Введение к работе
Актуальность_2Ерблешл Технико-экономические,качественные и щиальные показатели производства бесшовных труб и, в первую оче->дь,ответственного сортамента (для нефтяной и газовой цромыпиен->сти) в решающей степени определяются способом изготовления трубке заготовок и их качеством.
К началу 70-х годов стало ясно,что градационная технология из->товления трубных заготовок,основанная на использовании слитков, литых в изложницы, требует коренного изменения. Такой вопрос воз-!к и на Руставском металлургическом заводе .производящем бесшовные >убы широкого размерного и марочного сортаментов.
Нами в 1965г. были начаты исследования по разработке техноло-:и производства трубных заготовок с использованием процесса непре-івной разливки стали. На пути реализации указанной идеи требовалось іказать принципиальную возможность использования непрерывнолитых готовок для производства бесшовных труб ответственного назначения, ло в том,что в очаге деформации прошивного стана возникает слож-е напряженное состояние,которое может привести к внутренним дефек-м на трубе.
Требовалось также перейти от вертикальных МШІЗ к ранее неизвест-м машинам радиального типа .которые можно вписать в действующие це-.имеодие ограниченную высоту до подкрановых путей.Для реализации 313 радиального типа требовалось ретатъ конструктивные и техноло-ческие вопросы,имеющие значение для всей металлургии,поскольку дальнейшем такие машины получили широкое развитие.
Среди металлургических проблем следует выделить разливку больше-узных плавок на блшовые заготовки с минимально возможным коли-зтвом ручьев (порядка 50 т/ручей), а также оценить влияние асиммет-
рий процесса затвердевания радиального слитка на качество проката и труб.
К началу этой работы в мировой практике не было аналогов по промышленному производству бесаовншс труб из заготовок,отлитых на ШЛЗ радиального типа.
Цель работы. Создание впервые в отечественной практике новог класса МШЇЗ радиального типа и комплексной технологии' производств трубных заготовок для изготовления бесшовных труб ответственного назначвния.Создаяиэ современной концепции проекта реконструкции и изводства трубных заготовок на Руставском металлургическом заводе позволяющего производить бесшовных трубы из круглой непрернвнолиі заготовки, то есть с исключением из производственного цикла аерех ла трубозаготовочного стана и с короткой схемой производства: СЩ-ІШЗ-ТПА (сталеплавильный цех- машина непрерывного литья -трубопрокатный агрегат).
Научная новизна. Разработаны и прошли промышленную проверь основные технологические закономерности производства непрерьівнолі тых трубных заготовок для изготовления бесшовных труб ответствен! го назначения широкого марочного и размерного сортамента.
Разработаны и подтверждены на практике принципы выбора коне тивяых параметров основних технологических узлов многоручьевых № для отливки блкыоЕЫх и трубных заготовок из стали, выплавленной з большегрузных печах.
Разработан новый виброимпульсныи способ воздействия на проц< кристаллизации непрерывного слитка, обеспечивающий существенное : шение технологической пластичности трубных заготовок при их црош ке.Разработан принцип защиты металла в процессе непрерывной разлі
ки. 1:;' ''- '
Разрабоганы'56сновные закономерности технологии высокотемпе] 4
урного упрочнения (ВтаО) бесшовных труб в линиях трубопрокатных сгановок с автоматическими станами,обеспечивающих характеристи-и ударной вязкости (при -100С), превышающие мировой уровень.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Исполь-ование результатов теоретических и экспериментальных исследований .озволило:
применить их при производстве трубных заготовок и труб на уставском металлургическом заводе;
использовать при создании новых радиальных ШЛЗ для производ-тва сортовых и трубных заготовок на УЇЛЗ, ОЭМК, QXMK.KMK;
использовать их в качестве базовых при разработке технологий роизводства непрерывнолитых трубных заготовок на радиальных ШЛЗ ЭЖ.ОХЖ и КДК (практически на всех отечественных МШІЗ);
создать современную концепцию проекта реконструкции производ-тва трубных заготовок и бесшовных труб отечественного назначения короткой технологической схемой производства на Руставском метал-ургическом заводе.
^52^Ш35_Е^* Диссертация представляет собой итог экспери-ентальных и теоретических исследований,проведенных лично автором, также выполненных под его руководством л при непосредственном частий,результаты которых изложены в моиографиях,статьях и изобре-зниях.
Материалы работы доложены и обсуждены на международных симпо-иумах (в ЮгослаЕии.Термании.СПЙ.,Индии), Всесоюзных,республиканских отраслевых научно-технических конференциях, совещаниях, с еглинарах.
Проведение экспериментов,промышленных испытаний и внедрение заработок осуществлял в содружестве с. сотрудниками ЩИИчермета ,и И.П.Бардина,УкрШймета, ШИТИ,. ДоНЖкермета.Грузинского техни-
ческого университета, ШЕТ АН Грузии, ПКБ электрогидравлики АН Украины.
Публикации: Содержание работы опубликовано в 138 печатных трудах - двух монографиях, 59 статьях и 77 изобретениях. Лицензии на изобретения а.с. 820061, 820062, 788533 приобретены металлургическими концернами Нигерии, а.о. I23237I - Германией.
На Руставском металлургическом заводе проводились исследования с целью установленияцринцкпиальной возможности использования непре-рывнолитого металла для производства труб на трубопрокатных агрегатах с автоматическим станом. По принятой на заводе технологии было прокатано несколько партий непрерывнолитых заготовок из стали марок 10,20,35, полученных от Новотульского металлургического завода, в трубы размером 73x5, 219x8-12 и 325x8-15 мм. Из заготовок прямоугольного сечения размером 270x310 мм получены круглые заготовки диаметром 110-200 мм. Затем они были прокатаны в трубы на трубопрокатных агрегатах 140 и 400. Круглые непрерывнолитые заготовки диаметром 270 и 325 прокатаны непосредственно на агрегате 400 и из них получены трубы размерами 219x8-12, 270x15 и 325x8-12 мм.
