Исследование и совершенствование режимов затвердевания, охлаждения, термостатирования и нагрева стальных слитков

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
• 1.1 Способы разливки стали и их сравнительный анализ
• 1.2 Технология разливки стали в изложницы
• 1.3 Нагрев слитков в печах перед обработкой металла давлением
• 1.4 Технология получения и нагрева стальных слитков на ОАО «Русполимет»
• Выводы по главе
• 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛИТКА В ИЗЛОЖНИЦЕ, ТЕРМОСТАТЕ, ПЕЧИ И НА ВОЗДУХЕ
• 2.1 Математическая модель затвердевания слитка в изложнице
• 2.2 Математическая модель охлаждения слитка на воздухе
• 2.3 Математическая модель охлаждения слитка в термостате
• 2.4 Математическая модель нагрева слитка в печи
• Выводы по главе
• 3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ
• 3.1 Разработка системы конечно-разностных уравнений
• 3.2 Тестирование конечно-разностной схемы
• 3.3 Структура компьютерной программы
• 3.4 Расчетная программа на языке Visual Basic. Примеры расчетов затвердевания, охлаждения и нагрева слитка
• Выводы по главе
• 4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
• 5. МЕРЫ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
• 6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Текст компьютерной программы для расчета слитка Р-4,5т 98

ВВЕДЕНИЕ

Машины непрерывного литья заготовок более распространены в промышленности по сравнению с разливкой стали в изложницы.

В среднем в мире свыше 75% всей производимой стали разливается на установках непрерывной разливки, причем в таких странах как Япония, Франция, Италия, Испания, США, Великобритания, Южная Корея, непрерывным способом производится свыше 90% стали. [1] Исключение составляют такие страны Украина, Казахстан и некоторые другие, доля непрерывной разливки в которых значительно ниже в силу продолжающейся реконструкции сталеплавильного комплекса.

При существующей технологии затвердевания, охлаждения и нагрева крупных слитков в изложницах теряется большое количество теплоты жидкого металла, и при помещении слитка в печь требуется много времени (180 мин), чтобы произвести качественный нагрев слитка перед ковкой. Нерациональное распределение времени выдержки слитка в этапах «изложница - воздух - термостат - воздух - печь» является основной проблемой, на которую необходимо обратить внимание.

Потери на начальном этапе (в изложнице) влекут за собой потери на следующих этапах, а именно: нерациональное использование теплоты печи, повышаются денежные затраты на топливо, низкая производительность печи.

Разливка стали в изложницы, и ее затвердевание являются важнейшими этапами при получении качественного слитка.

Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование процессов затвердевания, охлаждения и нагрева слитка марки стали 20Х13 (ГОСТ 4543), отливаемой в изложницу Р-4,5, минимизация вышеперечисленных потерь.

Задача - ускорение и оптимизация временных затрат для реализации процесса «затвердевание-охлаждение- нагрев слитка», как следствие- повышение производительности нагревательной печи, снижение затрат энергии на нагрев слитка.

Сокращение времени пребывания слитка в изложнице и извлечение его не полностью затвердевшего позволит значительно ускорить процесс нагрева слитка в печи и, тем самым, увеличить производительность печи.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Способы разливки стали и их сравнительный анализ

Рассмотрим, какими способами осуществляют разливку стали в России и за её пределами.

В Японии в основном используются литейно-прокатные комплексы (ЛПА). Разработан способ стыковки двух МНЛЗ с непрерывным станом без проходной печи-накопителя. Фирма Kawasaki предложила компоновку литейно-прокатного комплекса, состоящего из двух МНЛЗ и широкополосного стана горячей прокатки, черновая и чистовая группы которого расположены параллельно.[2] Предложен оригинальный литейно-прокатный комплекс, включающий МНЛЗ 1, способную одновременно выдавать в горизонтальном направлении два тонких сляба.

В Японии считают, что непрерывная выплавка стали со временем, вытеснит дискретные способы. Уже сейчас вкладываются большие средства в развитие этого способа.

В настоящее время крупнейшей в мировой практике является слябовая установка непрерывной разливки фирмы «Юнайтед стейтс стил», США, производительностью 1,8 млн. т в год, совмещенная с прокатным станок. [3] Создание непрерывного процесса производства проката из жидкой стали, неизбежно ведёт к полной автоматизации процесса.

В США также практикуется разливка стали под регулируемым (низким) давлением, что позволяет исключить стадию производства слитков и получить полупродукт в виде заготовок (сляб, блюм и др.) для прокатки.

В последние 15 лет в Японии, Корее, США, Австралии, Австрии, Канаде, Китае, Франции и Германии особенно большое внимание уделяется прямой отливке полосы. Было создано 45 промышленных, полупромышленных и опытных установок непрерывной отливки полосы. В подавляющем большинстве случаев это - роликовые машины, и только единичные машины предусматривали подачу металла на движущуюся полосу.

На большинстве заводов Украины, в том числе и на заводе «Криворожсталь» разливку металла производят в изложницы.[4] На сегодняшний день доля непрерывной разливки в Украине составила менее 48%. [5]

В России, получение слитков способом разливки стали в изложницы составляет 25-30%. Кузнецкий, Карагандинский и другие комбинаты разливают сталь только сверху. [6] Сифонная разливка (снизу) продолжает оставаться на заводах качественной металлургии и там, где не освоена разливка под защитными смесями, где узким местом является разливочный пролет или при недостаточной мощности зачистных средств. Большую роль играет установившаяся практика разливки, и замена способа разливки всегда дается с большими трудностями. Организация и технология разливки стали в изложницы различаются в зависимости от работы сталеразливочных кранов, расположения изложниц в процессе разливки и условий работы в литейных пролетах сталеплавильных цехов.

