплообміну наближається до одиниці.

Теплообмін у ЗВО. Для завдання граничних умов використано підхід, запропонований Урбановичем В.Л. і удосконалений у даній роботі. У результаті використання залежності, що зв'язує між собою середнєінтегральний коефіцієнт тепловіддачі усередині факела форсунки з локальними значеннями тепловіддачі усередині факела і на його периферії відоме формулювання задачі:

, (5)

зведена до наступної форми, що дозволяє прямо визначати шуканий розподіл коефіцієнтів тепловіддачі з урахуванням нерівномірності відведення тепла в межах факела:

, (6)

де Fзаг, Fф, Fст, Fвк, Fрол - площі досліджуваної ділянки ЗВО, факелів форсунок, ділянки стікання охолоджуючої води, ділянки охолодження за рахунок випромінювання і конвекції, контактного теплообміну з роликами відповідно, м2; бф, бст, бвк, брол - середні коефіцієнти тепловіддачі, що відносяться до однойменних зон, Вт/(м2•К); 0 - інтенсивність тепловіддачі в середині факела форсунки, Вт/(м2•К); R - радіус факела форсунки, м; Кн - коефіцієнт нерівномірності тепловіддачі, характерний для досліджуваної форсунки.

Крім того, замість експоненціальної залежності, використаної в існуючій методиці для опису розподілу коефіцієнтів тепловіддачі усередині факела форсунки, автором запропонована параболічна залежність, що припускає більш рівномірний розподіл тепловіддачі усередині факела. Це удосконалення добре погоджується з технічними характеристиками сучасних повноконусних форсунок.

Для опису закономірностей теплообміну в зоні вільного охолодження використано стандартний підхід, що припускає наявність теплообміну заготовки з навколишнім середовищем за рахунок випромінювання і вільної конвекції.

Теплофізичні властивості рідкої і твердої сталі задані в залежності від температури на підставі відомих довідкових даних.

Для апроксимації диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності використано метод скінченних різниць. А для рішення отриманої таким чином скінченно різницевої задачі застосовано метод перемінних напрямків.

Третій розділ “Використання розробленої математичної моделі для дослідження процесів безперервного розливання сталі”. Для оцінки впливу погрішності завдання вихідних даних на результати розрахунку повного часу затвердівання проведено ряд відповідних чисельних експериментів за допомогою розробленої математичної моделі. На підставі аналізу отриманих результатів установлено, що погрішність при заданні теплоємності твердого металу на ±1,00 % приводить до зміни загального розрахункового часу затвердівання на ±1,95 %, для теплоти кристалізації погрішність ±1,00 % приводить до зміни загального розрахункового часу затвердівання на ±0,66 %. У той же час, установлено, що погрішність при заданні щільності рідкого металу, а також різні способи обліку динамічних явищ у рідкій лунці практично не впливають на загальну розрахункову тривалість затвердівання.

Проведення чисельних експериментів по вивченню впливу точності завдання коефіцієнтів тепловіддачі в різних секторах ЗВО на температуру точок, що лежать у зоні вільного охолодження дозволило встановити, що найбільший вплив робить точність завдання коефіцієнтів тепловіддачі в найближчому до зони вільного охолодження третьому секторі (помилка при заданні середнього для факела коефіцієнта тепловіддачі в цьому секторі на 5 % приведе до зміни температури точок, що лежать в області вільного охолодження на величину приблизно 4,5° (0,39 %). Ці дані дозволили зробити висновок про те, що точність розрахунків за допомогою розробленої математичної моделі відповідає точності використаного для виміру температур приладу з класом точності 0,5.