По мере совершенствования технологии непрерывной разливки от разливки открытой струей, до разливки под уровень с синтетическими ишаками, заметно улучшилось качество поверхности и внутреннего строения заготовки, что существенно отразилось и на качественных показателях готовых труб. Самые низкие качественные показатели получены на заготовках разлитых открытой струей. Доля брака готовых труб составляла 15-16$. Разливка под уровень с синтетическими пша-
ками снизила долю брака до 5-7$. Качество труб из полой заготовки оказалось весьма низким.Основной причиной низкого качества труб явились наружные и внутренние плены.
Анализ качества груб подтвердил склонность нецрерывнолитого металла к трещинообразовашго.в результате чего в каждой партии полученных труб наблюдался высокий процент второго сорта и брака.
На этом этапе наиболее важной народнохозяйственной задачей явилось создание и отработка технологии получения нецрерывнолитой трубной заготовки,а затем производство из нее труб. Для этого было необходимо:
разработать и внедрить оптимальные технологические параметры процессов выплавки,раскисления трубной стали,предназначенной для МЮІЗ.решить вопрос охлаждения нецрерывнолитой заготовки.
исследовать процесс деформации разгиба и обжатия нецрерывнолитой заготовки в правильно-тянущем устройстве радиальной МНЛЗ и установить степень влияния на него отдельных технологических факторов, /становить влияние условий формирования оболочки нецрерывнолитой заготовки и деформации в правильно-тянущем устройстве на качество металла;
отработать режим деформации нецрерывнолитого металла на тру-5озагоговочном стане 900/750x3;
изучить возможность улучшения качества поверхности непрернвно-штой заготовки;
определить особенности и различия непрерывнолитого металла )т металла традиционной технологии в структуре .химическом составе [ механических свойствах;
установить принципиальную возможность использования металла адиальной МЕВГЗ для производства труб и наладить их промышленное-роизводство.
Таким образом.задача использования нецрерывнолитого металла для производства труб выявила ряд дополнительных принципиальных технологических особенностей,без исследований которых получение качественных бесшовных труб,отвечающих по своим свойствам требованиям современных стандартов,не представлялось возможным.
Разработанная и внедренная технология непрерывной разливки трубных марок стали широкого сортамента на ?«ШЗ огкрияа ноше перспективы дальнейшего ее промышленного внедрения в отечественной ме таллургии.Вместе с тем изучение качества заготовок и готовых труб выявила следующие направления исследований,которые могут обеспечит заданные',все возрастающие,потребительские свойства бесшовных труб, это:
получение жидкой стали определенного химического состава с обоснованным содержанием неметаллических включений и газов»
повышение качества поверхностных слоев непрерывной заготовки повышение дисперсности макроструктуры нецрерывнолитого метал ла .
В связи с этим стало актуальным: разработка и внедрение при оритетных способов интенсификации процессов ковшевой металлургии на основе инжекционной обработки стали через шиберный затЕор;внед-рение в производство результатов исследований новых,не изученных ранее,эффективных методов физического воздействия на Формирование заготовки;совершенствование технологии окончательного передела.оп-ределящего потребительские свойства бесшовных труб.
ВЫБОР ТИПА РАДИАЛЬНОЙ МШІЗ В цехе, оборудованном 8-ю мартеновскими печами с массой плавкз 200 т, расстояние до подкрановых путей ограничено.Вместе с тем относительно неглубокое залегание грунтовых вод препятсвовало проведению существенных земляных работ в случае сооружения вертикально!
НЛЗ с заглублением.
Из условий нагрева заготовок перед прокаткой на трубозагото-ючном стане, с учетом производительности стана и длины раскатных голей была выбрана заготовка прямоугольного сечения 220x280 мм; ери этом определено,что установка должна быть четнрехручьевой.что абочая скорость 0,8-м/мин позволяет разлить плавку в технологичес-и приемлемое время.
Учитывая жесткие требования к качеству продукции {трубы, в ом числе нефтяного сортамента), было принято необходимым иметь ус-ановку радиального типа с разгибом слитка после полного затверде-ания при минимально возможной степени его деформации.Необходимость акого решения усугублялось относительно высокой массовой долей се-ы в готовом металла, так как в мартеновском цехе в указанный гори-д отсутствовали средства внепечной обработки. К тому же ранее проеденными исследованиями бнло установлено,что повышенное содержание еры в металле в наибольшей степени способствует снижению трещино-стойчивости литых заготовок (рисЛ).
Исходя из толщины заготовки и принятых скоростей разливки, а акяе специфических условий цеха базовый радиус установки был прият величиной 8,0 м.что составляет 36,3 толщины заготовки, при этом эталлургическая длина машины составила 15,0 м.
Установленное соотношение базового радиуса установки и толщины аготовки подверглось в дальнейшем незначительной корректировке при ооруяении сортовых МНЯЗ на Узбекском метзаводе.Орскс-Халиловском Кузнецком металлургических комбинатах, Оскольском злектрометал-ігргичесном комбинате, где базовый радиус был принят равным 40 тол-інам отливаемой заготовки.
Таким образом,расчитанное и принятое соотношение при сооруже-га Куставской МШІЗ явилось основой при создании современных промнш-
ленных высокопроизводительных машин радиального типа.