В современных сталеплавильных цехах с высокопроизводительными сталеплавильными агрегатами составы с изложницами для разливки стали готовят в отделениях или цехах подготовки составов и по железнодорожным путям подают в разливочный пролет к оборудованным разливочным площадкам. Разливка стали в изложницы, установленные на поддонах подвижных составов позволяет значительно улучшить условия труда и увеличить пропускную способность разливочных пролетов. Эти преимущества и обеспечили широкое распространение способа разливки стали в изложницы, установленные на тележках.

В России институтами ЦНИИчермет, ВНИИметмаш, МИСиС ведутся работы по изучению сталеплавильных агрегатов непрерывного действия (САНД) на опытно-промышленных и опытных установках. [3]

На Можгинском литейном заводе используют разливку стали в водоохлаждаемые изложницы. [7]

По сравнению с массивными неохлаждаемыми изложницами литье в водоохлаждаемые изложницы имеет ряд преимуществ:

- из-за меньшего градиента температур по сечению рубашки водоохлаждаемой изложницы она испытывает меньшие температурные напряжения по сравнению с массивной чугунной изложницей, и, следовательно, обладает большей стойкостью, что хорошо влияет на стартеры;

- в водоохлаждаемых изложницах проще организовать направленный снизу-вверх процесс затвердевания слитка, что позволяет отливать здоровые слитки больших сечений, чем в неохлаждаемых изложницах;

- высокая интенсивность теплоотвода в водоохлаждаемых изложницах обеспечивает более высокие механические свойства слитков за счёт более мелкодисперсной как макро-, так и микроструктуры по сравнению со слитками, полученными литьем в неохлаждаемые изложницы;

- за счёт ускоренного охлаждения слитка и изложницы сокращается наличный парк литейных форм в цехе, и соответственно повышается производительность литья.

Для литья цилиндрических слитков применяют неразъемные водоохлаждаемые изложницы.

«Уральская Сталь» - восьмое по величине российское предприятие по производству стали и готовой продукции, а также лидирующий производитель толстолистового проката, полосовой стали и трубной заготовки в России. Комбинат расположен в г. Новотроицке Оренбургской области, в 1850 км к юго-востоку от Москвы. С 2004 год - введена в эксплуатацию установка непрерывного литья заготовок (МНЛЗ-2) в ЭСПЦ.

Технология прямой отливки полосы - лучше, но прежде всего она исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, повторный нагрев и горячая прокатка. В результате значительно сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудованием, и уменьшаются примерно на 85% энергозатраты по сравнению с традиционной технологией.

По сравнению с методом разливки стали в изложницу, метод непрерывной разливки имеет ряд преимуществ: сокращение времени (за счет исключения некоторых операций) и капиталовложения: применение МНЛЗ исключает для получения заготовок надобность в дорогостоящих обжимных станах (блюмингах или слябингах), а также в различном оборудовании, используемом при литье в изложницы. Непрерывная разливка обеспечивает значительную экономию металла вследствие уменьшения обрези и энергии, которая тратилась на подогрев слитка в нагревательных колодцах. [8] Исключение нагревательных колодцев позволило избавиться от значительного загрязнения атмосферы. По качеству металлопродукции, возможности механизации и автоматизации, улучшению условий труда непрерывная разливка также эффективнее разливки в изложницы. Частое явление- разрушение изложниц, причиной которого является неравномерный прогрев стенок. Многократное циклическое повторение нагрева и охлаждения приводит к полному разрушению изложниц.

Несмотря на преимущество МНЛЗ, имеет место необходимость использования изложниц. Например, кипящие стали нельзя разливать по непрерывному методу. Разливку стали в изложницы обычно применяют для дорогих легированных и высококачественных сталей марок стали. Малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость.

1.2 Технология разливки стали в изложницы

Изложницы - это чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы на металлургических заводах отливают из доменного чугуна в специализированных цехах, на машиностроительных заводах - из ваграночного чугуна следующего состава, %: (3,3- 4,0)С; (0,9- 2,2)Si;

(0,4-1,0)Mn; <0,20P и <0,12S. Важной задачей является получение качественного чугуна для отлива изложниц, обеспечивающего их стойкость. [9]

Конфигурация изложниц зависит от сорта заливаемой стали и назначения слитка. Изложницы классифицируют на несколько самостоятельных групп:

а) по геометрической форме сечения слитка: квадратные; прямоугольные; круглые; многогранные; плоские;

б) по массе слитка: мелкие - до 1,5 т; средние - (1,5 - 5,0) т;

крупные - (5,0 - 22,0) т; сверхкрупные - до 400 т;

в) по конструкции донной части: сквозные (без дна); глуходонные (для разливки сверху); глуходонные с отверстием в дне для сифонной разливки;

г) по способу утепления верха слитка: без утепления; с утепленным верхом, составляющим одно целое с изложницей; со съемными прибыльными надставками.

Изложницы, применяемые для отливки слитков, предназначенных для прокатки, делают обычно квадратного или прямоугольного сечения. Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения - на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления бандажей, труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок. [8]

Прямоугольные изложницы имеют разнообразную форму внутренних граней: прямые, вогнутые внутрь изложницы и волнистые.

Вес слитка и форма изложниц для кипящей и спокойной стали зависит от мощности станов и от того, на каком обжимном стане прокатываются слитки: изложницы для блюминговых слитков имеют квадратное сечение, для слябинговых слитков - прямоугольноe. [10]

Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали - в слитки массой 0,5 - 7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей - в слитки до нескольких килограммов, для нужд тяжелого и энергетического машиностроения сталь разливают в слитки до 400 тонн. [11]

Сквозные изложницы применяют для разливки кипящих, полуспокойных и спокойных сталей. При этом изложницы, используемые для разливки кипящих и полуспокойных сталей, выполняются уширенными к низу, а спокойных сталей - уширенными к верху. [11]

Для получения слитков кипящей стали с уменьшенной головной обрезью в практике металлургического производства иногда используются бутылочные изложницы. В этих изложницах внутренняя полость головной части выполняется в виде усеченного конуса или пирамиды с основанием у тела слитка. Однако такие изложницы достаточно сложны в изготовлении и менее удобны в эксплуатации.