Адекватність розробленої математичної моделі досліджуваним процесам була підтверджена в результаті її тестування за спеціально розробленою схемою. До неї ввійшло зіставлення розрахункових даних про динаміку затвердівання заготовки та її температурне поле з відповідним експериментальним матеріалом. Так, результати розрахунків динаміки затвердівання порівнювалися з експериментальними даними: у межах кристалізатора з обмірюваною товщиною “чулков” від проривів, отриманих на МБЛЗ ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”; у діапазоні повного часу затвердівання розрахункова крива динаміки кристалізації зіставлялася з кривою, отриманою за допомогою закону квадратного кореня з експериментально визначеним фірмою Danieli коефіцієнтом затвердівання. В обох випадках установлено достатній ступінь відповідності розрахункових і експериментальних даних. Для перевірки вірогідності розрахунків температурного поля заготовки проведені дослідно-промислові експерименти з виміру температури ряду точок, що лежать на поверхні заготовки під кристалізатором (при цьому для виключення впливу водяної завіси була тимчасово змінена конструкція першого сектора ЗВО - у кожному ряді напроти всіх граней установлювалося по одній форсунці замість двох) і в зоні вільного охолодження, за допомогою портативного інфрачервоного пірометра Cyclops 152. Порівняння результатів вимірів із розрахунковими даними показало, що розбіжність між ними не перевищує 20С, враховуючи погрішність приладу.

Четвертий розділ “Розробка технологічних і конструктивних параметрів для підвищення ефективності високошвидкісного розливання сталі на сортових МБЛЗ ”. Запропоновано теоретичний підхід для вивчення усадки сортових заготовок у кристалізаторі. Його сутність полягає в розгляді руху довільно обраного поперечного розрахункового перерізу заготовки уздовж кристалізатора. При цьому за допомогою математичної моделі безперервного розливання розраховується його температурне поле і розмір з урахуванням лінійної усадки.

За допомогою розробленого підходу в даній дисертації розраховані криві природної усадки заготовок із вмістом вуглецю (0,06, 0,09, 0,17, 0,20, 0,38, 0,45 %) для швидкостей розливання 3,2 (рис. 1) і 5 м/хв та зміна середньої температури кірки заготовки, що формується, для кількох швидкостей розливання (3,2; 3,8; 4,4; 5,0; 5,6 м/хв).

Установлено, що в діапазоні швидкостей 3,2 -5,6 м/хв зростання швидкості розливання на кожні 0,6 м/хв приводить до збільшення середньої температури кірки заготовки на величину порядку чотирьох градусів, що за інших рівних умов відповідає зміні усадки в 1,013 рази. Звідси, зроблено висновок про те, що усадка заготовки найбільшою мірою визначається значенням коефіцієнта лінійної усадки, що у свою чергу залежить від хімічного складу марки сталі (вмісту вуглецю й інших компонентів). Так, за інших рівних умов усадка сталей із вмістом вуглецю 0,17% і 0,38% відрізняється в 2,33 рази.

Справедливість отриманих розрахункових даних перевірялася експериментально шляхом контролю зношення кристалізаторів після розливання різних марок сталі. Так, експериментально встановлено, що за інших рівних умов після розливання 10 тисяч тонн сталі середнє зношення у нижній частині кристалізатора, який згідно розрахункам відповідав усадці заготовок, що розливаються, склав 0,2 мм, а у випадку розливання заготовок з розрахунковим ступенем невідповідності 0,53 мм середнє зношення склало 0,6 мм.

Розроблено теоретичну залежність для розрахунку інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора, яка заснована на розгляді на кожному горизонті кристалізатора силової взаємодії кірки заготовки і матеріалу гільзи, викликаного невідповідністю внутрішнього профілю кристалізатора усадці заготовки:

, (7)

де ?l - різниця між розміром заготовки і кристалізатора, м; l - розмір кристалізатора, м; Е - модуль пружності кірки, Па; Рф - тиск стовпа рідкого металу, Па; д - середня товщина кірки, м.

Результати розрахунків інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора з використанням залежності (7) і відповідних результатів чисельних експериментів приведені на рис. 2.

