Підвищення якості поверхні слябів із тріщиночутливих марок сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.746.047:669.189(043.3)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНІ СЛЯБІВ З ТРІЩИНОЧУТЛИВИХ МАРОК СТАЛЕЙ, ЯКІ ВІДЛИВАЮТЬСЯ НА КРИВОЛІНІЙНИХ МБЛЗ

Спеціальність 05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

ФЕДОСОВ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Маріуполь 2009

Дисертацією є рукопис.

Дисертація виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ, м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Казачков Євгеній Олександрович

Приазовський державний технічний університет, професор кафедри «Теорія металургійних процесів»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Скребцов Олександр Михайлович

Приазовський державний технічний університет, професор кафедри «Технології і комп'ютеризації ливарного виробництва»

кандидат технічних наук

Штепан Євгеній Вікторович

Донецький національний технічний університет, доцент кафедри «Металургія стали»

Захист відбудеться « 18 » грудня 2009 р. в 12⁰⁰ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) за адресою:

87500, м. Маріуполь Донецької області, вул. Університетська, 7.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою:

87500, м. Маріуполь Донецької області, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий « 12 » листопада 2009 р..

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д12.052.01

доктор технічних наук, професор Маслов В.О.

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНОТАЦІЯ

сляб сталь тріщина

Федосов А.В. - Підвищення якості поверхні слябів із тріщиночутливих марок сталей, що відливаються на криволінійних МБЛЗ. - Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом - 05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів і спеціальних сплавів. - Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Маріуполь, 2009 р.

Дисертація присвячена дослідженню проблеми утворення тріщин на поверхні слябів в процесі їх відливання на криволінійних МБЛЗ, а також розробці технологічних рекомендацій, які дозволять підвищити якість поверхні слябів відливаних з тріщиночутливих марок сталей із вмістом вуглецю 0,1 - 0,17 %.

Для підвищення точності досліджень умов охолоджування безперервно-литих заготовок, що проводяться в ЗВО, розроблений метод безконтактного визначення теплового стану поверхні безперервно-литої заготовки за допомогою цифрової фотокамери. На підставі статистичної обробки виробничих даних і математичного моделювання визначені оптимальні значення конусності криста-лізаторів слябових МБЛЗ для розливання перитектичних марок сталей. Так само вдосконалена математична модель визначення локальних коефіцієнтів тепловіддачі від поверхні сляба в ЗВО криволінійної МБЛЗ. На її основі запропоновано нове технологічне рішення по зміні орієнтації форсунок ЗВО, що дозволяє підвищити якість поверхні слябів. Очікуваний єкономічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи на ВАТ «МК «Азовсталь» склав 85 тис.грн/рік.

Ключові слова: безперервно-литий злиток, зона вторинного охолодження, форсунка, кристалізатор, конусність, сляб, поверхневі тріщини, кірка зливка, ПЗЗ матриця, оптичний пірометр.

АННОТАЦИЯ

Федосов А.В. - Повышение качества поверхности слябов из трещиночув-ствительных марок сталей, отливаемых на криволинейных МНЛЗ. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности - 05.16.02 - Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов. - Приазовский государственный технический университет Министерства образования и науки Украины, Мариуполь, 2009 г.

Диссертация посвящена исследованию проблемы образования трещин на поверхности слябов в процессе их отливки на криволинейных МНЛЗ, а также разработке технологических рекомендаций, которые позволят повысить качество поверхности слябов отливаемых из трещиночувствительных марок сталей с содержанием углерода 0,1 - 0,17 %.

Для повышения точности проводимых исследований и установления условий охлаждения непрерывно-литых заготовок в ЗВО, разработан метод бесконтактного определения теплового состояния поверхности непрерывно-литой заготовки с помощью цифровой фотокамеры. Предложенная методика основывается на определенной зависимости величины отклика матрицы цифрового фотоаппарата от температуры светящегося объекта. Для оценки точности предложенной методики в условиях ОАО «МК «Азовсталь» проведена серия фотоснимков и контрольных измерений оптическим пирометром поверхности непрерывно-литой заготовки. Погрешность разработанной методики составила 2% от измеряемой температуры. На основании статистической обработки производственных данных и математического моделирования определены оптимальные значения конусности кристаллизаторов слябовых МНЛЗ для разливки перитектических марок сталей. Также усовершенствована математическая модель определения локальных коэффициентов теплоотдачи от поверхности сляба в ЗВО криволинейной МНЛЗ. На ее основе предложено новое технологическое решение по изменению ориентации форсунок ЗВО, позволяющее повысить качество поверхности слябов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на ОАО «МК «Азовсталь» составил 85 тыс.грн/год.

Ключевые слова: непрерывно-литая заготовка, зона вторичного охлаждения, форсунка, кристаллизатор, конусность, сляб, поверхностные трещины, корка слитка, ПЗС матрица, оптический пирометр.

THE SUMMARY

Fedosov A.V. Improvement surface quality of slabs made of steel grades, dis-posed to cracking, and casting in curved CCM . - Manuscript.

Dissertation for getting an academic degree for a candidate of technical sciences on speciality 05.16.02 - Metallurgy of ferrous and non-ferrous metals and special alloys. - Priazovskiy state technical university of Department of education and science of Ukraine, Mariupol, 2009.

Dissertation is devoted to research of problem of cracks formation on the slabs surface in the process of their casting in curved CCM, and also to development of technological recommendations which will allow to improve the surface quality of slabs made of steel grades, disposed to cracking, with the carbon content of 0,1 - 0,17 %.

To increase the accuracy of conducted researches slabs and cooling terms in secondary cooling zone, the method of surface strand thermal state contactless determination with the use of digital camera is developed. The offered method is based on certain dependence of digital camera matrix response rate on the temperature of luminous object. For the estimation of the offered method accuracy in conditions of «Azovstal» Iron and Steel Works a range of photos and check measurements of surface slab by the pyrometer is conducted. The temperature measurements error of the developed method is 2%. On the basis of the statistical production data manipulation and mathematical modeling the optimum values of mold taper for peritectic steel casting are defined. The mathematical model of local heat transfer coefficients from surface slab in secondary cooling zone of curved CCM is developed. On its basis a new technological solution towards the change of the orientation of nozzles of secondary cooling zone is offered; this solution allows to improve the quality of slab surface. Expected economic effect from dissertation results using in «Azovstal» Iron and Steel Works is 85 thousand hryvnas per year.