Установленная металлургическая длина не могла полностью исклю чить попадание жидкой фазы слитка в тянущую клеть,а такая ситуация возможна при увеличении скорости разливки,повышении температуры ме талла,снижении интенсивности вторичного охлавдения.Следовательно, потребовалось разработать тянущую клеть специальной конструкции, обеспечивающей минимальные значения деформации при воздействии вал ков на неполностью затвердевшую заготовку (рис.2).
Проведенные' нами исследования показали однозначную зависимое меяду степенью деформации заготовки, содержанием серн в металле, развитием трещин и "ликвационных полосок".
Результаты проведенных работ определили устойчивую тенденцию к снижению содержания серы при подготовке металла к непрерывной та ливке.Это наамо наиболее полное воплощение при отливке заготовок и качественных сталей.
Первым звеном в этой технологической цепи являлась выплавка трубной стали. Важнейшими вопросами при разработке технологии выпл ки трубной стали для ее последующей разливки на МШІЗ являются: а) десульфурацдя металла, б) режим окисления углерода, в) раскислє ниє.
Содержание серы в металле оказывает определяющее влияние на развитие трещин в литых заготовках прямоугольного,квадратного и круглого сечений. Интенсификация металлургического процесса с целі существенного снижения серы ведет к потере производительности CTS леплавильных агрегатов,поэтому в ранних исследованиях стремились установить конечное содержание серы.дающее возможность получать кг
* 10 5
Стиль **5
Серя, %
0,02 0,03 0.04 С Е Р fl, -
Рис.1. Влияние серы на пораженность заготовки внутренними трещинами после деформации в правильно-тянущем устройстве: I - 3,0-4, 2 - 0,5-1,5$
СТАЛЬ *t5
е „ І 20
ї:
\
/ / /
\
Скорость ряілийки, м/ми»
Рис.2. Влияние скорости разливки на пораженность заготовок
внутренними трещинами после деформации в правильно-тянущем устройстве: I - 3,0-4,5$; 2 - 0,5-1,5/?
качественную продукцию. Экспериментально определен о,что повышен» основности щлака до 3,05. линейно увеличивает коэффициент распред ния серы до 9,2 (рис.3). Более высокий расход извести повышает основность,но не улучшает распределение серы между шлаком и мета лом.При повышении расхода извести и увеличении количества шлака происходит снижение скорости выгорания углерода,ухудшается теплоотдача от шлака к металлу,возрастает расход топлива,увеличиваете, время плавки.
На ряде заводов раскисление спокойной стали.предназначенной для непрерывной разливки,производят с применением силикокальция (3,0-3,5 кг/т) и алюминия (не более 300 г/т). Такой способ раски ления продиктован необходимостью предотвращения затягивания кана лов разливочных стаканов в промежуточных ковшах.Однако пн не обе пачивает стабильных результатов по качеству отливаемого металла вследствие образования пузырей в поверхностном слое заготовок.
В ходе исследовательских работ было подтверждено.что эф$ек тивность раскисления зависит от содержания алюминия в металле.Дл стали 10 и 45 проведенные исследования показали.что подкорковые пузыри не наблюдаются при содержании кислотораатворимого алкмини 0,01055. Окончательное раскисление алюминием в количестве 1-1,2 к для стали 10 и 0,5-0,6 кг/т для стали 45 гарантирует содержание остаточного алкминия в металле 0,010$ (рис.4).
Разработаны оптимальные технологические параметры выплавки трубной стали в мартеновских печах,работающих скрап-рудным проце сом, применительно к непрерывной разливке на МЕШЗ радиального тип установлен режим десульфурации,позволяющий устойчиво получать конечное содержание серы в металле 0,030-0,035$',
установлены оптимальные значения скорости выгорания углеро в период чистого кипа - 0,25-0,35$ С в час, при которых отмечает 12
ся наиболее низкий средний индекс неметаллических включений в поверхностном слое литых заготовок и наиболее высокий средний выход труб I сорта;
определены параметры раскисления .дающие возможность ликвидировать-пузыри в поверхностном слое литых заготовок:окончательное раскисление алюминием в количестве 0,5-0,6 кг/т для стали 45 и 1,0-1,2 кг/т для стали 10.
Технология обработки металла твердыми пиакообразующими смесями.Сочетание продувки металла инертный газом с обработкой синтетическими шлаками, позволило решить задачу глубокой десульфурации с максимальным' удалением неметаллических включений.
Известные способы инжекции газа в металл - через пористые огнеупорные вставки в днище ковша,через ложный стопор,через футерованную фурму,опускаемую в мет&ял сверху.имеют ряд недостатков: отсутствие возможности продувки порошками,значительные капитальные затраты .материалоемкость и трудоемкость.Нами разработанная технология инжекционной обработки стали через шиберный затвор оказалась весьма эффективной и лишена этих недостатков.На Руставском металлурги- . ческом заводе сталь выпускают в 200-т кови с шамотной футеровкой, оборудованной шиберным разливочным устройством.
Технология обработки стали в ковше включает:продувку металла инертным газом,вдувание порошкообразных материалов в токе инертного газа и подачу твердых шлакообразующих смесей. Продувку инертным газом осуществляют через разливочное отверстие шиберного затвора (рис.5,6).