Спільний аналіз факторів, що визначають значення потужності тертя в кутових елементах кристалізатора, дозволив теоретично обґрунтувати факт підвищення стійкості внутрішньої поверхні кристалізаторів при роботі в оптимальному діапазоні швидкості розливання, положення якого визначається залежністю інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора від швидкості розливання. Експериментально доведено підвищення стійкості внутрішньої поверхні гільз кристалізаторів виробництва фірми Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм на 40-50 % при зміні робочого діапазону швидкості розливання заготовок із усього марочного сортаменту сталей з 2,8-3 м/хв на 3,3-3,5 м/хв.

Обґрунтовано доцільність використання керування рівнем металу в кристалізаторі в припустимих межах як інструмента для підвищення ступеня відповідності кривих усадки заготовок з різних марок сталі і внутрішнього профілю гільзи кристалізатора. Так, для кристалізатора виробництва фірми Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм зниження рівня металу з 100 мм до 150 мм дозволяє зменшити активну конусність кристалізатора на 0,15 мм, що для ряду марок сталі дозволить цілком усунути названу невідповідність, а для інших істотно зменшити її. Доведено, що при змушеному зниженні швидкості розливання (заростання стаканів-дозаторів, не відкривання засипки сталерозливного ковша) зниження рівня металу в кристалізаторі в припустимих межах дозволяє значно (на величину до 30%) зменшити рівень інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора.

Оскільки різним маркам сталі властиві різні значення коефіцієнтів лінійної усадки, запропоноване поняття внутрішнього профілю кристалізатора, що повторює криву термічної усадки заготовки з даної марки сталі для застосовуваних температурно-швидкісних режимів лиття. У даній дисертації спроектовані такі профілі кристалізаторів для розливання марок сталі із вмістом вуглецю 0,06, 0,09, 0,17, 0,2, 0,38, 0,45 % С (Таблиця 1).

Таблиця 1.

Характеристики спроектованих кристалізаторів

Середній вміст вуглецю С, %	Конусність ділянок гільзи, %
	1-а ділянка 300 мм	2-а ділянка 280 мм	3-я ділянка 210 мм	4-а ділянка 210 мм
0,06 0,09 0,17 0,2 0,38 0,45	1,130 0,840 1,150 0,720 0,483 0,740	0,982 0,720 0,985 0,618 0,414 0,635	0,650 0,476 0,657 0,409 0,276 0,424	0,285 0,228 0,314 0,195 0,133 0,152

Спроектовані внутрішні профілі зіставлені з відповідним профілем кристалізатора виробництва фірми Europe Metalli (Рис. 3). Зроблено висновок про те, що за допомогою одного внутрішнього профілю кристалізатора не можна забезпечити оптимальні умови формування заготовок із усіх марок сталі, а тому на практиці всі марки сталі, що розливаються, необхідно розбити на кілька груп за критерієм схожості спроектованих профілів, що повторюють їхні криві усадки, і для кожної групи шляхом усереднення одержати кристалізатор із оптимальним внутрішнім профілем.

За допомогою створеної в даній роботі математичної моделі, що враховує вплив динамічних потоків рідкого металу в зоні змушеної конвекції на просування фронту кристалізації, проведено ряд чисельних експериментів по установленню впливу висоти падіння струменя металу на нерівномірність швидкості затвердівання біля радіальних граней. Для двох рівнів швидкості розливання 3,2 і 5 м/хв досліджувалися випадки розливання металу відкритим струменем із висоти 200, 400 і 600 мм, а також розливання закритим струменем із висоти 600 мм.

При узагальненні отриманих результатів зроблено висновок про те, що висота падіння відкритого струменя металу 400 мм є оптимальною для досліджених швидкостей розливання (3,2 і 5 м/хв) з погляду рівномірності просування фронтів кристалізації. На практиці висота падіння струменя може бути знижена до величини 550-600 мм при звичайному значенні цього параметра 650-700 мм.

Розглянуто рішення задачі про оптимізацію роботи вторинного охолодження за критерієм рівномірності розподілу температури (мінімізації нерівномірності тепловідведення) по поверхні заготовки. Основою рішення задачі є розрахунок температурного поля заготовки, що формується, за допомогою відповідної математичної моделі, що враховує локальну нерівномірність відведення тепла, обумовлену параметрами роботи ЗВО, і аналіз співвідношення температур характерних точок на поверхні заготовки.

