Расчет технологических и конструктивных параметров машины непрерывного литья заготовок

Анализируя работу промковша многоручьевой сортовой МНЛЗ при разливке длинными и сверхдлинными сериями следует выделить следующие функциональные особенности:

- постоянный контакт определенной части днища промковша со струей металла, падающей из сталеразливочного ковша, что приводит к размыванию огнеупорного слоя в месте падения струи;

- периодическое многократное изменение уровня металла в промковше (во время замены сталеразливочных ковшей), что, по меньшей мере, изменяет динамику движения потоков стали;

- бурление металла и его активное перемешивание с покровным шлаком в зоне падения струи стали, что обусловливает износ рабочего слоя футеровки;

- попадание в промковш шлака из сталеразливочных ковшей, что существенно изменяет свойства и толщину покровного шлака в промковше по ходу разливки;

- организация движения потоков стали в промковше таким образом, чтобы разность величины температуры стали, вытекающей из центральных и крайних ручьев, была минимальной, что обеспечивает стабильность процесса литья.

Учет всех вышеперечисленных особенностей работы промковша в плане обеспечения разливки сверхдлинными сериями невозможен без применения специальных устройств (металлоприемников, порогов и т.п.), оказывающих реальное влияние на гидродинамическую картину в жидкой ванне промковше втечение всего цикла разливки. В качестве примера на рис. 7 приведена схема внутренней полости промковша 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ ОАО «Енакиевский металлургический завод», на котором была осуществлена разливка в течение 65-70 часов.

Повышенная производительность сортовых МНЛЗ достигается за счет высокой скорости вытяжки заготовки (5-6 м/мин) путем применения параболических (многоступенчатых) гильзовых кристаллизаторов, длина которых составляет 1,0-1,1 м [23]. Применение кристаллизаторов такой конструкции обеспечивает благоприятные условия для быстрого и относительно равномерного наращивания твердой корочки заготовки. Это происходит вследствие того, что внутренняя поверхность гильзы кристаллизатора имеет профиль, который учитывает изменение сечения заготовки вследствие усадки.

Рисунок 7 - Промковш сортовой МНЛЗ: 1 - стальной кожух; 2 - стакан-дозатор; 3 - металлоприемник; 4 - торкрет слой; 5 - наливной бетон

При этом величина воздушного зазора между поверхностью гильзы кристалллизатора и заготовкой сокращается до минимума. В целом применение параболических кристаллизаторов обеспечила увеличение скорости вытяжки заготовки в среднем в 2,0-2,5 раза в сравнении с одноконусной и двухконусными гильзами.

Гильзы кристаллизаторов современных сортовых МНЛЗ представляют собой высокотехнологичные изделия, которые выполняются с высокой размерной точностью, а на их рабочую поверхность наносится специальное износостойкое покрытие на основе хрома, никеля и др. металлов. Вместе с тем, следует отметить, что при использовании параболических и многоступенчатых гильз кристаллизаторов может наблюдаться повышенное трение заготовки на выходе из него, что вызывает повышенный износ стенок гильзы в случае излишней его конусности. Поэтому разливка с применением параболлических кристаллизаторов требует строго регламентируемых параметров литья.

Гильзы кристаллизаторов охлаждаются водой высокого качества, часто деминерализованной, и снабжены оборотной системой. Обычно в технических условиях оговаривается, что оборотная система должна обеспечивать минимальную скорость потока воды в каналах системы охлаждения порядка 7-8 м/сек. На наш взгляд, развитием системы охлаждения гильз кристаллизаторов может стать спрейерное охлаждение [18]. При этом подвод воды к внешней поверхности гильзы осуществляется посредством нескольких десятков форсунок, расположенных равномерно по граням и углам гильзы. Это обеспечивает надежное и равномерное охлаждение гильзы независимо от ее конструкции и геометрической формы. При прочих равных условиях для спрейерного охлаждения требуется на 30% меньше воды, чем для кристаллизаторов с водяной рубашкой. Помимо этого стойкость гильзы кристаллизаторов повышается в 1,5-2,0 раза.