Глуходонные изложницы применяют обычно для разливки спокойной стали. Такие изложницы уширены к верху и имеют в дне отверстие для установки стальной пробки (при разливке сверху) или шамотного стаканчика (при разливке сифоном).

При разливке сверху сталь непосредственно из ковша поступает в изложницы, устанавливаемые на чугунных плитах - поддонах.

При сифонной разливке, основанной на принципе сообщающихся сосудов, сталью одновременно заполняют несколько изложниц. Жидкая сталь из ковша поступает в установленный на поддоне футерованный изнутри центровой литник, а из него по каналам поддона в изложницы снизу. Центровой литник и изложницы устанавливают на чугунной плите - поддоне.

После наполнения всех установленных на поддоне изложниц стопор (шиберный затвор) закрывают, и ковш транспортируют к следующему поддону и т. п.

Преимущества сифонной разливки перед разливкой стали сверху:

а) Поверхность слитка получается чистой, так как металл в изложницах поднимается плавно, без разбрызгивания;

б) можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц;

в) возможность регулирования скорости разливки стали в относительно большом интервале в зависимости от температуры и состава металла;

г) лучшая поверхность слитков и уменьшение в 2,5 - 4 раза затрат труда на зачистку слитков и прокатанных заготовок.

д) во время разливки можно следить за поведением поднимающеюся металла в изложнице и в соответствии с этим регулировать скорость разливки.

Недостатки сифонной разливки:

1) сложность и повышенная стоимость разливки, обусловленные расходом сифонного кирпича, установкой дополнительного оборудования и значительными затратами труда на сборку поддонов и центровых;

2) возможность потерь при прорывах металла через сифонные кирпичи;

3) необходимость нагрева металла в печи до более высокой температуры, чем при разливке сверху, так как он дополнительно охлаждается в каналах сифонного кирпича;

4) опасность загрязнения стали неметаллическими включениями в результате размывания сифонного кирпича.

Преимуществами разливки сверху являются:

1) более простая подготовка оборудования к разливке и меньшая стоимость разливки;

2) меньше опасность загрязнения стали неметаллическими включениями;

3) отсутствие расхода металла на литники;

4) температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.

Недостатки разливки стали сверху:

1) образование плен на поверхности нижней части слитков, что является следствием разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Застывшие на стенках изложницы и окисленные с поверхности брызги металла не растворяются в поднимающейся жидкой стали, образуя дефект поверхности - поверхность прокатанных заготовок приходится подвергать зачистке;

2) большая длительность разливки;

3) из-за большой длительности разливки снижается стойкость футеровки ковша и в связи с большим числом открываний и закрываний ухудшаются условия работы стопора или шиберного затвора.

Благодаря простоте и отсутствию потерь металла с литниками часто предпочитают разливку сверху. Несмотря на необходимость дополнительной зачистки поверхности проката, разливка сверху для рядовых марок является более экономичной, чем разливка сифоном. В то же время высококачественные в легированные стали, когда стремятся уменьшить потери дорогостоящего металла на зачистку и получить чистую поверхность слитка, разливают главным образом сифоном. Сифонной разливкой, как правило, получают также слитки массой менее 2,5 т. [12]

1.3 Нагрев слитков в печах перед обработкой металла давлением

Нагревательными печами называют печи, в которых осуществляется, нагрев металла перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой).[13] В качестве источника энергии используется электричество, мазут или природный газ. В зависимости от метода загрузки заготовок, печи бывают периодические (садочные) и непрерывные (проходные).

В периодические печи одновременно загружается определенное количество слитков, которые в процессе нагрева остаются неподвижными. За тем слитки выгружаются и отправляются на дальнейшую обработку. Их место занимает следующая партия. К такому типу относится камерные печи. В печах непрерывного цикла заготовки находятся в постоянном движении относительно источника теплоты. К данному типу относятся методическая и конвейерная печь.

В зависимости от особенностей конструкции камерные печи бывают следующих видов:

- вертикальная печь - заготовки в процессе нагрева, а также при загрузке и выгрузки находятся в вертикальном положении. Применяется при изготовлении узких и длинных изделий;

- колпаковая печь - изделия нагревается при помощи располагающегося над ними подвижного колпака. Данная конструкция используется для нагрева изделий листового проката;

- нагревательный колодец - печь периодического действия с вертикальной загрузкой и имеет сверху люк, через который загружаются заготовки, удерживаемые специальным устройством с механическим захватом. Нагрев ведут с четырёх сторон, что обеспечивает необходимую равномерность и производительность.

Особенности нагревательных колодцев:

- вертикальное расположением слитков, обеспечивающее ускоренный и равномерный нагрев металла и исключающим возможность смещения усадочной раковины;

- удобство транспортирования, загрузки и выгрузки металла.

В зависимости от используемого режима, камерные печи бывают с постоянной и изменяемой температурой. Печи с изменяемой температурой применяют, когда необходимо получить заданные свойства металла при помощи определенного температурного режима. Все заготовки должны пройти полный цикл нагрева и остывания, поэтому они загружаются и выгружаются одновременно. Печи с постоянной температурой работают на природном газе или мазуте и используются для одновременного нагрева нескольких заготовок, при этом загружать и выгружать их можно по отдельности.