Для обеспечения высокой степени десульфурации и очищения стали от сульфидных,океисульфидных и оксидных включений .рафинировочные шаки должны характеризоваться высокой жидколодвижностъю, высо-
sis l
e-s
0 ).5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ОСНОВНОСТЬ, ^
Рис.3. Зависимость коэффициента распределения серы между шлак'' и металлом от основности шлака в мартеновском процессе
.120
)Ю
60 АО
25 50 ?5 100 125 150 175 СОДЕРЖИМ ШШДЯ.Л'Ш"1
"Ч 6 8 10 12 \
ЯЛНІМИНИ9,*-»-3
Рис.4. Влияние раскисленности стали 10 CD и стали 45 С2) на пораженность заготовок пузырями
_^-т-
Рис.5Схема установки для инжекционной обработки стали; 1-сталеразливочный ковш;2- шиберное устройство; 3-<5ункер с порошками и пневмонасос; 4-линия эжекций; 5-яиния взрыхления;6-электронный регулятор
Рис.б.Шяберно'е устройство для инжекционной обработки стали; 1-ковшевой стакан;2-сжалеразливочный ковш;3-неподвижная огнеупорная плита;4-подвижная огнеупорная штата; 5-разливочный канал; 6-игаюкционная трубка;7-стакан коллектор; 8-стальнне кольца
кими значениями поверхностного и межфазного с металлом натяжения и низкой работой адгезии.Этим свойствам наиболее полно удовлетворяют и широко применяются для десульфурации синтетические извест-ково-тлиноземистые- шлаки составов: .53-55$ СаО; 43-45$ AI2O3; 1-3% $t02; менее 1% - РеО.
Руставским метзаводом были разработаны составы твердых шлако-образувдихся смесей,в которых в качестве глиноземосодержащих материалов использовали отходы производства вторичного алкминия (отходы ПВА) и вулканический пиак. Смеси быстро расплавляются в ковше, обладают достаточной сульфидной емкостью и эффективно поглощают неметаллические включения.Наличие комплекса положительных свойств предопределило юс промышленное внедрение.
Результаты обработки металла зависят от тщательности выбора оптимального состава шлака и изменяются в зависимости от гарантированной точности содержания (СаО). Состав шлаков для условий внепеч-ной обработки твердой юлакообразукщей смесью можно менять, но с обязательным обеспечением следующим требований.
I.Металл должен быть глубоко раскислен и содержать достаточно высокие концентрации элементов раскислит елей, в частности алкминия. 2.Шлак должен быть жидким и гомогенным (табл.1).
Таблица I Разработанные составы ТІЮ для десульфурации стали в ковше
: , _ Компоненту %
Известь Отходы ІІЖ Вулканический Доломит Перлит
шлак обожженный
Состав шпаков после расплавления смеси
0,0
S.'ft
Химический состав, %
ЯЇгРз W яйд Щ №г9+Кг0
0,3-0,6 2,6-5,1 1,2-1,7 0,4-0,8 4,2-4,3 2,4-3,6 0.6-0,9 1,4-1,6 1,6-1,8
Физико-химические характеристики пшаков
Температура пл., С
Краевой угол контакта с$аз, град.
Поверхност- Межйазное Адгезия,
нее натяже* натяжение, mttw/m2
ниє, ВДе/м2 ВДк/мё №/1Г
ІІ80-ІІ90 270-800 ІІ85-ІІ90 730-735 ІГ80-ІІ85 710-730
Для реализации всего, комплекса десульфурируюцих свойств разработанных шгакообразующих смесей потребовались исследования гидродинамики процесса и математическое моделирование продувки металла газами с учетом двухфазной зоны. Из теоретической гидродинамики следует, что движение в жидкой ванне должно подчиняться уравнениям:
I. Уравнению неразрывности
3. Уравнению движения в аксиальном направлении
(I)
D-гГ <2>
3. Уравнению движения в радиальном направлении
(3)
где \Ji (/г. - составляющие скорости,
О - плотность среды, Р -давление среды, р - объемная сила, U. - турбулентная вязкость,
Получены закономерности
})=;% (\/с>р,^Р) , (4)
Решения задачи гидродинамики продувки металла газами позволили установить структуру поля скоростей во всех зонах цнркулящл найти застойные зоны для соответствующих параметров инжекционной обработки в условиях Руставского металлургического завода. При зі коэффициент распределения серы мекду адюминато-кальциевыми шлакам и сталью может быть увеличен на два порядка (рис.7).
Технология инжекционной обработки стали через шиберный затї предусматривает несколько вариантов (табл.2).
Таблица 2 Режимы дэсульфурацшг стали в ковше
Технологические параметры
В
(сравнительн
Продолжительность продувки,мин.
Расход: азота, мЗ/г
порошка,кг/т (75$ известь,2Ъ% плавиковый шпат)
сплава кремний-кальций алюминий, кг/г
ТИС, кг/т
1,0 1,3 1,0 -
8 7,8 - 8
10і
35 40 «5 50 55 60 СШРКЯНИЕ СзО, X
Рис.7. Изменение коэффициента распределения серы между алкминато-кальциевнми шлаками и сталью при инкек-вдонной обработке: 1-содержание алюминия 0,05%; 2-0,025^; 3-0,005^
стяпь Ш
стят> 45
:50
6А 53
П 60
РЕЖИМЫ
г с
Рис.8.Степень десульфурации стали 20 и стали 45 при различных режимах обработки
В результате инфекционной обработки содержание серы в готовой стали снижено в среднем до. 0,014-0,015$ при степени десульфурации 58-69$. Однако в случае необходимости технология обработки позволяет и более глубокую десульфурацию - до 0,004-0,005$ (Рис.8).
Одним из факторов получения необходимых свойств готового прока та является строго регламентированное содержание углерода в металле. Поэтому в процессе продувки металла инертными газами через шиферный затвор введена технология науглероживания стали порошкообразными углесодержащими материалами: использовали графит,молотый кокс а угольную пыль (фракция до 1,5 мм). Внедрение технологии корректировки содержания углерода в стали путем инжекции графита в струе азота через шиберный затвор обеспечило исключение перевода ст ли в другую марку.