Еще одной важной проблемой, которой будет уделяться большое внимание в ближайшем будущем, является улучшение качества поверхности сортовой заготовки. Известно, что на качество поверхности заготовки влияют процессы бурления стали в верхней части гильзы кристаллизатора, а также неравномерный рост корочки в начальный период, что приводит к ее травмированию при качаниях кристаллизатора. В этом плане представляют интерес решения, которые направлены на стабилизацию процессов зарождения и начального роста корочки. Таким подходом, например, характеризуется концепция «разливки со свободным мениском», предложенная исследовательским центром IRSID (Франция) [24]. Отличительным элементом этой технологии является применение кристаллизатора специальной сборной конструкции, верхняя часть которого выполнена из керамического материала (рис.8). Кроме того, через пористое кольцо, установленное между керамической и медной частью кристаллизатора, вдувается аргон, который обеспечивает усреднение жидкой стали и торможение падающей струи. Благодаря этому формирование твердой корочки уже начинается под уровнем стали в области, где эффекты бурления и неоднородности потоков практически полностью исчезают.

Рисунок 8 - Кристаллизатор сортовой МНЛЗ с керамической вставкой: 1 - протектор для защиты от вторичного окисления; 2 - керамическая вставка; 3 - пористое кольцо; 4 - ультразвуковой излучатель; 5 - медная часть кристаллизатора

Определенного подавления гидродинамических возмущений жидкого металла в верхней части жидкой ванны кристаллизатора удается достигнуть при наложении на расплав высокочастотных (свыше 100 кГц) электромагнитных полей [8]. При этом также требуется установка специальных индукторов в верхней части кристаллизатора.

Одна из важнейших функций работы кристаллизатора - предотвращение прилипания и последующего разрыва образовавшейся тонкой корочки стали во время перемещения затвердевающей заготовки. При разрыве твердой корочки вследствие прилипания ее часть, расположенная вблизи зеркала жидкой стали, сцепляется со стенкой кристаллизатора и отделяется от движущейся вниз корочки. На место образовавшегося разрыва проникает жидкий металл, который при затвердевании уже не успевает образовать корочку достаточной толщины и прочности. Получающееся соединение является достаточно непрочным и обычно разрывается при выходе из кристаллизатора.

Минимизации явления прилипания твердой корочки удается достигнуть в том случае, когда усилие трения между поверхностью заготовки и стенками кристаллизатора оказывается ниже определенного критического уровня, который определяется в зависимости от прочности корочки.

Снижение вероятности прилипания корочки к стенкам кристаллизатора достигается путем придания кристаллизатору возвратно-поступательных движений с определенной частотой и амплитудой. В последнее десятилетие основная доля новых и реконструированных сортовых МНЛЗ оснащается кристаллизаторами с гидроприводами, которые позволяют осуществлять несинусоидальный режим качаний (рис. 9).

Считается, что несинусоидальные режимы качания кристаллизатора позволяют существенно повысить скорость разливки и улучшить качество поверхности и подповерхностных слоев заготовки [26].

В результате качаний кристаллизатора на поверхности заготовки формируются поперечные углубления в виде канавок, которые принято называть «следами качания». Глубина следов качания зависит от способа разливки: при низкой частоте качаний (<130 циклов/мин) разливка с ШОС приводит, например, к образованию более глубоких меток, чем при литье открытой струей. При увеличении частоты качаний данное соотношение практически не меняется. Другим важным параметром, влияющим на глубину следов качания, является скорость разливки: более высокая скорость разливки приводит к образованию менее глубоких следов качания.

Рисунок 9 - Графики изменения скорости движения кристаллизатора для синусоидального и несинусоидального законов

В случае если внутренние напряжения в твердой корочке заготовки достигают предельных значений, то вдоль ее угла может образовываться вертикальная продольная трещина, обусловливаемая износом донной части кристаллизатора, неравномерным охлаждение заготовки в кристаллизаторе, повышенной температурой стали в промковше, высоким содержанием вредных примесей (S, P, Sn, Pb, Sb) и т.п. В целом же в результате многочисленных исследований и наблюдений установлено, что при разливке с высокими скоростями величина перегрева металла в промковше оказывает значительно большее влияние на весь технологический процесс разливки, чем при разливке с обычными скоростями. Это связано с тем, что толщина твердой оболочки формирующейся заготовки на выходе из кристаллизаторе уменьшается, что повышает вероятность прорывов металла под кристаллизатором. Нарушение условий формирования твердой корочки в кристаллизаторе приводит к увеличению опасности прорыва металла, что, в конечном счете, снижает выход годного и понижает производительность МНЛЗ. Следовательно, выбор рациональной скорости разливки непрерывнолитой сортовой заготовки может регламентироваться уровнем требований к ее качеству.