Установлено, що для випадку розливання сортової заготовки перерізом 130х130 мм зі швидкістю 3,2 м/хв для перших двох метрів ЗВО з погляду мінімізації нерівномірності тепловідведення доцільно використовувати форсунки з 60°-ним кутом розкриття (радіус факела-5 см), для іншої ділянки ЗВО більш рівномірний розподіл температури по поверхні заготовки досягається за допомогою 45°-них форсунок (радіус факела - 3,5 см). Для швидкості розливання 4 м/хв доцільно використовувати 60°-ні форсунки по всій довжині ЗВО.

У результаті проведення чисельних експериментів установлено кількісний вплив ряду можливих на практиці комбінацій елементарних відхилень роботи ЗВО на температурне поле заготовки, що формується, (розглянуто вплив ряду комбінацій форсунок, що забилися, і зсуву охолоджувальних колекторів відносно центра граней). Доведено можливість використання запропонованого підходу для встановлення того, чи є конкретне відхилення роботи ЗВО критичним.

На підставі проведення чисельних експериментів установлено, що зниження витрати охолоджувача в ЗВО для умов високошвидкісного розливання сортових заготовок приводить до зниження температурного перепаду на фронті затвердівання. Так, для різних швидкостей розливання зниження витрати охолоджувача на 20 % приводить до зниження температурного перепаду між точками, що лежать по різні сторони від фронту затвердівання на відстані 3,7 мм на величину 4-6 С, що відповідає зменшенню величини теплового потоку, що відводиться від фронту затвердівання на 6-8%.

У результаті проведення двох дослідно-промислових серій розливання (для швидкостей розливання 3,2 і 4 м/хв), відбору поперечних зразків (по два зразка від кожної серії), їхнього шліфування, травлення 50 %-ним водяним розчином соляної кислоти (ГСТ 14-1-235-91) і наступного вивчення довжини структурних зон (інструментальна точність виміру ± 0,5 мм) були отримані дані про вплив зменшення витрат води на скорочення довжини зони стовпчастих кристалів, зростаючих від грані малого радіуса. Перерозподіл охолоджувача на 20 % між гранями заготовки було досягнуто за рахунок використання для їхнього охолодження форсунок різних типорозмірів. При цьому відносна різниця довжин зон стовпчастих кристалів між радіальними сторонами склала 3 -4 %, у той час як при симетричному охолодженні граней заготовки ця різниця складає величину порядку 12 % (тобто, досягнуте розширення вісьової зони рівновісних кристалів на величину порядку 11 мм або 16 %).

П'ятий розділ “Використання результатів дисертаційного дослідження”. Використання кристалізаторів із конусністю, що відповідає природній усадці заготовок із визначених груп марок сталі, дозволяє знизити зношення кристалізаторів і значно підвищити їхню стійкість. Відповідно до приведеної оцінки економічного ефекту від використання кристалізаторів із оптимальною конусністю, річний прибуток від проведення цього заходу складає 381000 грн/рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Отримано наукові і технічні рішення в області покращення якості заготовок, що розливаються на високошвидкісних сортових МБЛЗ, і підвищення стійкості внутрішньої поверхні кристалізаторів. Покращення якості заготовок досягається за рахунок зменшення нерівномірності затвердівання біля радіальних граней заготовки, зниження термічних напруг у кірці заготовки, що формується, і розширення вісьової зони рівновісних кристалів. Підвищення стійкості кристалізаторів високошвидкісних МБЛЗ досягається за рахунок коригування робочого діапазону швидкості розливання і керування рівнем металу в кристалізаторі при використанні одного внутрішнього профілю для розливання сталей усього марочного сортаменту й у результаті використання кристалізаторів із внутрішнім профілем, що відповідає усадці заготовок із конкретних груп марок сталі.