Продувка жидкой стали в ковше азотом через разливочное отвер-ствие шиберного затвора и обработка расплава шлаками обеспечили необходимую десульфурации,выравнивание химического состава и температуры металла в ковше, снизили содержание оксидных неметаллических включений.
Теоретические выкладки и практические расчеты указывают на необходимость выполнения прежде всего температурного и скоростного режима разливки,от которых зависит стабильность работы МШІЗ (рис.9,К
Дня этой же цели потребовалось пересмотреть сущестовавшее ранее положение о расчете диаметра дозирующего канала стакана для сте ли.раскисленной ашдадтем.Установлено.что для стали марок 10-45,прі 'уточненном коэффициенте "А" расчетные диаметры канала стаканов необходимо увеличить на 25$.
Злігші» стяшоа
о so
о -о
і ts
Некрмш сгапоюв
«о
«M-I5JJ І5Ч0ЇН» ІИ5-ВИ
I52J-W3S l5W-ttSt в5Г-ВЄ5
Темпеширя, *с
Рис .9. Влияние температуры металла в промежуточном ковше на стабильность процесса разливки:1-сталь 10; 2 - сталь 45
Сирость разливки. м/«им.
Рис.10. Стабильность райоты МНЯЗ от скорости разливки и содержания серы: I- 0.02&S ; 2- 0,03? S .
Применение стаканов указанных диаметров обеспечило требуемую стабильность процесса разливки. Прожигания имели место практически только при пониженной температуре металла.
Одним из основных технологических мероприятий.реализованных в ходе разработки технологии непрерывной разливки трубной, стали,раскисленной алшинием,явилась защита металла от вторичного окисления на участке: промежуточный ковш - кристаллизатор,а несколько позднее на участке,сталеразливочный ковш - промежуточный ковш.Были разработаны .исследованы и внедрены методы и средства защиты (огнеупорные защитные трубы и погружные стаканы.шлахообразувдие смеси,способы ввода инертного газа). Защита металла в настоящее время производится практически на всех МШІЗ.
На основании проведенных исследований для промышленного внедрения была принята шлаксобразуодая смесь.состоящая из 80$ графита и 20$ криолита, эта смесь создавала на рабочих стенках кристаллизатора более толстый шлаковый гарнисаж.чем при использовании графита, благодаря чему пораженность непрэрывнолитых заготовок наружными тр цинаш резко снизилась (угловых-в 1,5 раза, продольных и попереч-ных-в 3 и 15 раз). Однако к концу разливки плавок стали с содержат ем более ,0,01$ остаточного алилиния наблюдалось недопустимое загусте ваше слоя жидкого шлака на зеркале металла.Имели место прорывы на 1-2$ плавок. Кроме того,использование в составе шлакообразующей смеси 20$ криолита (Jfe^AIFg) ухудшает экологическую обстановку в цехе.
Для устранения отмеченных недостатков разработана новая,современная защитная шлакообразувдая смесь на плавленой основе с пониже* выы до 20$ содержанием углерода и пониженным до 5$ содержанием фто. Применение указанной шлакообразующей смеси позволило снизить количество аварийных простоев до 0,5$,а перевод труб во второй сорт до 2-3$ (табл.3), 22
Составы защитных шлаковых покрытий в промежуточном ковше от- " личались от составов,используемых в кристаллизаторе.Это обусловлено различными технологическими функциями, в частности, в промазку точном ковше шлаковое покрытие нерасходуемое. Его состав изменяется по ходу разливки за счет ассимиляции всплывающих неметаллических включений.
Таблица 3
Защитные ШОС для промежуточного ковша и кристаллизатора
Объем за- ' Количество готовых чистки за-! труб, %
готовок,?
Зид смеси
I сорт ! брак
Рекомендованные составы шлаков для защиты металла в прсмежу-очном ковше, % по массе: С SA & % && №л** Ь>
5 72 0,2 - ' 13 10'
В результате исследований установили необходимость удаления з состава защитных шлакообразувдих смесей для промежуточного ков-а поверхностно-активных соединений фтора. Это требуется не только позиции экологии.но и для устранения затягивания защитного покры-вгя в кристаллизаторе вместе с разливаемым металлом. Эти защитные
покрытия обладают высокими теплоизолирующими Характеристиками и эффективно удерживают всплывающие неметаллические включения, а сами не затягивается в кристаллизатор;их целесообразно использовать и при отливке трубных заготовок круглого сечения.
Для установления оптимальных режимов вторичного охлаждения с целью получения высокого качества литого металла требуется углублеї нов изучение теплотехники кристаллизирующегося слитка.
Сделать это только экспериментальным путем пока не представляется возможным. Это объясняется тем.что эмпирические формулы и номограммы, полученные на основании результатов обработки экспериментальных данных.пригодны для анализа исследованных условий и могут быть распространены лишь на идентичные случаи. Кроме того, в условиях непрерывной разливки существувдие средства измерения не могут обеспечить получение всех необходимых данных по температурам и тепловым потокам в объеме кристаллизирукщкхся слитков всевозможных сеченжй.Решение данного вопроса требует привлечения точных математі ческих методов исследования.
Для существенного снижения термических напряжений необходимо выполнение следу пцих условий: а) равномерность распределений температур по периметру слитка.б) эквидистантность распределения температур в продольном сечении оболочки, в) прямолинейность температурных кривых у поверхности оболочки.
Для отыскания требуемых условий формирования слитка использовалась методика ЦНИИчермета. В основу этой методики были положены математические уравнения,описывающие процесс затвердевания слитка с учетом двухфазной зоны:
I.Уравнение теплопроводности.
