Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления совершенствования технологии непрерывной разливки стали в условиях действующего производства 12
1.1. Анализ типичных дефектов слябов при непрерывном литье 13
1.2. Совершенствование использования промежуточного ковша 16
1.3. Модернизация погружных стаканов 24
1.4. Использование теплоизолирующих и шлакообразующих смесей 29
1.5. Совершенствование конструкции кристаллизатора и механизма его качания 31
1.6. Использование обжатия сляба с не полностью затвердевшей осевой зоной 36
1.7. Оптимизация системы вторичного охлаждения сляба 44
1.8. Выводы и задачи исследований 48
2. Разработка технологии рафинирования стали от неметаллических включений в промежуточном ковше и в кристаллизаторе УНРС 51
2.1. Особенности подготовки металла к разливке 52
2.2. Основные закономерности и уравнения состояния расплава 55
2.3. Физическое моделирование гидродинамики промежуточного ковша и кристаллизатора 58
2.4. Экспериментальные исследования потоков расплава и перемещения шлаковых включений в промежуточном ковше на гидравлическом стенде 64
2.4.1. Результаты экспериментального исследования гидродинамических процессов в промежуточном ковше емкостью 15 т на гидравлическом стенде 67
2.4.2. Результаты экспериментального исследования гидродинамических процессов в промежуточном ковше емкостью 50 т на гидравлическом стенде 80
2.5. Численное моделирование гидродинамики промежуточного ковша 88
2.6. Рекомендации для промышленных испытаний 15 т и 50 т промежуточного ковша УНРС 104
2.7. Физико-математическое моделирование гидродинамических процессов в кристаллизаторе 109
2.7.1. Результаты экспериментального исследования потоков расплава и перемещения примесных образований на гидравлическом стенде 112
2.7.2. Численное моделирование гидродинамических и тепловых процессов в кристаллизаторе 119
2.8. Рекомендации для промышленных испытаний погружных стаканов 127
Выводы по главе 137
3. Промышленные испытания разработанной технологии рафинирования металла в промежуточном ковше и в кристаллизаторе УНРС 139
3.1. Промышленные испытания промежуточного ковша в ЭСПЦ ОАО «Северсталь» 140
3.2. Промышленные испытания промежуточного ковша в ККЦ ОАО «Северсталь» 143
3.3. Испытание промежуточного ковша с туннельными вставками-вихрегасителями 155
3.4. Определение параметров конструкции промежуточных ковшей с перегородками 156
3.5. Промышленные испытания опытных погружных стаканов 158
3.6. Разработка теплоизолирующей смеси для защиты металла в промежуточном ковше 166
3.7. Разработка составов шлакообразующих смесей для отливки слябов толщиной 150,175 и 200 мм 169
Выводы по главе 174
4. Совершенствование технологии начальной стадии формирования сляба в кристаллизаторе 176
4.1. Теоретический анализ тепловой работы кристаллизатора 176
4.2. Оптимизация конструкции тонкостенного кристаллизатора с щелевыми каналами 187
4.3. Влияние износостойкого покрытия внутренних стенок кристаллизатора на его тепловую работу 193
4.4. Анализ и оптимизация формирования оболочки слитка вслябовом кристаллизаторе 199
4.4.1 .Модель усадки стали с учётом теплообмена и деформирования 200
4.4.2. Разработка оптимальной геометрии боковых стенок слябового кристаллизатора 205
4.5. Разработка оптимальных режимов качания кристаллизатора 209
4.5.1.Критерии стабильности процесса вытягивания слитка из кристаллизатора 210
4.5.2. Динамический анализ процесса качания кристаллизатора 215
4.5.3. Методика расчета оптимальных параметров закона качания кристаллизатора 219
Выводы по главе 224
5. Разработка технологии повышения качества осевой зоны сляба обжатием его в двухфазном состоянии 225
5.1. Теоретическая модель обжатия сляба с незатвердевшей сердцевиной 225
5.2. Методика расчета температурного состояния непрерывного слитка 227
5.3. Методика расчета обжатия слитка в роликах тянущей клети 237
5.4. Математическая модель разрушения кристаллизующихся металлических сплавов 245
5.5. Разработка алгоритма определения давлений и перемещений в парах роликов при «мягком обжатии» сляба 248
5.6. Расчет деформации непрерывнолитого сляба при заданном давлении обжатия 255