2. Розроблено підходи в області математичного моделювання процесів безперервного розливання сталі, що дозволяють уточнити розрахункову інформацію про динаміку формування заготовки та її температурне поле. Отримано залежність для визначення значення коефіцієнта ефективної теплопровідності для кожного елементарного об'єму рідкої лунки як функції абсолютного значення і напрямку швидкості рідкого металу, що дозволяє одержати інформацію про вплив на процес затвердівання безперервнолитої заготовки динамічних явищ у рідкій лунці. Розроблено аналітичну залежність, що визначає зв'язок між середнім для факела форсунки ЗВО коефіцієнтом тепловіддачі і коефіцієнтами тепловіддачі, що відповідають центру факела і його периферії. Використання цієї залежності необхідно для диференційованого завдання граничних умов на поверхні заготовки, що формується в зоні вторинного охолодження.

3. Запропоновано теоретичний підхід для вивчення усадки сортових заготовок у кристалізаторі, заснований на визначенні температурного поля розрахункового перерізу, що рухається, за допомогою математичної моделі і його розміру з урахуванням лінійної усадки. За допомогою даного підходу встановлено, що профіль кристалізатора виробництва фірми Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм у достатній мірі відповідає усадці заготовок із марок сталі із вмістом вуглецю 0,05-0,07% С та 0,16-0,18% С; у той же час для деяких марок сталі названа невідповідність досягає значної величини, його максимальне значення складає 0,53 мм для сталей із вмістом вуглецю 0,29-0,31% С.

4. Доведено доцільність використання керування рівнем металу в кристалізаторі як інструмента підвищення ступеня відповідності кривої усадки заготовок із різних марок сталі і внутрішнього профілю гільзи кристалізатора. Так, для кристалізатора виробництва фірми Europe Metalli для розливання заготовок перерізом 125х125 мм зниження рівня металу з 100 мм до 150 мм дозволяє зменшити активну конусність кристалізатора на 0,15 мм, що для ряду марок сталі дозволить цілком усунути названу невідповідність, а для інших істотно зменшити її. Особливо перспективним є використання цього способу керування при змушеному значному зниженні швидкості розливання.

5. Запропоновано залежність для визначення інтенсивності силової взаємодії між кіркою заготовки, що формується, і матеріалом гільзи кристалізатора в його кутових елементах, викликаного невідповідністю внутрішнього профілю кристалізатора усадці заготовки. Установлено, що найбільші значення інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора характерні для випадку розливання марок сталі з високим ступенем невідповідності усадки заготовок внутрішньому профілю кристалізатора, що і є причиною зношення їхньої внутрішньої поверхні.

6. Експериментально і теоретично встановлено факт існування оптимального діапазону швидкості розливання для кожного конкретного внутрішнього профілю кристалізатора, значення якого визначається залежністю інтенсивності силової взаємодії в кутових елементах від швидкості розливання, у якому підвищується стійкість кристалізаторів за рахунок зниження потужності тертя в кутах кристалізатора. Так, для МБЛЗ ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)” зміна діапазону швидкостей розливання заготовок із сталей усього марочного сортаменту перерізом 125х125 мм із 2,8-3,0 м/хв на 3,3-3,5 м/хв дозволило на 40-50 % підвищити стійкість внутрішнього профілю кристалізатора, що особливо важливо для випадку розливання всього марочного сортаменту сталей через багатоконусні (параболічні) кристалізатори одного внутрішнього профілю.

7. Запропоновано концепцію кристалізатора з внутрішнім профілем, що повторює криву термічної усадки заготовок, із кожної конкретної марки сталі для застосовуваних параметрів температурно-швидкісного режиму. У даній роботі спроектовані кристалізатори для розливання марок сталі із вмістом вуглецю 0,06, 0,09, 0,17, 0,20, 0,38, 0,45 % С. На практиці всі марки сталі, що розливаються, необхідно розбити на кілька груп за критерієм схожості профілів кристалізаторів, що повторюють їхню усадку, і для кожної групи шляхом усереднення одержати кристалізатор із оптимальним внутрішнім профілем. Використання таких кристалізаторів сприяє значному підвищенню стійкості їхньої внутрішньої поверхні.