В методической нагревательной печи заготовки находятся в постоянном движении относительно источника теплоты. Чтобы обеспечить равномерный процесс нагрева, и предотвратить образование механических напряжений в металле, заготовки последовательно проходят 3 зоны:

I. Методическая зона - первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой, осуществляется предварительный разогрев слитков до поступления в зону высоких температур (сварочную);

II. Зона сварки - осуществляется быстрое нагревание слитков до заданной температуры;

III. Томительная зона (зона выдержки) - происходит равномерное распределение тепловой энергии по заготовке, перед обработкой. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создаётся большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают на 30 - 50єС выше необходимой температуры нагрева металла. Такой режим нагрева необходим, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине.

В небольших слитках распределение тепловой энергии происходит моментально, зона томления не требуется.

К проходным печам постоянного действия относятся: толкательные печи, печи с шагающим и роликовым подом; с торцевым, сводовым, боковым отоплением, конвейерные печи. В таких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так и форсированный камерный режим. Применение проходных печей позволяет обеспечить более совершенный метод нагрева металла.

В толкательных печах, заготовки задаются и перемещаются в печи при помощи механизма- толкателя. Преимуществом толкательных печей является то, что проталкивание - наиболее простой и дешёвый метод транспортирования металла через печь. [15]

Печи с роликовым подом представляют собой совершенную конструкцию проходных печей с механизированным подом. Использование таких печей для высокотемпературного нагрева перед прокаткой несколько сдерживается недостаточной стойкостью роликов и большими потерями тепла с охлаждающей водой. [15]

Печи с шагающим подом нагрев металла происходит с трёх сторон. Кроме того, в печах с шагающим подом легко менять режим нагрева.

В конвейерных печах рабочее пространство проходит цепной конвейер, транспортирующий металл. Конвейерные печи имеют недостатки: значительный вынос тепла из рабочего пространства печи элементами цепей, в результате чего увеличивается удельный расход тепла; недостаточный прогрев металла в местах соприкосновения с цепью; недолговечность цепей. В чёрной металлургии эти печи применяют крайне редко. [15]

После печи слиток «дорабатывают» - проводят операции обжима и ковки.

Обжимные станы служат для обжатия слитков, подготовки их к последующей обработки давлением, в частности их последующей прокатки. Нагрев слитков перед прокаткой должен обеспечивать: а) пластичность металла и уменьшить сопротивление деформации, чтобы сократить случаи поломки прокатных валков и деталей стана; б) равномерный нагрев металла с тем, чтобы его температура по сечениям была по возможности одинаковой.

Ковка- это высокотемпературная обработка различных металлов, нагретых до ковочной температуры. Виды ковки: ковка на молотах (пневматических, паровых и гидравлических), свободная ковка( ручная, машинная), штамповка. При свободной ковке металл не ограничен совсем или же ограничен с одной стороны. При ручной ковке непосредственно на металл или на инструмент воздействуют кувалдой или молотом. [17] При проковке металл упрочняется, завариваются несплошности и размельчаются крупные кристаллы, структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение. Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании, например, гидравлических прессах.

Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном -- свободная ковка.

1.4 Технология получения и нагрева стальных слитков на ОАО «Русполимет»

На ОАО «Русполимет» (г. Кулебаки) используют метод разливки стали в изложницы.

В изложницу заливается жидкая сталь с температурой 15601580С, где она начинает затвердевать, и превращаться в слиток. Время выдержки слитка в изложнице обычно выбирается таким, чтобы произошло полное затвердевание слитка. При разливке стальных слитков массой 4,5 т время выдержки составляет 33,5 ч. Затем слиток извлекают из изложницы на воздух и помещают в термостат, чтобы он не охлаждался интенсивно на открытом воздухе. Термостат со слитком Р-4,5 транспортируют к нагревательной печи камерного типа, слиток вынимают из термостата и помещают в печь. В печи слиток выдерживают определенное время, чтобы нагреть его до температуры печи (около 1200 С) и выровнять температуру слитка по его сечению. Для слитка массой 4,5 т для нагрева и выравнивания температуры по сечению требуется несколько часов в нагревательной печи.

Изложница Р-4,5- это форма для разливки цилиндрических слитков постоянного по высоте радиуса. Изложница Р-4,5, изображенная на рисунке 1.1. имеет вид полого цилиндра с изменяющейся по высоте толщиной цилиндрической стенки. Внутренний радиус изложницы является неизменным по высоте, и равняется радиусу разливаемого слитка r₁ (без учета усадки слитка).

Рисунок 1.1- Изложница Р-4,5

Слиток Р-4,5, изображенный на рисунке 1.2 имеет следующие размеры: радиус слитка r₁ = 0,300 м; радиус прибыли r₂ = 0,280 м; высота слитка без прибыли Н₁ = 2,0 м; высота прибыли Н₂=0,09 м.

Рисунок 1.2- Слиток Р-4,5

В работе будут проведены расчеты для стали 20Х13 (0,2 % С, 13% хрома). Для слитка Р-4,5 наружный радиус изложницы линейно уменьшается по высоте от значения R R. R= 0,465 м; R= 0,431 м; Н = 2,3 м.

Сталь разливают в изложницу снизу (сифоном). Изложницу устанавливают на поддоне. Жидкая сталь из сталеразливочного ковша поступает в центровой литник и снизу плавно по сифонной проводке, без разбрызгивания наполняет изложницу.

Поддоны служат для установки сквозных изложниц при разливке сверху и изложниц с центровой при сифонной разливке. Поддон представляет собой литую чугунную плиту толщиной 100- 200 мм. Верхняя рабочая поверхность поддона должна быть гладкой; это обеспечивает плотное прилегание изложницы к поддону и предотвращает прорыв жидкого металла под изложницу.

Поддон, на котором стоит слиток в изложнице, при моделировании можно представить в виде сплошного цилиндра (материал - серый чугун) высотой = 0,115 м, и радиусом, равным внутреннему радиусу изложницы при z = 0. Для цилиндрической изложницы этот радиус равен r₁.