Key words: the section, secondary cooling zone, a nozzle, mold, taper, slab, surface crack, shell, CCD matrices, pyrometer.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Формування безперервно-литих злитків є складним і багатофакторним процесом, тому при розливанні тріщиночутливих марок сталей проблема усунення поверхневих тріщин залишається актуальною. Окрім підвищення конкурентоспроможності продукції, іншим важливим моментом зниження ураженості злитків поверхневими дефектами є зменшення виробничих витрат, пов'язаних з процесом зачищення тих ділянок поверхні, що мають тріщини.

Більшість поверхневих дефектів безперервно-литої заготовки утворюються в кристалізаторі МБЛЗ. Конусність кристалізатора надає значний вплив на якість поверхні злитків і є легко регульованим параметром, тому доцільно приділити особливу увагу цьому технологічному параметру процесу безперервного розливання.

В зоні вторинного охолодження (ЗВО), при несприятливому термонапруженому стані верхніх шарів металу тріщини, що вже утворилися в кристалізаторі, отримують подальшій свій розвиток. Виникнення температурних градієнтів на поверхні сляба в цій зоні визначається розташуванням і характеристиками елементів, що охолоджують, тому ці параметри представляють інтерес для отримання якісної поверхні слябів.

В зв'язку з цим для подальшого підвищення якості безперервно-литих заготовок необхідно глибше вивчити механізм впливу технологічних факторів розливання на процес формування заготовки, а також проаналізувати напружений стан її поверхневих шарів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає напряму досліджень, які проводить кафедра «Теорія металургійних процесів» ПДТУ з підвищення якості безперервно-литих заготовок. Дослідження є частиною науково-дослідних робіт з ВАТ «МК «Азовсталь» «Розробка і впровадження комплексу заходів щодо зниження осьової ліквації і частоти прояву поверхневих дефектів в безперервно-литому металі» (0106U006215), «Розробка і впровадження технології виплавки і безперервного розливання низьколегованих сталей з вмістом ніобію, що запобігають появі поверхневих дефектів прокату» (0108U003717).

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є визначення раціональних технологічних параметрів безперервного розливання сталі, для підвищення якості поверхні слябів з тріщиночутливих марок сталей, що відливаються на криволінійних МБЛЗ.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні наукові задачі:

- розробити методику розрахунку процесу формування та усадки безперервно-литих заготовок за різних технологічних і конструкційних параметрів МБЛЗ, яка б адекватно описувала фізичну сутність процесу по всій металургійній довжині МБЛЗ;

- розробити методику контролю теплового стану поверхні безперервно-литих заготовок в ЗВО, яка дозволяє визначати розподіл температури по ширині поверхні злитка;

- запропонувати значення раціональної конусності кристалізаторів і раціональні технологічні параметри ЗВО МБЛЗ для розливання тріщиночутливих марок сталей;

- провести промислове випробування і впровадження запропонованих оптимальних технологічних параметрів розливання тріщиночутливих марок сталей із вмістом вуглецю 0,1 - 0,17 %

Об'єкт дослідження - процес безперервного розливання сталі на криволінійних МБЛЗ

Предмет дослідження - закономірності формування і усадки безперервно-литої заготовки, технологічні і конструкційні параметри процесу безперервного розливання сталі на криволінійних МБЛЗ

Методи дослідження - для досягнення поставленої мети в роботі використані методики оптичного визначення теплового стану поверхні безперервно-литого злитка з можливістю визначення розподілу температури поверхні сляба за його шириною, методики математичного моделювання процесу безперервного розливання, реалізованого в програмному забезпеченні на ПЕОМ, і методи статистичного аналізу даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Експериментально встановлений зв'язок між значеннями відгуку матриці приладу із зарядним зв'язком (ПЗЗ) і інтенсивністю випромінювання розігрітого металу в інтервалі температур 620 - 1100 єС. Запропоновано рівняння для визначення температури металу по величинах інтенсивності випромінювання в двох спектральних інтервалах отриманих з ПЗЗ матриці візуючого пристрою.

2. Розроблена методика оптичного вимірювання температури поверхні безперервно-литого злитка за допомогою пристроїв з ПЗЗ матрицею, що дозволяє визначати розподіл температури (в інтервалі температур 680-940 єС із похибкою не більше 2%) і ступінь ураженості окалиною поверхні безперервно-литого злитка.

3. Для безперервного розливання сталей з вмістом вуглецю (0,1 - 0,17%) запропонований новий спрощений спосіб розрахунку раціональних значень конусності слябових кристалізаторів з постійним значенням конусності, що дозволяє врахувати особливості усадки перитектичних сталей і можливість утворення поверхневих тріщин по периметру сляба.

4. Запропонований новий теоретичний підхід і рівняння, які дозволили вдосконалити методику розрахунку щільності зрошування охолоджувальною сумішшю і розподіл локальних коефіцієнтів тепловіддачі по поверхні безперервно-литої заготовки в ЗВО криволінійної МБЛЗ. Запропоновані вдосконалення в розрахунках твердіння слябів дозволяють врахувати зміни форми розподілу охолоджувальної суміші сучасних форсунок, ефект екранування водоповітряних факелів підтримуючою системою роликів ЗВО, можливість розвороту форсунок по осі факела та особливості впливу стікаючої води по протилежних широких гранях безперервно-литого злитка.

Практична значущість отриманих результатів.

1. Експериментальним шляхом встановлена залежність значень відгуку ПЗЗ матриці цифрового фотоапарату від значень температури розігрітої поверхні сталі. На підставі цього розроблена методика визначення теплового стану поверхні сляба в процесі розливання шляхом оптичного візування цієї поверхні приладами з ПЗЗ матрицею.