8. У результаті проведення чисельних експериментів установлено характер впливу висоти падіння струменя металу на нерівномірність кристалізації біля радіальних граней сортових заготовок для високих швидкостей розливання 3-5 м/хв. При розливанні металу відкритим струменем із висоти 600 мм спостерігається відставання в просуванні фронту кристалізації біля грані малого радіуса. При зменшенні висоти падіння струменя металу до 400 мм спостерігається вирівнювання швидкості кристалізації для всіх граней заготовки.

9. Запропоновано спосіб оптимізації роботи ЗВО за критерієм мінімізації локальної нерівномірності тепловідведення, заснований на проведенні чисельних експериментів за допомогою розробленої математичної моделі з диференційованим підходом до завдання граничних умов і наступним аналізом нерівномірності визначеного температурного поля заготовки. Обґрунтовано можливість використання даного способу для вивчення умов формування заготовки при відхиленнях роботи ЗВО, визначення того, чи є відхилення критичним чи можливе продовження роботи з одержанням кондиційних заготовок. Установлено кількісний вплив ряду можливих на практиці комбінацій елементарних відхилень роботи ЗВО на температурне поле заготовки, що формується.

10. Теоретично й експериментально перевірено вплив зменшення витрати охолоджувача на грань малого радіуса на скорочення зони стовпчастих кристалів, що ростуть від цієї грані для високих швидкостей розливання (більш 3 м/хв). Установлено, що 20 %-не зменшення витрати охолоджувача приводить до зниження величини теплового потоку, що відводиться від фронту затвердівання на 6-8%, і до розширення площі вісьової зони рівновісних кристалів на 10-16%. Особливо перспективним є використання даного підходу при розливанні високоякісних марок сталі, схильних до транскристалізації,.

11. Коригування швидкості розливання заготовок із сталей усього марочного сортаменту через кристалізатори одного внутрішнього профілю або використання кристалізаторів із конусністю, що відповідає температурній усадці заготовок із визначених груп марок сталі, дозволяє знизити зношення кристалізаторів і значно підвищити їхню стійкість. Відповідно до приведеної оцінки економічного ефекту від використання кристалізаторів із оптимальною конусністю, річний прибуток від проведення цього заходу складає 381000 грн/рік.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ

Кравцов В.В., Шелудченко В.И., Бирюков А.Б. Особенности задания граничных условий на поверхности слитка, находящегося в кристаллизаторе // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2003. - №4. - С. 109-111.

Бирюков А. Б. Методика задания граничных условий на поверхности формирующегося непрерывнолитого слитка в зоне вторичного охлаждения МБЛЗ // Металл и литье Украины. - 2003. - №11-12. - С. 12 - 14.

Анализ термических напряжений, возникающих в корочке формирующегося непрерывного слитка / В.В. Кравцов, В.И. Шелудченко, А.Б. Бирюков, А.В. Митин // Сб. научн. трудов ДонНТУ. - 2004. - Вып. 70. - С. 46-49.

Кравцов В.В., Бирюков А.Б, Масс Н.С. Использование математического моделирования для оптимизации процесса непрерывной разливки // Металл и литье Украины. - 2004. - №6. - С. 12 - 14.

Амитан В.Н., Кравцов В.В., Бирюков А.Б. Изучение усадки непрерывнолитой сортовой заготовки с целью повышения стойкости кристаллизаторов //Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004. - № 1. - С 188-191.

Кравцов В.В., Бирюков А.Б, Масс Н.С. Анализ причин неравномерного продвижения фронтов кристаллизации от радиальных граней непрерывнолитых заготовок // Металл и литье Украины. - 2005. - № 1-2. - С. 15 - 17.

Кравцов В.В., Бирюков А.Б, Масс Н.С. Улучшение макроструктуры непрерывнолитых заготовок за счет скорректированных режимов охлаждения // Металл и литье Украины. - 2004. - №12. - С. 16 - 17.