Термостат необходим для сохранения температуры слитка после извлечения его из изложницы. В термостате происходит выравнивание температуры поверхности слитка, и возможно некоторое повышение средней температуры поверхности слитка, при дальнейшем понижении температуры центральной части слитка.

Термостат представляет из себя прямоугольный короб с внутренними размерами 2,71,261,175 м, схема которого показана на рисунке 1.3. В термостат загружаются слитки (или один крупный слиток), извлеченные из изложницы.

Рисунок 1.3- Схема термостата

Основание термостата выложено из кирпича толщиной _к = 0,15 м, на этом основании установлен стальной ложемент, куда укладываются слитки, массой М_лож = 267 кг. Теплоизолированная крышка (колпак) термостата поднимается и опускается краном на основание термостата. Толщина тепловой изоляции крышки термостата составляет _из = 0,15 м, изоляцией является керамоволокно FIBERBLANKETS 128, плотность которой 16 кг/м³, теплопроводность- 0,06 Вт/(мК). Снаружи крышка термостата покрыта листовой сталью и покрашена серебристой краской.

До последнего времени термостаты не применялись. Раньше, слиток, извлеченный из изложницы, транспортировали на открытом воздухе к нагревательной печи. Лишь сейчас предложено использовать термостаты в производстве.

Слиток нагревается в печи камерного типа периодического действия с размерами рабочего пространства 250025001250 мм. Высота камеры загрузки печи 1600 мм, ширина и глубина - 3100 х 3300 мм. Высота подставки, на которую помещается слиток - 250 мм. В печь можно загружать слитки с до d= 969 мм 1 шт.в 1 ряд. При загрузке слитка, он «зажимается» двумя захватами манипулятора, чтобы предотвратить перемещение в печи.

Схема рабочего пространства нагревательной печи показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4- Схема нагревательной печи

Печь обогревается природным газом, температура в рабочем пространстве печи поддерживается автоматически на уровне t_печ = 1200 С. V_печ = 7,81 м³ - объем рабочего пространства печи; F_кл = 25 м² - площадь внутренней поверхности кладки печи.

Выводы по главе

В главе 1 описаны способы разливки стали как в России, так и за рубежом, приведена классификация и описание изложниц, применяемых для разливки сталей. Описаны способы разливки стали в изложницы и приведен их сравнительный анализ. Приведена классификация и описание нагревательных печей, методы обработки слитка после нагрева в печи.

Далее описан существующий технологический процесс на ОАО «Русполимет» приведены конструктивные особенности изложницы, слитка, термостата, нагревательной печи, проведен анализ существующего технологического процесса, обозначены проблемы, цели и пути усовершенствования существующего технологического процесса.

При существующей технологии затвердевания, охлаждения и нагрева крупных слитков в изложницах теряется большое количество теплоты жидкого металла, и при помещении слитка в печь требуется много времени (180 мин), чтобы произвести качественный нагрев слитка перед ковкой. Нерациональное распределение времени выдержки слитка в этапах «изложница - воздух - термостат - воздух - печь» является основной проблемой, на которую необходимо обратить внимание.

Потери на начальном этапе (в изложнице) влекут за собой потери на следующих этапах, а именно: нерациональное использование теплоты печи, повышаются денежные затраты на топливо, низкая производительность печи.

Разливка стали в изложницы, и ее затвердевание являются важнейшими этапами при получении качественного слитка.

Целью диссертационной работы является исследование и совершенствование процессов затвердевания, охлаждения и нагрева слитка марки стали 20Х13 (ГОСТ 4543), отливаемой в изложницу Р-4,5, минимизация вышеперечисленных потерь.

Задача - ускорение и оптимизация временных затрат для реализации процесса «затвердевание-охлаждение- нагрев слитка», как следствие- повышение производительности нагревательной печи, снижение затрат энергии на нагрев слитка.

Сокращение времени пребывания слитка в изложнице и извлечение его не полностью затвердевшего позволит значительно ускорить процесс нагрева слитка в печи и, тем самым, увеличить производительность печи.

Для выбора оптимального варианта временного промежутка затвердевания-охлаждения- нагрева слитка, необходимо проводить опытные исследования либо численно решать сложную систему дифференциальных уравнений для температурного поля цилиндрической изложницы, поддона и т.д. описать все периоды процесса.

Опытные исследования на реальном объекте проводить дорого, сложно, долго, и перебрать все возможные варианты опытным путем трудоемко.

Для решения обозначенной проблемы предложено разработать математическую модель процессов затвердевания, охлаждения и нагрева и написать численную программу для расчета, в которой необходимо посчитать температурное поле слитка, стенки изложницы, поддона, стенки термостата при соответствующих геометрических, физических, начальных и граничных условиях. После расчета необходимо выбрать оптимальный режим охлаждения- нагрева слитка. ГЛАВА

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛИТКА В ИЗЛОЖНИЦЕ, ТЕРМОСТАТЕ, ПЕЧИ И НА ВОЗДУХЕ

2.1 Математическая модель затвердевания слитка в изложнице

В изложницу заливается жидкая сталь. Происходит внешний теплообмен со стенкой изложницы, поддоном и окружающей средой, и внутренний теплообмен внутри стали, в результате чего жидкая сталь затвердевает и превращается в слиток.

Основной теплообмен происходит между боковой поверхностью слитка, стенкой изложницы и атмосферой. Часть теплоты Q переходит от донной поверхности слитка к поддону и далее в атмосферу, а также непосредственно от верхней части слитка (прибыли) в атмосферу через слой теплоизолирующей смеси.

- Определение эффективной теплоемкости и эффективной теплопроводности стали.

Процесс затвердевания слитка в изложнице рассчитывается на основе квазиравновесной теории затвердевания, разработанной во ВНИИМТ [19]. Теплообмен на поверхности слитка в изложнице рассчитывается по данным [20]. Теплофизические свойства стали необходимо определять по данным [21, 22, 23].