^=<*л ^fb ' (5) где ^=/|i^2Vb
2.Уравнение баланса примеси
3.Уравнение линии ликвидус диаграммы состояния
= M-oL,C- , (7)
здесь "г - температура, t -время, aL -температуропроводность, -теплота кристаллизации,^-теплоемкость сплава,м- температура кристаллизации чистого компонента, С -концентрация примеси (углерода), с(, - наклон линии ликвидус, -коэффициент расцреде- ления, S-сечение жидкой фазы в данной точке двухфазной зоны.
Вне двухфазной зоны т=г^- — О- С8)
V С
Решение этой системы уравнений дает уравнение теплопроводное-
(9)
,2к-1
-температура ликвидуса сплава.
Для отыскания функции ( * \) 2 ) необходимо задать начальную температуру жидкого металла и изменение температуры на поверхности слитка, в зависимости от времени.
Для численного решения уравнения теплопроводности была составлена разностная схема. При расчете конец двухфазной зоны выбирался так,чтобы соответствующее ему сечение жидкой фазы составляло 5%. Программа расчета кристаллизации прямоугольного слитка составлена применительно к ЭВМ. Температура поверхности слитка в конце его затвердевания принималась не ниже 950С. Последнее необходимо для
снижения осевой пористости.
где
Равномерность распределения температур по периметру непрерыв-нолитой заготовки исклкиает повышение или понижение температуры углов по отношению к температуре поверхности середины его граней. В пределах кристаллизатора затвердевшая оболочка относительно тонка и пластична. Поэтому даже большей, перепад температур в продольном сечении корочки не приведет к возникновению заметных термических напряжений.Если в зоне вторичного охлаждения слиток охладить так, чтобы производные температур по времени во всех точках продольного сечения оставлялись одинаковыми,то новых термических напряжений в фс мируищейся оболочке не появится.В идеале такой режим охлаждения неосуществим,однако приблизиться в определенной степени к нему можно. Требование приблизительной прямолинейности кривых распределения температур в продольном сечении оболочки вблизи ее наружной поверхности означает отсутствие ее разотрева или охлаждения.В резуль тате расчетов были найдены теплотехнические характеристики кристаллизующегося слитка при минимальных термических напряжениях (рис.11). Анализ полученных кривых показывает,что для обеспечения равномерности распределения температуры по периметру слитка необходимо,чтобы тепловой поток от максимума в средине грани изменялся до минимума на его углах.В соответствии с расчетами была разработана консгруї идя разводки для распределения вода по граням слитка.Окончательно расход вода уточнялся по качеству получаемого литого металла. В часі ности показано,что увеличение интенсивности вторичного охлаждения приводит к большей пораженности литых заготовок внутренними трещинг ми и ликвационными полосками.Аналогичная зависимость прослеживается для наружных трещин на литых заготовках (рис.12).Указанные дефекты повыщют вероятность образования трещин,волосовин и плен на трубах, что существенно снижает выход труб первого сорта. 26
Thee]
gnats
op цаг ом о,об 0,0% W лМ
о.о со: о.оі соб 0.01 цюли
Рис.II. Распределение температур и тепловых потоков в сечешш непрерывнолитой загоговки
D.U t-W 150 ЇМ 0.70 1U
i/iutmia pocrtf цін m инртт юиоцеіаиа, л/я- г—*
Ряс,12. Влияние интенсивности вторичного охлаадения на пораженяость литого металла внутренними трещинами и ликвационными полосками
Разработаны основные параметры технологии непрерывной разливки трубной стали из 200-т ковшей на четырехручьевой радиальной МНЛЗ, позволяющие стабильно вести процесс непрерывной разливки и получать качественные литые трубные заготовки;
температура металла в печи перед раскислением:
для сталей 10 и 20 - 1655-1665
для сталей 35,45 Д - 1640-1650 скорость разливки 0,8 м/мин;
применение в промежуточных ковшах стаканов с диаметром отвергая на 25/2 больше расчетного.
интенсивность вторичного охлаждения 0,2-0,3 я/кг стали.
Разработаны высокоэффективные и экологически чистые вдакооб-разувдие смеси на гшавленой основе для защиты металла от вторичного окисления.
Установлена закономерность теплового потока от слитка,при которой обеспечивается равномерная температура по его периметру;
эквидистантное и прямолинейное распределение температур в продольном сечении кристаллизующейся оболочки.Разработан режим вторич-28
ного охлаждения,обеспечивающий высокое качество поверхности и внутреннего строения трубной заготовки. Предложенное решение задачи о вторичном охлаждении непрерывнолигой заготовки явилось прототипом вторичного охлаждения ныне действующих промышленных МНЛЗ на ОХМК, КМК.УМЗ.ОЭМК.
РАЗРАБОТКА. ТЕХНОЛОГИИ 'НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОВИБРОИШУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Макроструктура непрерывнолитых заготовок характеризуется степенью развития осевой ликвации,осевой пористости,трещин и-ликвацион-ных полосок. Варьируя технологические параметры разливки,можно добиться существенного улучшения качества макроструктуры заготовок. Однако часть внутренних дефектов и грубой дендритной структуры остается и переходит в прокат, снижая его качество.Это вызвало необходимость применения различных физических методов воздействия на формирование структуры непрерывнолитых заготовок.В настоящее время при непрерывной разливке находит промышленное применение способ электромагнитного перемешивания расплава.Однако при множестве типов электромагнитного перемешивания нет ясности в выборе рациональных параметров в зависимости от марки стали, температурнс-скорост-ных режимов непрерывной разливки.