2. На підставі вдосконаленого підходу визначені раціональні значення конусності слябових кристалізаторів МБЛЗ з урахуванням особливостей усадки марок сталей з вмістом вуглецю (0,1 - 0,17 %).

3. На підставі розроблених методик складений пакет комп'ютерних додатків, що дозволяє оцінити вплив технологічних і конструкційних особливостей процесу безперервного розливання сталі на тепловий, термонапружений стан слябу і ефективність використання охолоджувальної води в ЗВО МБЛЗ.

4. Встановлено, що на лінії безперервного розливання сталі ділянка виходу злитка з кристалізатора і місця безпосередньої дії факелів охолоджувальної суміші на поверхню сляба відрізняються найбільш несприятливими термонапруженими умовами охолоджування.

5. Розроблені рекомендації по орієнтації водоповітряних форсунок в ЗВО МБЛЗ, що забезпечує раціональне охолоджування і зниження ураженості поверхневими тріщинами слябів в процесі безперервного розливання.

Особистий внесок здобувача:

Проведення теоретичних і експериментальних досліджень із визначення залежності відгуку ПЗЗ матриці оптичного пристрою від температури візованого металу і розробка методики визначення температури поверхні безперервно-литих злитків в ЗВО МБЛЗ.

Вдосконалення математичної моделі формування і усадки сляба, що дозволяє оцінювати його термонапружений стан в кристалізаторі і ЗВО криволінійних МБЛЗ. Створення програмного забезпечення, що реалізовує вдосконалену математичну модель.

Проведення статистичних досліджень виробничих даних з метою визначення умов формування дефектів на поверхні слябів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи докладені і обговорені на міжнародних науково-технічних конференціях: «Современные проблемы теории и практики производства качественной стали» м. Маріуполь. ПДТУ. 2004 р., «Прогрессивные технологии в металлургии стали, XXI век» м. Донецьк 2006 р., «Проблемы математического моделирования» м. Дніпродзержинськ 2008 р., VIII международная научно-техническая конференция молодых специалистов м. Маріуполь ВАТ «ММК імені Ілліча» 2008 р., «Университетская наука» м. Маріуполь. ПДТУ. 2006-2009 р.. Також на 10-ій науково-технічній конференції молодих фахівців м. Маріуполь «Азовсталь-2008» 2008 г., 10-12-й регіональних науково-технічних конференціях. м. Маріуполь. ПДТУ. 2003-2005 р.

Публікації. За наслідками проведених досліджень опубліковано 19 робіт, зокрема 5 статей в спеціалізованих виданнях ВАК України, 14 тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків і додатку. Вона містить 112 стор. машинописного тексту, а також 53 ілюстрації, бібліографічний список, що включає 116 найменувань, додатки на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи. Коротко розглянуті сучасні проблеми якості безперервно-литих злитків, сформульована мета і завдання роботи, наукова новизна і практичне значення, перераховані основні положення роботи, що виносяться на захист.

В першому розділі дисертаційної роботи виконано огляд можливих причин утворення тріщин на поверхні безперервно-литих заготовок. Проведений аналіз особливостей усадки слябів, що відливаються з перитектичних сталей, і умов утворення поверхневих дефектів. Також розглянуті існуючі методи підвищення якості поверхні безперервно-литих злитків. Проведений аналіз методів вживаних при дослідженні теплового і термонапруженого стану безперервно-литих заготовок.

В другому розділі представлені дані про застосовані в роботі методи дослідження. Описана розроблена модель формування безперервно-литого злитка в процесі безперервного розливання сталі на криволінійних МБЛЗ. Представлено новий оригінальний метод визначення температурного стану поверхні безперервно-литого злитка за допомогою пристроїв з ПЗЗ матрицею.

В запропонованій математичній моделі окрім класичних допущень, що приводяться при моделюванні процесів твердіння, запропоновано розширений спосіб задавання граничних умов в ЗВО, який дозволяє врахувати локальний розподіл коефіцієнтів тепловіддачі від охолоджуваної поверхні злитка. Для опису розподілу води на ділянці дії факела форсунки в даному дисертаційному дослідженні використовується рівняння нормального розподілу із введеним до нього показником прямокутності, що дозволяє коректувати розподіл щільності зрошування:

де g_(x,y) - щільність зрошування в заданій точці поверхні, м³/м²·ч; q - коефіцієнт пропорційності, м³/м²·ч; h - висота розташування форсунки, м; б, в - кути розкриття форсунки, град; n - показник прямокутності; а - припустима похибка.

Також був врахований ефект екранування факела форсунки роликами системи ЗВО. Для визначення умов екранування запропоновано рівняння визначення відстані від поверхні сляба до форсунки, за якої струмені суміші торкаються поверхні ролика.

h_n = R_r+ (l_r /cos(в )- R_r) / sin(в)- l_r · tg(в), (2)

де h_n - відстань від поверхні сляба до форсунки, м; R_r - радіус ролика, м; l_r - половина відстані між роликами, м; в - кут розкриття факела форсунки по малій осі, град.

В результаті статистичної обробки узагальнених даних інших авторів була виведена емпірична залежність коефіцієнту тепловіддачі від щільності зрошування і температури зрошуваної поверхні.

Для врахування особливостей охолоджування безперервно-литих злитків, що відливаються на криволінійних МБЛЗ, була запропонована методика визначення максимально можливих площ дії стікаючої води по малому і великому радіусах. В результаті для отримання значення довжин зон стікаючої води (шириною зони є ширина сляба) застосовуються рівняння:

x_R = R_r/cos(г)·(1-sin(г)), (3)

x_r = R_r/cos(г)·(1+sin(г), (4)

де x_r - довжина контакту сляба і води, яка натікає по малому радіусу, м; x_R - довжина контакту сляба і води по великому радіусу, м; г - кут нахилу поверхні сляба до вертикальної осі в місці контакту ролика, град.