Уравнение нестационарной теплопроводности согласно квазиравновесной теории затвердевания:

(1)

где t - температурное поле слитка;

- время;

с, , - теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности металла, зависящие от температуры;

L - теплота затвердевания;

- доля твердой фазы:

= V_тв/V₀,

где V_тв - объем твердой фазы в элементарном объеме двухфазной зоны V₀.

Для жидкой фазы = 0, для полностью затвердевшей части слитка = 1 и для двухфазной зоны 0 < < 1.

Доля твердой фазы определяется только температурой t. Уравнение (1) запишется в виде:

(2)

где величина эффективной теплоемкости С_эф:

(3)

где с_ж и с_тв - теплоемкости жидкого и твердого металла;

t_с и t_л - температуры солидуса и ликвидуса.

Примем, что величина в интервале температур t_с < t < t_л линейно уменьшается от 1 до 0. В этом случае, уравнение для определения эффективной теплоемкости запишется в виде:

 (4)

где с - средняя теплоемкость металла в интервале температур t_с чt_л.

Качественная зависимость С_эф от температуры, описанная уравнениями (3) и (4), показана на рисунке 2.1. Реально, зависимость (t) в интервале температур t_с < t < t_л не является линейной. Это значит, что зависимость С_эф от температуры t имеет качественный вид, показанный на рисунке 2.1б.

Рисунок 2.1- Зависимость эффективной теплоемкости от температуры

В диссертационной работе для расчета величины С_эф используется выражение (4), так как при этом обеспечивается достаточная точность расчета процесса затвердевания слитка. Равновесное затвердевание происходит в интервале температур ликвидуса t_л и солидуса t_с, зависимость которых от концентрации углерода определяется формулами:

(5а)

(5б)

где С - концентрация углерода в стали, %.

Теплота затвердевания принята равной L= 272 кДж/кг.

Коэффициент теплопроводности стали задается в зависимости от температуры: = (t). В твердой фазе слитка при температуре t < t_с коэффициент теплопроводности равен молекулярному коэффициенту теплопроводности твердого металла, т. е. = _м(t). В жидкой фазе слитка при температуре t > t_л коэффициент теплопроводности равен эффективному коэффициенту теплопроводности жидкого металла, т. е. = _эф. В двухфазной зоне в диапазоне температур t_с < t < t_л коэффициент аппроксимируем (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Зависимость (t)

При аппроксимации вводится условная температура затвердевания t_з, значение которой лежит в диапазоне t_с < t_з < t_л. Температура t_з соответствует такому соотношению твердой и жидкой фаз в двухфазной зоне _з, при котором жидкая фаза не выливается из твердой фазы. Т. е. диапазоне температур t_з < t < t_л кристаллики твердой фазы “плавают” в жидкой фазе, а в диапазоне температур t_с < t < t_з жидкая фаза заключена в твердую фазу и движется вместе с ней. Примем, что доля твердой фазы _з, соответствующая температуре t_з, равна 50 %.

В расчетах процесса затвердевания коэффициент теплопроводности внутри слитка задается выражениями:

если ;

, если ;

если , (5б)

где _м(t) - зависимость молекулярного коэффициента теплопроводности от температуры;

t_з - средняя температура затвердевания стали;

_эф определяется выражением:

, (7)

где 1 поправочный коэффициент:

,

где - коэффициент температурного расширения жидкой стали;

g - ускорение свободного падения;

Pr - критерий Прандтля жидкой стали;

B - половина ширины жидкого ядра непрерывного слитка;

t - разность между максимальной температурой в жидком ядре слитка и температурой t_з;

- кинематическая вязкость жидкой стали.

Уравнение температурного поля слитка. Геометрические условия.

В изложницу Р-4,5, изображенной на рисунке 1.1 (глава 1), разливаются цилиндрические слитки постоянного по высоте радиуса. В рамках двухмерной задачи геометрические условия для слитка Р-4,5 задаются точно. Слиток Р-4,5 изображен на рисунке 1.2 (глава 1).

Так как слиток цилиндрический, решать задачу необходимо в цилиндрической системе координат в осях r, z, , где r - текущий радиус, отсчитанный от оси z, совпадающей с геометрической осью слитка; - полярный угол, от которого в данной постановке температурное поле слитка не зависит. Дифференциальное уравнение для температурного поля имеет вид:

(8)

где t = t(r, z, ) - нестационарное температурное поле слитка, изменяющееся по радиусу слитка и вдоль оси слитка;

С_эф, - описаны в п. 1.1.

Уравнение (8) решается численно для моментов времени > 0, где момент = 0 соответствует началу заполнения изложницы жидким металлом, для следующей области:

0 < z < Н();

0 < r < r₁, для 0 < z < H₁;

0 < r < r₂, для H₁ < z < H₂,

где Н() - высота металла в изложнице, которая изменяется в процессе заполнения изложницы жидкой сталью, а после этого остается постоянной. Пусть Н₁ - высота слитка без прибыли; Н₂ - высота прибыли;

r₁ - радиус слитка;

r₂ - радиус прибыли;

₁ - время наполнения изложницы до прибыли;

₂ - время наполнения прибыли ( ₁ и ₂ выбираются согласно технологической инструкции).

Величина Н() изменяется согласно выражений:

(10)

Н₁, Н₂, r₁, r_2, используемые в расчете для слитка Р-4,5, заданы в главе 1. ₁=400 с; ₂ = 120 с.

Уравнения температурного поля изложницы и поддона

Расчет температурного поля слитка проводится одновременно с расчетом температурного поля изложницы и поддона.

Затвердевающий слиток отдает теплоту в окружающую среду через стенку изложницы и через поддон.