На Руставсксм металлургическом заводе разработан новый метод физического воздействия,основанный на использовании высоковольтного электрического разряда в -жидкости - электровиброимлулъсное воздействие на затвердеваищую заготовку. Электроразрядные генераторы упругих колебаний.являющиеся рабочими органами,которые передают упругие колебания расплаву .относительно просты по конструкции, технологичны и без особых затруднений могут быть вмонтированы в действующие МНЛЗ (рис.13,14).
В результате исследований выявлены оптимальные режимы обработки, позволяющие эффективно управлять качеством внутренней структуры нецрерывнолитых заготовок.
Энергия в импульсе 80-150 кДж,' частота 5-Ю Гц, 3-5 уровней воздействия.
Установлено, что электровиброимпульсная обработка металла по оптимальным режимам снижает значения коэффициентов ликвации углерода, серы и фосфора по сечению слитка в два раза. Установлено снижение суммарного количества неметаллических включений в осевой зоне заготовок стали 45 в 1,5 раза. Аналогичные данные получены и по содержанию кислорода.
Созданная установка электровиброимпульсной обработки стали ("Неон") не имеет аналогов в практике использования физических методов воздействия на металл в промышленных условиях. В отличие от всех остальных известных способов воздействия на кристаллизирующийся металл высоковольтный импульсный разряд в жидкости характеризуется высокими энергетическими показателями. Применение электровиброимпульсно-го воздействия при непрерывной разливке стали обеспечило:
уменьшение протяженности жидкой фазы в отливаемой заготовке,
уплотнение осевой зоны заготовки,
получение по всему поперечному сечению непрерывнолитой заготовки однородной структуры неориентированных дендритов (рис.15, табл.4).
Рио. ІЗ. Схема МПЗ с системой элекгрогидроимцульсной обработки стали: I-кристаллизатор;2,3,4,5 - датчики упругих колебаний; 6-энергетическов оборудование; 7-правильно-тянущее устройство
Рис. 14.Датчики упругих колебаний:
1-непрерывнолитая заготовка; 2-мембрана; 3- электрод; 4- изолятор
60 120 «0 240 300
Рис.15. Влияние электровиброимцульсной обработки на скорость кристаллизации заготовки: 1-огштный металл; 2- контрольный
Таблица 4
Влияние электровиброимцульсной обработки на макроструктуру заготовок сечением 220x280 мм из стали 45
Трещины и полоски повышенной травим ости, балл
0-0,5
2,5-3,0
Технология электровиброимцульсной обработки предусматривает воздействие на металл по всей длине жидкой фазы заготовки и обработку плавки массой 200 т.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕПРЕРЫШСЖИТЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВ!. ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБ С ВЫСОКОТНШШТУРНОИ ТЕР-МОМЕХАНЖЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Улучшение- качества металла значительно повысило технологичность нецрерывнолитой заготовки,что позволило производить высокопрочные трубы из низко- и среднеуглеродисшх сталей взамен легированной .
Проведен комплекс исследований по разработке технологии упрочнения труб в линиях трубопрокатных установок с автоматическими стазами.В ходе исследований создавались опытно-промышленные образцы отдельных технологических узлов линии;моделировались процессы охлаждения труб, совмещенного с деформацией;подбирались экспериментально температурные режимы горячей,теплой деформации;проводились. исследования энергосиловых параметров .расчеты калибровок инструмента;опре-іелялись значения деформаций,количество клетей калибровочного ста-га;изучались структура,механические,технологические и эксплуатаци-іннне свойства труб. С 1987 г. на линии ВТМО и ТПА 140 Руставского іетзавода начато промышленное производство высокопрочных насосно-.омпрессорных труб из яепрерывяолитого металла.
Освоена технология ВТМО труб из низко- и среднеуглеродистых талей,низколегированных типа 36Г2, 38ГФ, 40ГТ. Использование-угле-одистой стали (углерод 0,20-0,35%, марганец 0,50-0,80 %) позволяет зтойчиво обеспечить механические свойства групп прочности Е,Л,М Р (ГОСТ 633-80). Характерно,что пластические свойства металла эуб во всех случаях существенно выше нормируемых этим стандартом гачений.
Исследования доказали,что металл труб всех групп прочности об-щает высокой хладостойкостью. Эти данные превышают показатели гонених труб фирмы "Ниппон Стих".
Результаты исследования качества нецрерывнолигого металла позволили вернуться к проблеме использования круглых заготовок непосредственно для производства труб.
Разработана сквозная технология производства труб из непре-рывнолитых круглых заготовок сортамента ЭСЩ Руставметзавода.С нашим участием на Волжском трубном заводе были отлиты заготовки сечением 196 и 340 мм из сталей 20 и Д, переделанные Руставметзаво-дом в трубы диаметром 136x8-16 мм, 219x8-14 мм,'277x8-16 мм, ,345x8-16 мм, 377x8-16 мм. Переделу подверглась большая партия труб массой более 1500 т (табл.5).