При выходе заготовки из кристаллизатора ее охлаждение осуществляется путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой, отвода тепла к поддерживающим роликам и вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду. Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения по ней медленно уменьшалась. Температура поверхности непрерывнолитой заготовки в зоне вторичного охлаждении (ЗВО) устанавливается таким образом, что тепловой поток через корку слитка и теплоотвод на поверхности слитка получались примерно одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается конечным термическим сопротивлением корки заготовки. Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО предусматривается несколько секций с различной интенсивностью отвода тепла. Для достижения требуемой интенсивности теплоотвода на сортовых МНЛЗ, как правило, применяется охлаждение струями воды, разбрызгиваемой через специально установленные форсунки (рис. 10).

Рисунок 10 - Фотография факела распыляемой воды форсунки струйного распыления (слева) и схема расположения форсунки относительно поверхности сортовой заготовки

В последнее время конструкциях сортовых МНЛЗ стали предусматривать зону водовоздушного охлаждения, располагаемую, как правило, в конце ЗВО [10]. Распыление воды в таких форсунках происходит в основном в результате соударения двух потоков (водяного и воздушного) внутри форсунки. Распылитель представляет собой как бы две независимые форсунки - для воды и для воздуха,- струи от которых пересекаются. Оба потока выходят из распылителя в направлении непрерывнолитой заготовки и встречаются один с другим, образуя факел мелкодисперсных капель воды. Воздух при этом способе охлаждения играет двоякую роль: он обеспечивает распыление воды и сообщает каплям необходимую высокую кинетическую энергию. Характер распыления воды определяется расходом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком диапазоне параметров. Применение водовоздушного охлаждения позволяет расширить возможности разливки стали на сортовых МНЛЗ.

В последние 10-15 лет для подавления осевой пористости и ликвации все большее применение получает метод «мягкого» обжатия (“soft reduction”) непрерывнолитой заготовки в конце цикла затвердевания. Сущность этого метода заключается в том, что непрерывнолитая заготовка подвергается дополнительному обжатию (на несколько миллиметров) в нижней части ЗВО при наличии 30-50% жидкой фазы. Этот метод нашел достаточное применение при разливке сортовых заготовок высокого качества [28]. Влияние качества и химического состава, скорости вытяжки заготовки, режимов вторичного охлаждения и сечения заготовки обусловливают изменение рабочих параметров «мягкого» обжатия. Максимальный эффект подавления осевой ликвации достигается при минимальном колебании параметров разливки в условиях обеспечения минимального выпучивания заготовки в зоне обжатия. Это достигается путем постоянного контроля соприкосновения поверхности пинч-роликов с поверхностью заготовки.

Возможности метода мягкого обжатия для снижения ликвации в осевой зоне заготовки ограничены способностью корочки к удлинению на границе твердой и жидкой фаз. Так как повышенная нагрузка на корочку в зоне фронта затвердевания приводит к образованию внутренних трещин, величина отдельных стадий деформации не должна превышать максимально допустимого значения. Усилить эффект «мягкого» обжатия удается посредством оптимизации геометрической формы внутренней полости кристаллизатора [29].

Одним из эффективных методов повышения качества непрерывнолитой сортовой заготовки является электромагнитное перемешивание (ЭМП) жидкой стали [30]. Механизм электромагнитного воздействия является результатом сложного взаимодействия электродинамических, магнитогидродинамических и металлургических факторов. Индуктивная система ЭМП представляет собой статор асинхронного двигателя, ротором которого является жидкая лунка непрерывного слитка. ЭМП улучшает качество подповерхностной и осевой зоны непрерывнолитых заготовок, так как оно воздействует на фор-мирование кристаллической структуры, перемещение неметаллических включений, химическую сегрегацию и распределение газов. На практике используются статоры с вращающимися и линейными полями (рис.11). Основные электрические параметры устройств ЭМП меняются в широких пределах в зависимости от их конструкции и сечения заготовки. Характер потоков, создаваемых ЭМП, зависит от конкретных условий (сечение заготовки, место приложения воздействия, требования к результатам воздействия и т.п.). Магнитодинамические потоки, создаваемые ЭМП, состоят из одного или нескольких замкнутых контуров.