Описание изложницы Р-4,5, а также принятые для расчета значения наружных радиусов изложницы R, R и полная высота изложницы Н приведены в главе 1.

Изменение наружного радиуса цилиндрической изложницы описывается выражением:

(12)

Дифференциальное уравнение, описывающее температурное поле цилиндрической изложницы, имеет вид:

 (13)

где t_и = t_и (r, z, ) - нестационарное температурное поле изложницы, изменяющееся по радиусу и высоте изложницы; ,

- плотность, теплоемкость и теплопроводность материала изложницы (серого чугуна) в зависимости от температуры.

Уравнение (13) решается численно для моментов времени > 0 в пространственной области:

0<z<H;

r₁<r<R(z).

Описание поддона, а также принятые для расчета значения высоты и радиуса приведены в главе 1.

Температурное поле поддона описывается дифференциальным уравнением:

(14)

где t_п= t_п (r, z, ) - нестационарное температурное поле поддона, изменяющееся по радиусу и высоте поддона;

, - плотность, теплоемкость и теплопроводность материала поддона (серого чугуна) в зависимости от температуры.

Уравнение (14) решается численно для моментов времени > 0 в пространственной области:

При численном расчете процесса затвердевания слитка дифференциальные уравнения температурного поля слитка (8), температурного поля изложницы (13), и температурного поля поддона (14) решаются одновременно с учетом граничных и начальных условий.

Начальные и граничные условия.

Рассмотрим граничные и начальные условия для слитка, изложницы и поддона.

При заполнении изложницы жидким металлом в течение времени ₁+₂ (₁ время заполнения изложницы до прибыли, ₂ время заполнения прибыли) на уровне мениска жидкого металла температура равна начальной температуре жидкого металла t₀. Для стали 20Х13 начальная t жидкого металла t₀ = 1565 С.

Граничное условие на мениске жидкого металла в процессе заполнения изложницы можно записать в виде:

t (r, z, ф) = t₀, 0 < r < r₁(z), 0<ф< ф₁+ф₂

z=H(ф) (15)

Начальное условие для изложницы записывается в виде:

(16)

где t_и0 - начальная температура предварительно разогретой изложницы перед заливкой в нее жидкого металла ( в расчете принималось t_и0 = 200 С).

Начальное условие для поддона записывается в виде:

(17)

где t_п0 - начальная температура предварительно разогретого поддона перед заливкой жидкого металла. B расчете t_п0 принята равной 200 С.

Температурное поле слитка симметрично относительно его геометрической оси, совпадающей с осью z, поэтому условие адиабатности на оси слитка по всей его высоте, включая прибыльную часть, имеет вид:

(18)

Рассмотрим граничные условия, описывающие теплообмен на поверхностях слитка, изложницы и поддона.

Для цилиндрического слитка и изложницы теплообмен между поверхностью слитка и внутренней поверхностью изложницы при 0 < z < Н₁ описывается граничными условиями II-ого рода:

(19)

где T_c - абсолютная температура поверхности слитка, К:

;

Т_и - температура внутренней поверхности изложницы:

.

Коэффициент - приведенный коэффициент радиационно-кондуктивного теплообмена между поверхностью стального слитка и внутренней поверхностью чугунной изложницы, который изменяется во времени потому, что происходит усадка слитка и образуется зазор между слитком и изложницей. Этот зазор заполняется воздухом и, чем больше величина зазора, тем меньше кондуктивный теплообмен. Через некоторое время (обычно через 10 мин после заливки стали в изложницу) кондуктивным теплообменом можно пренебречь по сравнению с теплообменом излучением [20], после чего коэффициент практически перестает изменяться. По опытным данным, приведенным в [20], зависимость можно описать выражением:

где время с момента заливки жидкой стали в изложницу, с.

На рисунке 2.3 показана графическая зависимость C_усл().

Рисунок 2.3- Зависимость коэффициента C_усл()

В уравнении (19) вместо постоянного радиуса r₁ нужно использовать переменный эквивалентный радиус r₁(z).

Условия теплообмена на боковой поверхности слитка в его прибыльной части при Н₁ < z < H₁ + H₂ с учетом утепления прибыли муллитокремнезёмистым материалом и теплоизолирующей смесью задаются в виде приближенного выражения:

(20)

где плотность теплового потока на поверхности слитка в прибыли равняется q_приб = 10000 Вт/м², т.е. намного меньше, чем на основной боковой поверхности слитка в изложнице.

Граничное условие [20] на поверхности мениска слитка в изложнице при z = Н() с учетом теплообмена с окружающей средой путем излучением и свободной конвекции:

(21)

где _м = 0,72 - степень черноты неокисленной стали [2];

Т_м - температура металла на мениске слитка в изложнице, К:

;

T_в, t_в - температура окружающего воздуха, К, С. Во всех расчетах приняты: t_в = 0 С; T_в = 273 К.

Теплообмен донной поверхности слитка с поддоном при z = 0 задается граничным условием III-ого рода:

(22)

где _сп - коэффициент теплоотдачи от слитка к поддону;

Можно принять _сп достаточно большим, чтобы условие (22) стало граничным условием I-го рода (в расчетах задается _сп = 100 Вт/(м²К));

- температура донной поверхности слитка;

- температура верхней поверхности поддона.

Уравнения (18) - (23) описывают граничные условия теплообмена для слитка.

Рассмотрим граничные условия теплообмена для изложницы.

Граничное условие на внутренней поверхности цилиндрической изложницы Р-4,5:

(23)

где зависимость C_усл() показана на рисунке 2.3.

Граничное условие на наружной боковой поверхности изложницы с учетом теплообмена с окружающей средой (воздухом) путем излучения и свободной конвекции:

(24)

где _и = 0,8 - степень черноты наружной поверхности изложницы;

k_ф2 - коэффициент формы, учитывающий отношение площадей наружной боковой поверхности исходной и эквивалентной изложниц;

- для цилиндрической изложницы Р-4,5 k_ф2 = 1; Т_в = 273 К;

температура наружной поверхности изложницы, К:

.