Для чисельного вирішення диференціальних рівнянь розробленої математичної моделі використовується метод кінцевих різниць. Оригінальною особливістю запропонованого чисельного методу вирішення є застосування нерівномірної розрахункової сітки, яка враховує розподіл градієнтів температури за перетином злитка, що дозволяє підвищити точність розрахунків.

Вимірювання температури поверхні безперервно-литої заготовки представляє великий інтерес. Тому автором був запропонований оригінальний метод безконтактного вимірювання температури об'єктів за допомогою пристроїв з ПЗЗ матрицею. Вихідними параметрами пристроїв з ПЗЗ матрицею є характеристики інтенсивності випромінювання в трьох діапазонах довжин хвиль. Для визначення залежності вихідних параметрів від температури запропоновано проведення калібрування цифрового фотоапарата при режимі зйомки, що забезпечує отримання якісного фотознімку в умовах металургійного цеху. Для досліджень застосовувалися цифрові фотокамери Canon Power Shot A640, Canon Power Shot A710 IS, Olympus SP-500 UZ, Sony DSC-H10, Sony DSLR-A200 при наступних значеннях: витримка - 1/13 с, фокусна відстань - 21,71 мм, ISO - 100, діафрагма - 3,5. На рис. 1 представлена схема установки для проведення калібрування.

Нелінійність вихідних параметрів фотокамери робить незручним процес обробки знімків, тому узагальнюючи отримані результати, нами було запропоновано рівняння для перетворення отриманих даних:

(5)

де Т - температура, ⁰С; а, b - емпіричні коефіцієнти; R і G - значення червоного і зеленого компонентів відгуку ПЗЗ матриці відповідно, кількість ділень.

Користуючись запропонованим калібруванням можна проводити обробку цифрових фотознімків поверхні сляба для визначення її температури за умови дотримання параметрів зйомки установлених в процесі експерименту. Для підвищення точності визначення температури запропоновано використовувати фільтрацію реєстрованих даних.

У третьому розділі представлені результати дослідження процесу формування слябів в кристалізаторі МБЛЗ з метою визначення впливу параметрів розливання на усадку безперервно-литих злитків. Проведена перевірка на адекватність розробленої математичної моделі формування безперервно-литих злитків в кристалізаторі МБЛЗ.

Для обґрунтування адекватності математичної моделі використовували зіставлення експериментальних даних про динаміку твердіння сталі в кристалізаторі МБЛЗ з розрахунковими. При зіставленні результатів важливо відзначити схожість значень товщини кірки сталі на виході з кристалізатора при визначенні її за математичною моделлю і за допомогою рівняння квадратного кореня. Спираючись на проведений аналіз можна стверджувати, що розроблена математична модель з достатньою точністю описує процеси формування безперервно-литих слябів в кристалізаторі МБЛЗ і може бути використана для дослідження впливу технологічних параметрів на процес формування злитків з метою підвищення їх якості.

Для оцінки впливу різних технологічних параметрів на процеси формування сляба, була проведена серія чисельних експериментів за допомогою розробленої математичної моделі і було вивчено вплив зміни вихідних даних на кінцевий результат розрахунку. Як результат розрахунку, за якими оцінювався вплив, обрана середня температура поверхні і товщина затверділої кірки по широкій грані в момент виходу злитка з кристалізатора МБЛЗ. Інтервали варіювання параметрів приймалися на підставі мінімально і максимально можливих значень, які зустрічаються на практиці безперервного лиття заготовок.

В результаті встановлено, що на товщину кірки сталі при виході сляба з кристалізатору найбільший вплив надають технологічні параметри розливання: швидкість розливання, перегрівання сталі, конусність кристалізатора. Інтервал кристалізації також має значний вплив.

Зміна конусності надає вплив на умови теплообміну між поверхнею сляба та стінкою кристалізатора і на процес формоутворення сляба. Процеси теплообміну та усадки сляба в кристалізаторі мають взаємний вплив один на одного. Також важливо врахувати, що ширина слябів значно більше їх товщини (у 5 - 6,2 разу), а, отже, і кількість тепла, що відводиться від широкої грані кристалізатора також приблизно в п'ять разів більше ніж від вузької грані. Тому можна стверджувати, що конусність вузьких граней кристалізатора слабо впливає на теплообмін загалом, а в основному виконує роль формоутворювача сляба. Отже, при визначенні раціональної конусності необхідно приділити більшу увагу саме цій ролі.

Велика усадка злитка по широкій грані визначає викривлення профілю сляба. Величина виникаючого зазору (злиток - кристалізатор) по вузьких гранях залежить від усадки затверділої кірки по широкій грані. Зазор по широкій грані залежить від усадки кірки по вузькій грані. Таким чином відбувається перехресний вплив тепловідводу до перпендикулярними гранями на величини усадки цих граней.

В початковий момент сталь набуває форми кристалізатора, а на виході з нього профіль злитка викривленній різною за периметром усадкою. У такому разі для визначення раціональної конусності нами розглянуто три варіанти. При недостатній (рис. 2(а)) конусності вузьких граней кристалізатора відбувається процес вільної усадки сляба без впливу стінок кристалізатора на кірку сляба, що формується. В цьому випадку відбувається сильне викривлення профілю заготовки, що формується, в районі з'єднання умовних ділянок з різною мірою усадки по вузькій і широкій гранях. Більше значення усадки по широкій грані спричиняє розтягування кірки злитка в кутах сляба по вузькій грані. На практиці така ситуація призводить до витріщення сляба по вузьких гранях і з утворенням на них подовжніх тріщин в районі кутів.