Шелудченко В.И., Кравцов В.В., Бирюков А.Б. Разработка оптимальных режимов вторичного охлаждения МБЛЗ // Труды Х-ой Юбилейной Международной конференции “Ресурсоэнергосбережение в условиях рыночной экономики”. - К.: НДЦ “Навтохім”, 2003. - С. 50 - 51.

Особистий внесок у спільних публікаціях:

[1] - розроблено методику завдання граничних умов; [3, 8] -дане відповідне теоретичне обґрунтування і розроблене програмне забезпечення; [4] -відпрацьований алгоритм для оптимізації роботи вторинного охолодження; [5] - розроблено теоретичний підхід для вивчення усадки безперервнолитих заготовок, силової взаємодії в кутових елементах кристалізатора, проектування конусності кристалізаторів; [6] - розроблена теоретична модель, що дозволяє врахувати вплив потоків рідкого металу на просування фронту кристалізації; [7] - теоретично й експериментально обґрунтовано вплив зменшення витрати охолоджувача в ЗВО на розширення вісьової зони рівновісних кристалів для швидкостей розливання вище 3 м/хв.

АНОТАЦІЇ

Бірюков О.Б. Удосконалення технологічних і конструктивних параметрів високошвидкісної розливки сталі на сортових МБЛЗ- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02- Металургія чорних металів. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена оптимізації процесів безперервної розливки сталі на високошвидкісних сортових МБЛЗ.

Розроблено математичну модель процесів безперервної розливки в сортові заготовки на радіальних машинах, що характеризується урахуванням впливу конвективних процесів у рідкій лунці на динаміку кристалізації та дозволяє задавати граничні умови теплообміну в ЗВО, зважаючи на локальну нерівномірність відведення тепла.

Розроблено теоретичні основи для розрахунку природньої усадки заготовки, інтенсивності силової взаємодії, що має місце в кутових елементах кристалізатора. Запропоновано ряд способів підвищення стійкості внутрішньої поверхні гільз кристалізаторів при застосуванні гільзи одного профілю для розливки всього сортаменту марок сталі. Розроблено профілі кристалізаторів, що відповідають усадці заготовок з деяких марок сталі. Обгрунтовано необхідність розподілу всіх марок сталі на декілька груп і розробки для кожної групи індивідуального профіля кристалізатора. Досліджено вплив висоти падіння відкритого струменя на нерівномірність кристалізації у різних граней радіальної заготовки. Відпрацьовано використання математичної моделі для оптимізації роботи вторинного охолодження за критерієм рівномірного розподілу температур по поверхні заготовки. Теоретично обгрунтовано й практично перевірено режим ЗВО, що дозволяє розширити осьову зону рівновісних кристалів заготовок, розлитих на високошвидкісних радіальних МБЛЗ. Результати роботи знайшли реалізацію на МБЛЗ ЗАТ “ММЗ “ІСТІЛ (Україна)”

Ключові слова: кристалізатор, гільза, вторинне охолодження, форсунка, макроструктура, стовпчасті кристали, проміжний ківш.

Бирюков А.Б. Совершенствование технологических и конструктивных параметров высокоскоростной разливки стали на сортовых МНЛЗ. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02- Металлургия черных металлов. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена оптимизации процессов непрерывной разливки стали на высокоскоростных сортовых МНЛЗ.

Разработана математическая модель процессов непрерывной разливки стали в сортовые заготовки на радиальных машинах, характеризующаяся учетом влияния конвективного движения жидкого металла в зоне действия падающей струи на неравномерность кристаллизации у разных граней заготовки; использованием в качестве значений скоростей металла в жидкой лунке результатов, полученных при помощи усовершенствованной в данной работе аналитической методики; заданием граничных условий на поверхности заготовки, формирующейся в зоне вторичного охлаждения, с учетом локальной неравномерности теплоотвода.

Адекватность разработанной модели описываемым процессам проверена на радиальной сортовой МНЛЗ ЗАО “ММЗ “ИСТИЛ (Украина)”. Рассмотрено решение ряда важных практических задач.