На торцевых поверхностях изложницы (нижней и верхней) задаются граничные условия адиабатности (тепловой поток отсутствует):

(25)

Уравнения (23) (25) описывают граничные условия на поверхностях изложницы.

Рассмотрим граничные условия теплообмена для поддона.

Граничное условие на верхней поверхности поддона, контактирующей с донной поверхностью слитка:

(26)

Граничное условие на нижней поверхности поддона, контактирующее с полом цеха:

(27)

где _пп - коэффициент теплоотдачи от пола к поддону;

Теоретически можно считать _пп достаточно большим, чтобы условие (27) стало граничным условием I-го рода. В расчетах задано: _пп = 100 Вт/(м²К); t_пол = 20 С- температура пола; - температура нижней поверхности поддона.

Граничное условие адиабатности в центре поддона и на его боковой поверхности:

(28)

Уравнения (26) - (28) описывают граничные условия на поверхностях поддона.

Чтобы на основе уравнений (18) - (28) рассчитать температурные поля слитка, изложницы и поддона, необходимо определить физические условия, т. е. описать теплофизические свойства стали и чугуна, из которого изготовлены изложница и поддон.

Теплофизические свойства стали и чугуна.

Теплофизические свойства материала изложницы и поддона (серого чугуна) для всех случаев задаются одинаково на основе данных [21, 22, 23].

Коэффициент теплопроводности изложницы и поддона (серого чугуна) в зависимости от температуры описывается выражением:

.

Теплоемкость изложницы и поддона ( серого чугуна) в зависимости от температуры описывается выражениями:

Плотность изложницы и поддона в зависимости от температуры описывается выражениями:

Для стали 20Х13 на основе данных [21, 22, 23] задаются следующие теплофизические свойства:

- коэффициент теплопроводности:

- теплоемкость стали 20Х13:

c(t) = 513, t < 200 C;

c(t) = 541, 200 < t < 300 C;

c(t) = 586, 300 < t < 400 C;

c(t) = 532, 400 < t < 500 C;

c(t) = 887, 500 < t < 600 C;

c(t) = 840, 600 < t < 700 C;

c(t) = 921, 700 < t < 800 C;

c(t) = 818, 800 < t < 900 C;

c(t) = 681, 900 < t < 1200 C;

c(t) = 678, t > 1200 C;

Для расчета эффективной теплоемкости стали 20Х13 по формуле (4) принимается:

- теплота затвердевания L = 272000 Дж/кг;

- температура солидус t_с = 1449 С;

- температура ликвидус t_с = 1512 С.

Плотность стали 20Х13 в расчетах принимается постоянной, соответствующей температуре жидкого металла 1565 С: = ₀ = 7220 кг/м³.

Если задать с_стали = сonst, соответствующей начальной температуре жидкого металла, не учитывать усадку стали, и при численном расчете, когда пространственная сетка остается постоянной (не изменяются шаги по пространственным координатам), расчет получается более точным, чем если бы учитывалась зависимость плотности от температуры. Если учитывать зависимость с(t), то тогда нужно учитывать изменение пространственных шагов при изменении температуры слитка.

2.2 Математическая модель охлаждения слитка на воздухе

После того, как слиток извлечен из изложницы, начинается процесс его охлаждения на воздухе, температура поверхности слитка резко понижается. Охлаждение на воздухе происходит вследствие излучения и свободного конвективного теплообмена. Теплота слитка передается непосредственно атмосфере (воздуху).

Температурное поле слитка описывается уравнением (8):

(29)

где теплофизические свойства стали в зависимости от температуры описаны в п. 1.5.

Геометрические условия для слитка описаны в п. 2.2.

Начальное условие для решения уравнения (29) - температурное поле слитка на выходе из изложницы:

.

Граничные условия при охлаждении слитка на воздухе:

условие тепловой симметрии в центре слитка:

(30)

граничное условие на боковой поверхности слитка:

(31)

где _м = 0,72 - степень черноты поверхности неокисленной стали;

k_ф1 1 - коэффициент формы слитка. Для цилиндрических слитков k_ф1=1;

Т_в = 273 К - температура окружающего воздуха;

T_c - абсолютная температура поверхности слитка:

, К.

- граничные условия на торцах слитка:

(32)

(33)

где Т_д - температура поверхности донной части слитка, К;

Т_м - температура поверхности мениска слитка, К.

Температуры поверхности донной части слитка и мениска слитка определяются:

;

.

Температурное поле слитка на воздухе с момента выхода слитка из изложницы и до момента помещения слитка в термостат (для времен _изл < < _изл + _возд1, где _возд1 - время, проведенное слитком на воздухе после изложницы), а также с момента выхода слитка из термостата и до момента помещения слитка в печь (для времен _изл + _возд1 +_терм < < _изл + _возд1 +_терм + _возд2 , где _терм - время проведенное в термостате, _возд2 - время, проведенное слитком на воздухе после термостата) рассчитывается на основе уравнений (29) - (33). Начальное условие при расчете охлаждения слитка после термостата - температурное поле слитка на выходе из термостата.

2.3 Математическая модель охлаждения слитка в термостате

Схема термостата приведена на рисунке 1.3 (глава 1). Описание термостата, его конструктивные особенности и другие параметры также приведены в главе 1.

В термостате выравнивается температура поверхности слитка, происходит некоторое повышение средней температуры поверхности слитка, при дальнейшем понижении температуры его центральной части.

Слиток обменивается теплотой с внутренней поверхностью стенок крышки термостата и стальным ложементом, стальной ложемент обменивается теплотой со стенками крышки термостата, с наружной поверхности стенки крышки термостата теплота рассеивается в атмосферу.

...