При надмірній конусності кристалізатора його стінки впливають на затверділу кірку сталі, тим самим підтискаючи її до осі безперервно-литої заготовки (рис. 2 (б)). Під впливом стінок кристалізатора кірка сталі, сформована по вузькій грані сляба, вільно переміщується, оскільки на шляху переміщення знаходиться рідка сталь, а за високої температури метал досить пластичний. Проте, окрім цього, стінки кристалізатора стискують кірку сталі, сформовану по широкій грані. Зусилля, прикладені до кірки, приводять до її деформації з утворенням різного роду тріщин. Також в цьому випадку відбувається затирання в кутах по вузьких гранях нижньої частини кристалізатора. Це призводить до підвищеного зносу робочих пластин кристалізаторів. Обидва варіанти характеризуються небажаним викривленням профілю сляба, і спричиненими цим наслідками, що призводять до розтріскування поверхні сляба.

Третій варіант, що розглядається (рис. 2 (в)) це варіант раціональної конусності кристалізатора. В цьому випадку стінки кристалізатора впливають на кірку сталі, сформовану по вузькій грані сляба, тим самим вирівнюючи викривлення профілю сляба. Але при цьому вони не впливають на кірку сталі, сформовану по широкій грані. В цьому випадку не відбувається «затискання» сляба, і немає пов'язаних з цим несприятливих наслідків.

Раціональна конусність кристалізатора з постійним значенням уклону стінок у такому разі повинна відповідати величині усадки кірки по широкій грані сляба за час знаходження злитка в кристалізаторі.

Приймаючи затверділу кірку сталі за одиничний елемент, температура якого визначається як середнє значення між температурою ліквідус і температурою на поверхні кірки, можна розрахувати оптимальну конусність кристалізатора:

, (6)

де w - конусність вузьких стінок кристалізатора, %; l_в.к. - ширина верхнього перетину кристалізатора, м; h_р, h_кр - висота розрахунку і висота кристалізатора відповідно, м; с_ж, с_тв - густина рідкої і твердої сталі відповідно, м³/кг; v - швидкість розливання, м/хвил; k - коефіцієнт, що враховує кінетику твердіння кірки сталі (0,2-0,25), хвил^-0,5.

Розрахунки за підсумковою формулою добре збігається з розрахунками по математичній моделі для рядових марок сталей. При дослідженні впливу складу сталі, що розливається, на основні параметри процесу формування сляба в кристалізаторі встановлено, що в процесі розливання перитектичних марок сталей спостерігаються підвищені значення усадки слябів в кристалізаторі МБЛЗ. У зв'язку з цим необхідно провести розрахунки конусності діючих кристалізаторів, що дозволяють уточнити її раціональні значення.

В четвертому розділі представлені результати дослідження процесу формування слябів в ЗВО МБЛЗ за допомогою розроблених методик.

Для оцінки адекватності запропонованої методики оптичного визначення температури, в умовах киснево-конвертерного цеху ВАТ «МК «Азовсталь», паралельно з процесом фотографування проводилися контрольні вимірювання оптичним інфрачервоним пірометром «Cyclops 100» із класом точності 0,5. Розбіжність між результатами вимірювань за допомогою фотоапарата і пірометра не перевищує 20 °С, що складає 2% від вимірюваних температур. Для вимірювань подібного роду такий результат є хорошим, отже, можливість проведення досліджень по запропонованій методиці є обґрунтованою.

За допомогою запропонованої методики можливе визначення розподілу температури, температурних градієнтів і ураженості окалиною по поверхні безперервно-литої заготовки. Так на рис. 3 представлені результати обробки цифрового фотознімку. На рис. 3 (б) крива 1 відображає зміну температури поверхні по ширині сляба. На краях заготовки відзначається мінімальна температура сляба. Також помітне зниження температури відзначається в центрі широкої грані сляба. Це пониження температури пов'язано з особливістю розташування водоповітряних форсунок в ЗВО МБЛЗ в один ряд по осі витягування. Такий характер розподілу температури поверхні визначає наявність температурних градієнтів по всій ширині сляба. Крива 2 відображає розподіл модулів температурних градієнтів (єС/мм) по поверхні малого радіусу. Оскільки виникнення термічної напруги пов'язане з виникненням температурних градієнтів, аналіз даних представлених залежностей є дуже корисним при дослідження впливу умов розливання сталі на якість продукції. Міра ураженості поверхні сляба окалиною по ширині представлена на рис. 3 (в), з якого добре видно, що найменший ступінь ураження окалиною має центральна частина сляба, яка знаходиться під впливом факелів водоповітряних форсунок. Навпаки, на краях злитка, які не потрапляють під дію форсунок, дуже часто утворюється суцільна плівка окалини. Краєві ділянки сляба (рис. 3) характеризуються підвищеними температурними градієнтами, що призводить до збільшення ймовірності утворення поверхневих дефектів в кутах безперервно-литих заготовок. Для визначення розмірів зон по кутах безперервно-литих заготовок, що характеризуються різким пониженням температури, автором були проаналізовані дані, отримані при візуванні поверхонь слябів, що відливаються на різних машинах, при різних перетинах, марках сталі і технологічних параметрах розливання. На відстані 45 м від меніска сталі, розмір цієї зони складає приблизно 13% від ширини перетину безперервно-литої заготовки.

Також за допомогою отриманих експериментальних даних проведена оцінка адекватності розробленої математичної моделі твердіння слябів в ЗВО, в результаті якої встановлено, що представлена модель з достатньою точністю описує процеси формування безперервно-литих слябів в ЗВО МБЛЗ. За допомогою математичної моделі проаналізований вплив основних технологічних і конструкційних параметрів ЗВО на термонапружений стан поверхні слябів. Результати розрахунків наведені на рис. 4.

Крива 2 (рис.4) зображає зміну коефіцієнта тепловіддачі від поверхні заготовки по довжині витягування сляба. Пікові значення коефіцієнтів тепловіддачі відповідають місцям дії водоповітряних факелів форсунок ЗВО. Протяжність піків визначається характеристиками форсунок і міжроликовими проміжками. Ця протяжність визначає час дії пікових значень тепловідводу на охолоджувану поверхню при постійній швидкості витягування.