5.7. Разработка модели влияния формирующейся макроструктуры затвердевающего непрерывного слитка на образование дефектов осевой зоны сляба 263
5.7.1. Анализ тепловых процессов и установление зависимости размерных параметров дендритной структуры от режимов непрерывной разливки стали 263
5.7.2. Расчет параметров осевой химической неоднородности и осевой рыхлости сляба 265
Выводы по главе 268
6. Экспериментальное исследование технологии мягкого обжатия промышленных слябов 269
6.1. Методика проведения промышленного эксперимента 269
6.2. Измерения геометрии слябов, разлитых при промышленных испытаниях системы 271
6.3. Исследование макроструктуры опытных слябов 272
6.4. Зависимости деформации обжатия слябов от скорости вытягивания 278
6.5. Зависимость перемещения валков от величины давления в гидроцилиндрах тянущей клети 281
6.6. Зависимости перемещений валков от глубины жидкой фазы в слитке 282
6.7. Исследование обжатия сляба с жидкой сердцевиной при заданном значении датчиков перемещения 290
6.8. Статистический анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на осевую рыхлость и осевую химическую неоднородность 294
6.8.1. Осевая рыхлость 295
6.8.2. Осевая химическая неоднородность 299
6.9. Анализ эффективности влияния мягкого обжатия на параметры макроструктуры непрерывнолитого сляба 303
Выводы по главе 308
7. Разработка рациональной технологии вторичного охлаждения непрерывного сляба 310
7.1. Расчетно-экспериментальная методика определения характеристик теплоотдачи сляба при водовоздушном охлаждении 311
7.2. Адаптация расчетно-экспериментальной методики к условиям промышленной УНРС 316
7.3. Расчет охлаждения сляба и определение допустимых скоростей разливки 320
7.4. Влияние термоциклирования на качество поверхности сляба 328
Выводы по главе 338
8. Техническая и экономическая эффективность внедрения разработанных технологических решений 339
Основные результаты и выводы 342
Список использованных источников 348
Приложение 374
- Совершенствование конструкции кристаллизатора и механизма его качания
- Рекомендации для промышленных испытаний 15 т и 50 т промежуточного ковша УНРС
- Разработка теплоизолирующей смеси для защиты металла в промежуточном ковше
- Влияние износостойкого покрытия внутренних стенок кристаллизатора на его тепловую работу
Введение к работе
Основным направлением развития черной металлургии в современных условиях является повышение качества продукции, снижение себестоимости продукции, энергопотребления и экологической нагрузки на окружающую среду. На решение этих проблем существенное влияние оказывает развитие технологии непрерывной разливки стали. Технические достижения в этой области позволили производить широкий сортамент сталей повышенного качества. Однако, требования к качеству стальной продукции со стороны потребителей, в первую очередь к стальному листу, в последние годы значительно возросли. Это связано с появлением промышленного оборудования нового поколения, надежно работающего в более жестких условиях.
Так, для реализации принятой программы освоения новых месторождений нефти и газа, строительства новых и реконструкции существующих газо- и нефтепроводов необходимы трубы диаметром 1620 мм для работы под давлением 120 бар в условиях низких температур северных районов России. При этом требуется свести риск аварийного разрыва трубы к минимуму, так как авария таких трубопроводов приводит к значительному экологическому и экономическому ущербу. Для производства труб требуется лист с повышенными требованиями к макроструктуре и качеству поверхности.
Аналогичные высокие требования предъявляются к качеству листа для судостроения. Строительство буровых платформ для освоения шельфа северных морей и крупнотоннажных морских судов, в том числе нефтеналивных, требует лист повышенной прочности, ударной вязкости и свариваемости с однородностью свойств в Z направлении, что должно обеспечить надежность их эксплуатации и снизить риск морских аварий и катастроф.
Другой вид продукции с повышенным требованием к качеству металла - холоднокатаный лист для автомобилестроения. Для создания конкурентоспособного легкового автомобиля необходимо снизить вес несущего кузова и его элементов, повысить его коррозионную стойкость и улучшить внешний вид.