С точки зрения глубины проникновения электромагнитного поля, влияние индукторов перемешивающих устройств на кристаллизующийся слиток можно разделить на следующие группы: для обработки поверхностных и подповерхностных слоев непрерывной заготовки; для уплотнения внутренних объемов. В первом случае применяют вертикальное перемешивание металла в кристаллизаторе, а во втором проводят вращательное перемешивание расплава в горизонтальной плоскости.

Рисунок 11 - Схемы наложения электромагнитного перемешивания с вращающимся (а) и линейным полем (б) для сортовой заготовки

Основной эффект ЭМП в кристаллизаторе следует связывать с изменением гидродинамической обстановки в жидкой ванне кристаллизатора под влиянием принудительных конвективных потоков. Как правило, в этой части МНЛЗ применяют устройства, которые обеспечивают формирование восходящих потоков вдоль фронта затвердевания или вращение стали в горизонтальной плоскости. Вращающееся магнитное поле в кристаллизаторе при отливке сортовых заготовок открытой струей создает глубокий мениск металла, на дне которого сосредотачиваются неметаллические включения, вращающиеся с меньшей скоростью, чем жидкая сталь. В результате этого эффекта концентрация неметаллических включений в твердой оболочке слитка существенно снижается.

Расположение электромагнитного индуктора в ЗВО имеет своей целью обеспечение улучшения качества непрерывнолитой заготовки в зоне столбчатых (дендритных) кристаллов за счет их измельчения и уплотнения. Помимо этого, наличие восходящих конвективных потоков обеспечивает определенное повышение чистоты металла в этой зоне. Наложение ЭМП в области формирования столбчатых кристаллов может препятствовать формированию различного рода перемычек между противоположными фронтами затвердевания, что, в конечном счете, обеспечивает значительное подавление дефектов усадочного (пористость) и ликвационного характера. Измельчение столбчатых кристаллов при электромагнитном перемешивании достигается в достаточно широком диапазоне интенсивности воздействия (при создании вертикальных восходящих потоков). Однако этот эффект сопровождается, как правило, образованием полосы «белой» (по серному отпечатку) ликвации, которая при увеличении интенсивности воздействия проявляется все более ярко.

В целом же использование электромагнитного перемешивания на сортовых МНЛЗ получило наибольшее распространение при воздействии на металл, находящийся в кристаллизаторе. В будущем, видимо, будет происходить расширение количества устройств для ЭМП, поскольку представляется наиболее вероятным повышение требований к качеству при увеличении производительности машин за счет скорости вытяжки заготовки.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общ. ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

2. Расчеты технологических и конструкционных параметров МНЛЗ: Учебн. пособ. / Куберский С.В., Семирягин С.В., Федотов О.В. - Алчевск: ДонГТУ, 2006. - 148 с.

3. Куберський С.В., Кузнецов Д.Ю. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Безперервне розливання сталі». Алчевськ: ДонДТУ, 2009 - 98 с.

4. Dubowick, W.: Thermal Arrest Measurements and Their Application in the Investment Casting. 2. svetovэ slйvбrenskэ kongres, Dьsseldorf 1960.

5. Aymard, J.P. - Dйtrez, P., Fonderie 330, 1974, Janvier, s. 11-24.

6. Roecser, W. - Wensel, H.T., Stahl u. Eisen, 1951, и. 8, s. 399.

7. Скворцов А.А., Акименко А.Д. Теплопередача и затвердевание стали в установках непрерывной разливки. - М.: Металлургиздат, 1966.

8. Рутес В.С. и др. Теория непрерывной разливки. - М.: Металлургиздат, 1971.

9. Краснов В.И. Оптимальное управление режимами непрерывной разливки стали. - М.: Металлургия, 1975.

10. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. Емельянов В.А. Учебн. пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1988, - 143 с.

11. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства. / Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В., Никольский Л.Е.: Учебник для вузов.- М.:МИСИС. 1995. С. 416-506.

12. Смирнов А.Н., Подкорытов А.Л. Современные сортовые МНЛЗ: перспективы развития технологии и оборудования / Технологии. - №12. - декабрь 2009.- С. 18-25.