Коливання температури поверхні безперервно-литого сляба як видно з рис. 4 (крива 1) залежать від зміни коефіцієнта тепловіддачі. При локальному збільшенні інтенсивності тепловідводу відбувається пониження температури на цій ділянці. Далі, при різкому зниженні тепловідводу, відбувається розігрівання поверхні до балансових значень за рахунок внутрішнього тепла. Як видно з представленого на рис. 4 графіка під час переходу злитка з кристалізатора в зону підбивки коефіцієнт тепловіддачі падає, а температура поверхні зростає. Також і при інтенсивному охолоджуванні в місцях дії факелів форсунок спостерігаються різкі зміни температури поверхні безперервно-литих злитків.

Локальні зміни температури поверхні призводять до утворення термічної напруги. При підвищенні тепловідводу і, як наслідок, зниженні температури поверхні, виникають стискуючі термічні напруги, а при зворотному процесі - розтягуючи. Ці коливання відносної термічної напруги, що повторюються по довжині витягування безперервно-литого злитка наглядно зображені на рис. 4 крива 3. Оскільки величина напруги залежить від величини температурних градієнтів, то модуль відносної термічної напруги залежить не тільки від інтенсивності охолоджуючої дії факелів водоповітряних форсунок, але й від швидкості зміни тепловідводу. На графіку розподілу досліджуваних параметрів по ширині сляба рис. 4 (б), добре видний аналогічний описаному вище взаємозв'язок впливаючих і контрольованих параметрів.

В результаті аналізу термонапруженого стану безперервно-литих слябів, що відливаються на криволінійних МБЛЗ, встановлені ділянки поверхні з підвищеними значеннями відносної термічної напруги. Такими ділянками є: місце виходу заготовки з кристалізатору, кутові ділянки із зниженою температурою, ділянки дії факелів форсунок.

Таким чином, для поліпшення термонапруженого стану поверхні сляба доцільно уникати перекриття водоповітряними факелами форсунок краєвих ділянок сляба із зниженою температурою, а також рекомендовано уникати ефекту перекриття факелів форсунок шляхом їх раціонального розташування.

В п'ятому розділі запропоновані раціональні технологічні та конструкційні параметри процесу безперервного розливання сталі в сляби та наведені результати їх застосування у виробництві.

Представлені результати статистичних досліджень виробничих даних, при аналізі яких встановлено, що із збільшенням ширини слябів підвищується ступінь ураженості поверхневими дефектами. Частка зачищених слябів з шириною 1850 мм в 3 рази більше ніж при їх ширині 1250 мм. Для отримання узагальнених результатів із залежності частки зачищених слябів від конусності кристалізатора, був введений критерій, що показує відношення величини уклону робочих стінок кристалізатора до ширини поперечного перетину сляба, який відображає відносне значення конусності кристалізатора:

д = ?/W (7)

де д - відносне значення конусності кристалізатора; W - ширина поперечного перетину сляба, м; ? - уклон робочих стінок кристалізатора, м.

Результати статистичної обробки залежності частки зачищених слябів від запропонованої безрозмірної величини д представлені на рис. 5 (цифри біля крапок представляють кількість плавок), з якого добре видно, що у випадках розливання сталі в кристалізатори з більшою конусністю, частка зачищених слябів знижувалася. Таким чином, встановлено, що вживані значення конусності кристалізаторів відповідають варіанту недостатньої конусності при швидкостях розливання нижче 0,9 м/мін.

Висновки, отримані при статистичному аналізі, були підтверджені при проведенні досліджень на розробленій математичній моделі. В результаті були запропоновані рекомендації щодо зміні базових значень конусності кристалізаторів, що дозволяють проводити процес безперервного розливання сталі при раціональних значеннях технологічних параметрів. Застосування запропонованих рекомендацій на ВАТ «МК «Азовсталь» дозволило підвищити якість поверхні слябів і знизити рівень їх зачистки на 26 % для перитектичних марок сталей.

Також проведено визначення раціональних параметрів для конструкції ЗВО наближеної до конструкції МБЛЗ № 4 ВАТ «МК «Азовсталь», оскільки ця конструкція є найбільш застарілою і найбільш потребує удосконалення. До того ж конструкції подібного роду ще часто зустрічаються на вітчизняних підприємствах, наприклад на ВАТ «ММк ім. Ілліча». В процесі дослідження запропоновано оригінальне технологічне рішення, що дозволяє підвищити якість поверхні безперервно-литих слябів, яке полягає в розвороті форсунок ЗВО на кут 4 - 6 градусів. Причому запропоновано проводити розворот форсунок поперемінно в різні боки для кожного ряду.

В запропонованому варіанті розташування форсунок характер дії їх факелів на поверхню сляба значно зменшує площу активної дії охолоджуючої води на краєві ділянки поверхні злитків. Також практично повністю зникає ефект перекриття факелів сусідніх форсунок. При цьому відбувається збільшення частки витрати охолоджуючої води, яка екранується роликами системи ЗВО з 9,78 % до 22,3 %, отже, декілька зменшується щільність зрошування поверхні сляба, що призводить до незначного зниження середнього коефіцієнта тепловіддачі на 4 - 6 %. Для того, щоб детальніше оцінити ефект від застосування розвороту форсунок в другій секції ЗВО, були проведені розрахунки термонапруженого стану поверхні безперервно-литої заготовки для базових і нових умов охолоджування (рис. 6). Криві 1 відображають зміну параметра при базовому варіанті охолоджування, а криві 2 - при використанні запропонованого варіанту орієнтації форсунок.

З графіку (а) на рис. 6 видно, що зниження активного охолоджування поверхні краєвих ділянок сляба приводить до деякого підвищення температури на них. При цьому важливо відзначити, що зміна температури поверхні на цих ділянках стає плавнішою. В той же час, при розрахунках базового варіанту в краєвих зонах спостерігається різкий перегин температурної кривої, що призводить до підвищених значень температурних градієнтів.

Також розворот форсунок дозволяє позбавитися від періодичних коливань температури поверхні на краєвих ділянках сляба, що спричиняються дією струменів факела, і, отже, від пікових значень термічної напруги, що наглядно представлене на графіку (б) рис. 6 Запропоновані рекомендації дозволяють значно знизити величини термічного напруження на поверхні безперервно-литого сляба за рахунок раціональнішого розподілу охолоджуючої води, в секціях ЗВО (рис. 7).