В то же время приходится признать, что используемые в настоящее время на металлургических заводах России УНРС не позволяют достигнуть требуемых показателей по качеству и сортаменту металла. В последние десятилетия наблюдается отставание отечественных разработок в области создания УНРС от мирового уровня. Это привело к тому, что российские металлургические заводы стремятся получить импортные УНРС, в том числе не самые современные. Такое положение недопустимо, так как оно консервирует техническое отставание, как отечественной черной металлургии, так и отечественного тяжелого машиностроения. Вышеуказанными обстоятельствами обусловлена актуальность темы диссертационной работы.
В настоящей работе представлены эффективные пути преодоления такого отставания и результаты многолетних комплексных наукоемких технологических разработок по узловой модернизации существующих машин непрерывной разливки стали, позволяющие вывести производство непрерывнолитых слябов на мировой уровень.
Целью работы и ее основным содержанием являлось создание технологии непрерывной разливки трубной стали, стали для судостроения и автостроения с улучшенной макроструктурой и высоким качеством поверхности; разработка необходимых для реализации новой технологии математических моделей протекания процессов формирования непрерывно литой заготовки, анализ которых позволил выработать новые конструкции основных элементов УНРС и алгоритмы их функционирования, обеспечивающие стабильно высокое качество получаемых слябов.
Работа включает в себя теоретические, расчетные, лабораторные и промышленные исследования, на основе которых разработан комплекс технологических и технических решений, позволивших создать путем реконструкции существующих слябовых УНРС принципиально новую отечественную УНРС, обеспечивающую высокую производительность ответственных марок сталей при существенном улучшении качества как внутренней структуры, так и поверхности слябов.
На защиту выносятся следующие основные результаты, обладающие научной новизной:
Методика и результаты физического и математического моделирования движения жидкой стали в промежуточном ковше и в кристаллизаторе с учетом содержащихся в расплаве неметаллических включений и разработка на их основе новых конструкций промковша и погружных стаканов, обеспечивающих эффективное рафинирование стали.
Методика подбора оптимального состава шлакообразующих смесей для защиты металла в промежуточных ковшах и в кристаллизаторах, а также конкретные новые композиции промышленных смесей.
3. Математическая модель и методика расчета формирования оболочки непрерывнолитого сляба в кристаллизаторе и разработка на их основе новой конструкции тонкостенного кристаллизатора с щелевыми каналами охлаждения, износостойким покрытием, переменной конусностью, оснащенного рессорным механизмом качания, для которого установлены оптимальные режимы качания, обеспечивающие стабильность процесса литья и высокое качество поверхности заготовки.
4. Методика и результаты физического и математического моделирования теплогидравлической работы системы вторичного водовоздушного охлаждения непрерывнолитой заготовки и разработка новой конструкции распыляющих форсунок, а также их оптимального расположения вдоль поверхности слябовой заготовки.
5. Анализ влияния цикличности изменения температуры поверхности заготовки в зоне вторичного охлаждения, а также состояния рабочей поверхности стенок кристаллизатора на качество поверхности сляба и разработка рациональных режимов мягкого водовоздушного охлаждения, предотвращающего развитие поверхностных дефектов.
6. Математическая модель и методика расчета температурного и деформированного состояния при обжатии заготовки с не полностью затвердевшей сердцевиной, обеспечивающие прогнозирование качества макроструктуры сляба.
7. Алгоритм осуществления мягкого обжатия сляба с помощью новой тянуще-обжимной клети в зависимости от скорости разливки и марочного и размерного сортамента слябов, гарантирующий устранение осевой рыхлости и осевой химической неоднородности,
8. Результаты промышленного внедрения и освоения новой технологии мягкого обжатия сляба и рекомендации по ее совершенствованию.
В работе предложены новые научно-обоснованные технологические решения, достоверность которых подтверждена использованием строгих физико-математических методов исследования и результатами лабораторных и промышленных экспериментов.
Работа выполнена в Центре непрерывной разливки стали ФГУП ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П.Бардина в соответствии с планами научно-технических и хоздоговорных работ с различными отечественными и зарубежными предприятиями и организациями. Результаты диссертационной работы докладывались на многих научно-технических конференциях и конгрессах сталеплавильщиков, опубликованы в научных журналах и трудах, наиболее важные результаты защищены патентами Российской Федерации.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в создании на основе полученных научных результатов новой УНРС мирового уровня на ОАО «Северсталь», показавшей высокую производительность и высокое качество отливаемых слябов. Разработанные технические и технологические решения обладают общностью и универсальностью и могут быть применимы для широкого класса УНРС как слябовых, так и блюмовых.