13. Smirnov A., Grydin S., Physical and mathematical modeling fluid flows movement in tundish for 6-strand billet CCM // 1-st International Conference Simulation and Modeling of Metallurgical Processes in Steelmaking (STEELSIM-2005), Brno, 2005. - Brno: 2005. - P. 244-252.

14. RU 56842 Промежуточный ковш для непрерывной разливки металла / Тахутдинов Р.С., Корнеев В.М., Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Осипов В.А., Кунгурцев В.Н., Сарычев А.В., Ушаков С.Н. / Открытое акционерное общество «Магнитогорский металлургический комбинат» - Номер заявки: 2006112471/22 - Дата публикации: 27.09.2006

15. RU 77811 Промежуточный ковш для непрерывной разливки металла / Белобородова Л.Н., Новоселов Э.Б., Клочков А.С. / Патентообладатели: Белобородова Л.Н., Новоселов Э.Б., Клочков А.С. - Номер заявки: 2008120211/22.- Дата публикации: 10.11.2008

16. Tundish operation // Continuous casting/ Volum 10. - Iron and Steel Society. - 2003. - P. 323

17. Wolf M. Bloom and Billet Casting: Overview // Proceedings 3rd European Conference on Continuous Casting, Madrid (Spain), October 20-23, 1998. - Madrid: 1998. - P. 515-524.

18. Высокие надежность и производительность машин непрерывной разливки сортовой заготовки на заводе Badische Stahl Werke / М. Шмитт, А. Фолкерт, Ж. Барбе и др. // Сталь. 2008. №2. - С. 22-23

19. Cobelli P., Tercelli C., Kohl S. Continuous Casting of Long Product (Billet and Bloom Quality) // Proceedings Conference “Long Products - The Challenge & Opportunity”. - Jamshedpur (India), 2004. - P. 1-21.

20. Металлургические мини-заводы / А.Н. Смирнов, В.М. Сафонов, Л.В. Дорохова, А.Ю. Цупрун. - Донецк: ДонНТУ, 2005. - 469 с.

21. Смирнов А.Н., Сафонов В.М. Современный уровень и будущее электросталеплавильного производства // Сталь. 2009. №1. - С. 47-51.

22. Хорбах У., Коккентидт Й., Юнг В. Литье сортовых заготовок с высокой скоростью через кристаллизатор параболического профиля // МРТ. 1998.- С. 42-51.

23. Meniscus Free Casting: Metallurgical and Technological Results / Bertoletti C., Courbe P., Jolivet J.M. e.a. // Proceedings 3rd European Conference on Continuous Casting, Madrid (Spain), October 20-23, 1998. - Madrid: 1998. - P. 65-74.

24. Improvement of Billet Surface Quality by Ultra-High-Frequency Electromagnetic casting / H. Nakata, T. Inoue, H. Mori e.a. // Proceedings 4-th European Continuous Casting Conference, Birmingham, 2002. - London: IOM Communications: 2002. - P. 31-38.

25. The new billet caster SO AT Saarstahl AG Voelklingen / G. Ney, E. Korte, K.G. Richter, F. Ruppel // Proceedings 5-th European Continuous Casting Conference, Nice, 2005. - La Revue de Matallurgie: 2005. - P. 374-381.

26. Шатохин С. Использование преимуществ современных водовоздушных форсунок во вторичных зонах охлаждения МНЛЗ // Сталь. 2002. №9. 2002. - С. 28-33.

27. Byrne C., Tercelli C. Mechanical soft reduction in billet casting // Steel Times Int. 2002. No.10. - P. 17-19.

28.Мягкое обжатие заготовок на машине непрерывного литья SO компании Saarstahl AG / Р. Томе, В. Остхаймер, Г. Ней и др. // Черные металлы. 2007. №7-8. - С. 49-55.

29. Development of new continuous casting technologies with electromagnetic force / K. Ayat, K. Miyazawa, N. Bessho, T. Tho // Proceedings 4-th European Continuous Casting Conference, Birmingham, 2002. - London: IOM Communications: 2002. - P. 15-24.

30. Toh T., Hasegawa H., Harada H. Evaluation of Multiphase Phenomena in Mold Pool under In-mold Electromagnetic Stirring in Steel Continuous Casting // ISIJ International. 2001. Vol.41. No.10. - P. 1245-1251.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Размещено на Allbest.ru