На підставі проведених досліджень обґрунтована доцільність пропонованого технічного удосконалення конструкції ЗВО МБЛЗ. Застосування запропонованих рекомендацій до МБЛЗ з конструкцією ЗВО подібною розглянутої вище, дозволить знизити ураженість поверхневими тріщинами слябів відлитих з тріщиночутливих (перитектичних) марок сталей на 15 %.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі представлені нові науково-обґрунтовані результати теоретичних і експериментальних досліджень, які розв'язують конкретне наукове завдання - зменшення утворення тріщин на поверхні безперервно-литих слябів відливаних на криволінійних МБЛЗ і підвищення якості продукції, що має суттєве значення для металургії:

1. Встановлено, що одною з технологічних причин утворення тріщин на поверхні сляба є похибка при розрахунку конусності кристалізаторів МБЛЗ, пов'язана з тим, що не враховується вплив температурно-залежних параметрів сталі, окрім коефіцієнта лінійної усадки.

2. На базі розробленої математичної моделі формування сляба в кристалізаторі МБЛЗ запропонована нова методика для визначення раціональної конусності кристалізатора, що забезпечує зменшення ураженості слябів поверхневими тріщинами. При дослідженні процесу усадки профілю сляба встановлено, що найбільший вплив на значення раціональної конусності кристалізатора надає швидкість розливання сталі, вплив інших параметрів у декілька разів менше.

3. Статистичною обробкою великого масиву плавок на ВАТ «МК «Азовсталь» встановлена залежність між значенням відношення конусності кристалізатора до ширини перетину безперервно-литого злитка і часткою зачищених слябів. Аналіз цієї залежності показав, що розливання сталей із вмістом вуглецю 0,1 - 0,17 % для слябів шириною більше 1250 мм протікає при занижених значеннях конусності кристалізаторів МБЛЗ від раціональних.

4. Шляхом експериментальних досліджень встановлено, що залежність значень вихідних параметрів цифрової фотокамери від температури візованого об'єкту нелінійна. Для лінеаризації знайденої залежності запропонована формула коректування, що дозволило застосувати дані вихідних параметрів ПЗЗ матриць фотокамер для визначення температури металу.

5. Запропонована методика визначення теплового стану поверхні безперервно-литого злитка за допомогою цифрових камер з ПЗЗ матрицями, що включає алгоритми фільтрації даних від спотворень, внесених оксидною плівкою розташованою на вимірюваній поверхні.

6. За допомогою розробленої методики встановлений зв'язок між розташуванням форсунок в ЗВО МБЛЗ і розподілом температури по ширині сляба, а також ураженістю сляба окалиною. Також результати вимірів дозволили визначити розміри ділянок по краях сляба (13% від ширини сляба), що характеризуються різким падінням температури, активного охолоджування яких рекомендується уникати.

7. Розроблений метод розрахунку розподілу щільності зрошування по поверхні сляба в ЗВО з урахуванням конструктивних особливостей МБЛЗ (геометричного розташування форсунок, характеристик і просторової орієнтації водоповітряного факела), що дозволяє вивчати вплив цих особливостей на термонапружений стан безперервно-литої заготовки з метою зниження ураженості сляба поверхневими тріщинами.

8. На підставі вимірювання температури поверхні і чисельних розрахунків процесу формування безперервно-литої заготовки, визначені ділянки на лінії безперервного розливання сталі з найбільш несприятливими термонапруженими умовами охолоджування, що дозволило визначити вірогідні причини утворення поверхневих тріщин слябів відливаних із перитектичних марок сталей.

9. Запропоновано нове технологічне рішення питання про підвищення якості поверхні безперервно-литих слябів, яке полягає в розвороті форсунок ЗВО на кут 4 - 6 градусів, що дозволяє значно знизити величини термічної напруги на поверхні безперервно-литого сляба за рахунок раціональнішого розподілу охолоджуючої води в секціях ЗВО.

10. На підставі розроблених моделей і методів розрахунку складений пакет програм для ПЕОМ, за допомогою якого можливе проведення чисельних розрахунків з метою визначення раціональних технологічних і конструкційних параметрів слябових криволінійних МБЛЗ.

11. Впровадження в киснево-конвертерному цеху ВАТ «МК «Азовсталь» рекомендацій по регламентації конусності кристалізаторів МБЛЗ №3 і 5 для розливання перитектичних марок сталей, а також по раціональному розміщенню і орієнтації форсунок ЗВО МБЛЗ № 4, дозволило знизити ураженість слябів поверхневими дефектами і зменшити частку зачищених слябів на 26% щодо МБЛЗ №3 і №5 і на 15 % щодо МБЛЗ №4. Використання результатів, отриманих в дисертаційній роботі, також дозволяє знизити відсортування листів за поверхневими дефектам на 10% (від.) щодо слябів які відливають на МБЛЗ № 3,4 і 5, при цьому очікуваний економічний ефект склав 85,5 тис. грн./рік.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Изучение распределения температуры по поверхности слябовой заготовки МНЛЗ с применением процесса обработки растрового изображения / А.В. Федосов, Е.А. Казачков, Е.А. Чичкарев // Металл и литье Украины № 11-12 2008 С.39-42

2. Метод определения температуры поверхности непрерывно-литой заготовки при помощи цифровой фотокамеры / Е.А. Казачков, А.В. Федосов, Е.А. Чичкарев и др. // Процессы Литья 2009 №1 С. 71 - 76

3. Федосов А.В., Казачков Е.А. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи от поверхности слябовой заготовки МНЛЗ в зоне вторичного охлаждения / А.В. Федосов, Е.А. Казачков // Вісник Приазовського державного технічного університету № 18 2008 С. 44-49.

4. Математическое моделирование и оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябовых заготовок / Кислица В.В., Чичкарев Е.А., Федосов А.В. и др. // Вісник Приазовського державного технічного університету № 17 2007 С. 50-55.