Исследования показали высокую стабильность процесса производства бесшовных труб из непрернвнолитых круглых заготовок.хорошее качество макроструктуры и высокий уровень механических свойств. Эти результаты позволили-пересмотреть ранее выданное техническое задание на реконструкцию нашего завода и принять новую короткую сх му производства, исключающую необходимость обжатий'на трубозагото-вочном стане 900/750. Б этом случае усовершенствованная технология значительно спкращаег технологический цикл, который включает в себя производство круглой заготовки на радиальной МІЇЛЗ и производств труб на трубопрокатных агрегатах с автоматическим станом.Такая тех нология обеспечила минимальный расход металла на тонну готовых тру сквозной расходный коэффициент при этом составил 1,163-1,165 против 1,261-1,365 для производства труб из катаной нецрерывнолитой з готовки. Количество бракованных труб при этом сокращено в 10 раз (табл.6)
Таблица 5
Схема производства трубных заготовок и труб
Традиционная технология
;яая технология
Новая технология iS2BS2SSSS22aB-
Транспортировка вТПЦ
Нагрев и прокатка на станах 140 и 400
ВТМО
Отделка
Выплавка стали Выпуск стали
Подготовка и подача составов в пролет
Отливка слитков массой 8 т
Транспортировка и стринперование
Подача,посадка и награв слитков
Подача и прокат на стане 1000
Подача и прокат на стане 900/750
Порезка на мерные длины Транспортировка в ТЭД
Нагрев и прокатка на станах 140 и 400
Отделка
Печь - ковш
Выплавка стали
Выпуск стали.инжек-ционная обработка
Подготовка МНЛЗ
Подготовка ШЛЗ
Отливка на МННЗ цря- Отливки на МНЛЗ моугольных заготовок круглых заготовок
Подача и прокат на стане 900/750
Порезка на мерные длины
Транспортировка в
Нагрев и прокатка на станах 140 и 400
ВГМО
Отделка
Таблица 6
Структура расхода металла и качество труб РМЗ
стан 400
второй брак сорт !
Способ разливки
Расходные коэффициенты
стан 140
стан 900/750
отливка !стан г 1000
стан 400
сквозной
Качество труб, %
стан 140
второй ! брак
„сорт. I
Изложницы (8т слиток)
1,107
1,1485
МШІЗ (220x250мм)
1,045
1,068
1,109
(круг 200,340мм)
1,050
1,108
1,163
выводы
I.Впервые в отечественной практике разработала технология и организовано промышленное производство бесшовных труб ответственного назначения из заготовок прямоугольного сечения,отлитых на первой в СССР 4-ручьевой радиальной МШІЗ. Установлены технико-экономические и социальные преимущества нового технологического процесса.
2.Впервые в~отечественной металлургии разработана и внедрена в промышленное производство технология разливки большегрузных пла- вок на многоручьевых МШІЗ радиального типа (по 50 т на ручей).
Основные положения разработанной технологии применяют на введенных' в эксплуатацию в последующие годы радиальных многоручьевых МШІЗ (УМЗ.ОЭШ.КМК.ОХМК).
3.Разработаны принципы выбора конструкции основных технологических узлов, многоручьевых МНЯЗ радиального типа для отливки заготовок из стали, выплавленной в большегрузных печах,определяющие радиус технологической оси установки,тип многовалковой тянущей клети, протяженность зоны вторичного охлавдения,систему защиты струи металла из промковша в кристаллизатор. Эти принципы использованы при создании конструкций радиальных МШІЗ на металлургических заводах отрасли.
4.В представленной работе решена актуальная народно-хозяйственная задача - разработана,исследована и внедрена в производство оригинальная . высокоэффективная технология внепечной обработки стали,пригодная для широкого использования в действующих сталеплавильных цехах без их реконструкции.
Технология отличается предельной простотой .универсальностью и надежностью, обеспечивает рафинирование металла по сере-.неметалли-ческим включениям,гомогенизацию стали по химическому составу и тем-
ратуре. Степень протекания процессов не уступает лучшим отечественным и зарубежным аналогам при существенно меньших затратах. В ходе выполнения работы проведены гидродинамические расчеты истечения газов в жидкий металл, создана математическая модель и представлены расчеты энергии перемешивания стали,теоретически обоснова.-но преимущество донной продувки перед продувкой через погружаемую фурму. В результате обработки улучшена макроструктура стали,снижено содержание серы,кислорода,оксидов и оксисульфидных включений.
5.Впервые в мировой практике разработана технология злектро-виброимпульсной обработки затвердевшего слитка в процессе разливки плавки,обеспечивающая высокую технологическую пластичность металла осевой зоны на трубозагоговочном стана.
6.Разработаны составы и принципы производства экологически чистых шлакообразующих смесей для защиты стали в промежуточных ковшах и кристаллизаторах,обеспечивающие стабильность процесса разливки,бездефектную поверхность трубных заготовок.
7.Разработана ж внедрена в промышленное производство технология высокотемпературного упрочнения (ВШО) бесшовных "труб в линии трубопрокатных установок с автоматическими станами,обеспечивающая получение механических свойств металла на уровне мировых достижений.-
8.Разработана технология прямого передела на бесшовные трубы ответственного назначения круглых шпрерывнолитнх заготовок на ста -лей 10,20,35,45,32Г2,38ГТ,40ГТ.
9.На основании комплекса исследований обоснована современная концепция реконструкции сталеплавильного производства на РШ,включая подготовку жидкой стали к разливке,отливку на многоручьевых МШГЗ радиального типа заготовок круглого сечения,их прямой передел на бесшовные трубы ответственного назначения и ВТМО в процессе передела груб. 38
Ю.Внедрение технологии производства прямоугольных нецрернв-нолитых трубних заготовок на Руставском металлургическом заводе обеспечило экономический эффект в размере 150 млн.рублей.
Экономический эффект от внедрения линии ВТМО и получения высокопрочных труб принес народному хозяйству 30 млн.долларов.
Ожидаемый экономический эффект от внесения в TJI3 строительства ЭСЩ Руставского металлургического завода - исключение агломерационного, коксохимического,доменного производства,получение высококачественных труб непосредственно из круглой заготовки и высокоэффективная отделка - составит несколько миллиардов рублей.