Разработаны теоретические основы для расчета естественной усадки сортовых заготовок в кристаллизаторе, позволяющие учесть содержание углерода в стали и особенности температурно-скоростного режима. Результаты соответствующих расчетов нашли экспериментальное подтверждение при контроле износа кристаллизаторов в процессе разливки различных марок стали. Предложено решение задачи о расчете интенсивности силового взаимодействия в угловых элементах кристаллизатора. Обоснован теоретически и проверен на практике факт повышения стойкости многоконусных кристаллизаторов при работе в оптимальном диапазоне скорости разливки. Предложено использование управления уровнем металла в кристаллизаторе как инструмента повышения степени соответствия кривых усадки заготовок и внутреннего профиля гильзы кристаллизатора.

Спроектированы профили кристаллизаторов, повторяющие кривые усадки заготовок из ряда марок стали. Сделан вывод о необходимости разделения всех разливаемых марок стали на несколько групп по критерию схожести кривых усадки и проектирования индивидуального профиля для каждой из них.

При помощи проведения численных экспериментов установлено влияние высоты падения струи на неравномерность кристаллизации у различных граней заготовки. Установлено, что при высоте падения открытой струи 600 мм для всего исследуемого диапазона скоростей разливки (3 -5 м/мин) преобладает скорость кристаллизации у грани большого радиуса, при высоте 400 мм - скорость кристаллизации у радиальных граней практически одинакова. Этим обоснована необходимость уменьшения высоты падения открытой струи на практике.

Отработано использование математической модели для оптимизации работы вторичного охлаждения по критерию равномерного распределения температур по поверхности заготовки, что позволяет анализировать и сравнивать между собой различные варианты вторичного охлаждения без проведения опытно-промышленных экспериментов.

Теоретически обоснован и практически проверен режим ЗВО, позволяющий получать на радиальных высокопроизводительных сортовых МНЛЗ заготовки с расширенной на 10-16 % площадью зоны осевых равноосных кристаллов. Его сущность заключается в уменьшении расхода охладителя на грань малого радиуса на 20 %, что приводит к значительному выравниванию длин зон столбчатых кристаллов, растущих от радиальных граней. Эффект перераспределения охладителя достигается за счет использования форсунок различных типоразмеров для охлаждения разных граней.

Результаты работы нашли использование на МНЛЗ ЗАО “ММЗ “ИСТИЛ (Украина)”.

Ключевые слова: кристаллизатор, гильза, вторичное охлаждение, форсунка, макроструктура, столбчатые кристаллы, промежуточный ковш.

Birukov A.B. Improvement of high-speed steel casting on billet CC technological and constructive parameters. - Manuscript.

The dissertation is presented for awarding the scientific degree in engineering science on specialty 05.16.02 - metallurgy of ferrous metals, Donetsk, 2005.

The dissertation is devoted to optimization of steel continuous casting processes on high-capacity billet CC. The mathematical model of continuous casting on radial machines into billets that takes into account the influence of convective processes in liquid metal onto the dynamics of crystallization and considers local non-uniformity of heat removal from the surface of the billet in the secondary cooling zone is worked up. The theoretical basis for calculation of billet natural shrinking and force interaction intensity in the corners of the mould is worked up. Some methods of mould inner surface durability increase when using one shape for all the steel grades is proposed. The optimal taper of the mould for casting of some steel grades is projected. The influence of open casting height onto the non-uniformity of crystallization near different sides of the billet is studied. The use of mathematical model for optimization of secondary cooling with criterion of smooth temperature distribution on the surface of the bar is developed. The regime of secondary cooling that allows to increase area of central exiaxed crystal zone for billets cast on high-capacity CC is theoretically grounded and experimentally checked. розливка сталь кристалізатор

Some of the results are used at CJSC “MMP “ISTIL (Ukraine)”.

Key words: mould, sleeve, secondary cooling, nozzle, macrostructure, columnar crystal, tundish. Размещено на Allbest.ru

...