5. А.И. Корниенко, Е.А. Казачков, А.В. Федосов Особенности процесса затвердевания и формирования структуры слябов крупного сечения отливаемых на криволинейной МНЛЗ // Вісник Приазовського державного технічного університету № 14 2004 С. 65-68

6. Федосов А.В. Оптимизация режимов вторичного охлаждения слябовых заготовок с учетом определения локальных коэффициентов теплоотдачи от поверхности сляба // Тезисы докл. 10-й научно-техн. конф. молодых специалистов «Азовсталь - 2008». -Мариуполь. -2008. -С.56.

7. Федосов А.В. Изучение распределения температуры по поверхности слябовой заготовки МНЛЗ с помощью процесса обработки растрового изображения // Сб. тезисов VIII международной научно-техн. конф. молодых специалистов ОАО «ММК им. Ильича». -Мариуполь. -2008. -С. 11-12.

8. Носоченко О.В., Кислица В.В., Чичкарев Е.А., Казачков Е.А., Федосов А.В. Математическое моделирование и статистический анализ формирования осевой неоднородности слябовых заготовок //Сб. трудов 3-й Международной научно-техн. конф. «Прогрессивные технологии в металлургии стали, XXI век» г. Донецк 2006 г., -С. 274-279.

9. Чичкарев Е.А., Федосов А.В., Назаренко Н.В. Оптимизация режимов вторичного охлаждения при непрерывном литье слябовых заготовок из ниобийсодержащих марок стали // Тезиси доп. Міждержавній науково-методичній конференції «Проблемы математического моделирования». - Днепродзержинск. -2008. -С.165 -167.

10. Корниенко А. И. Формирование структуры слябов крупного сечения, отливаемых на криволинейной МНЛЗ / А. И. Корниенко, Е. А. Казачков, А. В. Федосов // Современные проблемы теории и практики производства качественной стали: тезисы докл. Междунар. науч. конф., посвящ. 60-летию каф. "Теория металлургических процессов" и 75-летию ПГТУ, 8-10 сент. 2004 г. - Мариуполь, 2004. - С. 171-173.

11. Федосов А.В., Казачков Е.А., Чичкарев Е.А. Моделирование усадки профиля сляба с целью оптимизации конусности кристаллизатора и повышение качества поверхности непрерывно-литых слябов // Тезисы докл. Международной научно-техн. конф. «Университетская наука». -Мариуполь: ПГТУ. -2009. -С. 119.

12. Федосов А.В., Казачков Е.А., Чичкарев Е.А. Влияние условий вторичного охлаждения МНЛЗ на тепловое состояние поверхности слябовых заготовок // Тезисы докл. Международной научно-техн. конф. «Университетская наука». -Мариуполь: ПГТУ. -2009. -С. 120.

13. Федосов А. В. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи от поверхности слябовой заготовки МНЛЗ в зоне вторичного охлаждения / А. В. Федосов, Е. А. Казачков // Университетская наука - 2008: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь, 2008. - Т. 1. - С. 219.

14. Бурлаков В.И. Влияние условий теплоотвода и состава стали на возникновение внутренних напряжений в процессе затвердевания слябовой заготовки непрерывной разливки / В. И. Бурлаков, А. В. Федосов // Университетская наука - 2008: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь, 2008. - Т. 1. - С. 220.

15. Статистический анализ условий формирования поверхностных дефектов на прокате ниобийсодержащих марок стали / Е. А. Чичкарев, А. В. Федосов, О.Б. Исаев, В.В. Кислица // Университетская наука - 2008: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь, 2008. - Т. 1. - С. 223.

16. Анализ и оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябовых заготовок / В. В. Кислица, О. Б. Исаев, Г. С. Филин, Е. А. Чичкарев, А. В. Федосов, Н. В. Назаренко // Университетская наука - 2007: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь, 2007. - Т. 1. - С. 106.

17. Казачков Е.А. Компьютерное моделирование процесса затвердевания слябов крупного сечения на МНЛЗ при асимметричном охлаждении в ЗВО / Е. А. Казачков, А. В. Федосов, А. И. Корниенко // XII региональная научно-техническая конференция "Университет городу", посвященная 75-летию ун-та: тезисы докладов / ПГТУ. - Мариуполь, 2005. - Т.1. - С. 78.

18. Федосов А. В. Особенности процесса затвердевания и формирования структуры слябов крупного сечения, отливаемых на криволинейных МНЛЗ / А. В. Федосов, Е. А. Казачков, А. И. Корниенко // XI региональная научно-техническая конференция: тезисы докладов / ПГТУ. - Мариуполь, 2004. - Т. 1. - С. 74.

19. Федосов А.В. Кинетика процесса затвердевания непрерывно-литого слитка в зоне вторичного охлаждения / А. В. Федосов, Е. А. Казачков // X региональная научная и научно-техническая конференция: тезисы докладов / ПГТУ. - Мариуполь, 2003. - Т. 2. - С. 52.

Основний внесок здобувача в опублікованих в співавторстві роботах:

[1], [2], [7] - автором проведені теоретичні і експериментальні дослідження по розробці методики визначення температури металу за допомогою пристроїв з ПЗЗ матрицями. Запропоновано рівняння, що зв'язує значення відгуку ПЗЗ матриці з температурою металу. [3], [6], [12], [13] - запропоновані основні рівняння формування безперервно-литих злитків, що дозволяють удосконалити математичну модель, в умовах їх відливання на криволінійних МБЛЗ. На підставі моделювання запропоновано технологічне рішення по зміні орієнтації водоповітряних форсунок з метою поліпшення якості поверхні слябів. [11], [14], [17]-[19] автором розроблено програмне забезпечення для реалізації математичних моделей формування слябів при їх відливанні на криволінійних МБЛЗ. [4], [5], [8]- [10], [15], [16] - автором взято участь в проведенні теоретичних і статистичних досліджень.

Размещено на Allbest.ru

...