Содержание диссертационной работы представляет собой решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение для совершенствования технологии непрерывной разливки стали и конструкции УНРС, эффективного контроля и управления технологическим процессом литья, существенного повышения качества металлопродукции .
Совершенствование конструкции кристаллизатора и механизма его качания
Качество непрерывнолитого металла определяется отсутствием дефектов, которые делают невозможным его использование при дальнейшей металлообработке и получении продукции требуемого назначения.
Различают внутренние и поверхностные дефекты стальных слябов. Основными дефектами внутренней структуры сляба являются : экзогенные и эндогенные неметаллические включения, осевая рыхлость, осевая химическая неоднородность, кристаллизационные трещины (гнездообразные, ликвационные полоски, осевые).
Основными поверхностными дефектами сляба являются : следы качания кристаллизатора, поверхностные и приповерхностные экзогенные неметаллические включения и каверны, трещины (продольные, поперечные, паукообразные, сетчатые).
Образование части дефектов связано с нарушениями технологии, с нарушениями стабильности процесса непрерывного литья, с неполной подготовкой стали к разливке, с низким качеством огнеупоров, с неудовлетворительным техническим состоянием оборудования, с неточной настройкой роликового аппарата и его нестабильностью.
Указанные причины будем относить к проблемам технологической дисциплины, культуры производства и степени его автоматизации.
Однако большинство из перечисленных дефектов связано с недостаточной научной проработкой особенностей функционирования основных конструктивных элементов УНРС и недостаточным научным обоснованием организации и ведения всего технологического процесса непрерывного литья стали [21].
Существующие УНРС относятся к машинам предыдущего поколения и имеют изначальные конструктивные недостатки, не позволяющие получить стабильное качество слябов требуемых марок сталей.
Так дефекты, связанные с точечной неоднородностью и загрязненностью металла неметаллическими включениями вызваны нерациональной гидродинамикой подачи расплава через промежуточный ковш и далее через погружной стакан в кристаллизатор [11,16], а также использованием несоответствующих конкретным условиям разливки теплоизолирующей и шлакообразующей смесей и футеровки промковша.
Важнейшую роль в образовании поверхностных и подповерхностных трещин играет конструкция кристаллизатора и его тепловая работа, а также конструкция механизма качания кристаллизатора и назначенный режим качания. Так неправильно подобранная конусность внутренних стенок кристаллизатора приводит к нарушению тешюотвода от формирующейся оболочки слитка, истиранию поверхности стенок, неравномерному проникновению ШОС, что приводит к возникновению продольных и паукообразных трещин. К таким же негативным последствиям приводит неравномерность температуры стенок по периметру и длине кристаллизатора Неэффективная тепловая работа кристаллизатора приводит к значительному нагреву медных стенок и их разупрочнению, захвату частиц меди коркой слитка, которые становятся очагами зарождения паукообразных трещин. Использование рычажно-шарнирного механизма качания кристаллизатора с электромеханическим приводом из-за наличия неустранимых люфтов приводит к несовпадению траектории качания с направлением движения слитка, что создает поперечное деформирование оболочки слитка, вызывающее трещины на фронте кристаллизации, а также грубые следы качания, вдоль которых в дальнейшем развиваются поперечные трещины. Кроме того эксцентриковые механизмы качания не обеспечивают изменения частоты и амплитуды качания в необходимых пределах, что не позволяет повысить скорость вытягивания слитка без появления грубых следов качания и трещин как продольных, так и поперечных .
Наряду с кристаллизатором существенное влияние как на качество поверхности сляба, так и на внутреннюю макроструктуру оказывает правильная организация вторичного охлаждения с использованием водяных или водовоздушных форсунок. Отсутствие данных о теплогидравлических характеристиках форсунок и их нерациональное размещение вдоль движущегося сляба, а также необоснованное распределение расходов воды по зонам УНРС способствует возникновению кристаллизационных трещин в температурном интервале хрупкости стали, а на заключительной стадии затвердевания сляба, приводит к образованию мостов и как следствие к осевой несплошности, шнуровой ликвации и расслою. Циклическое изменение температуры поверхности сляба, связанное с дискретным расположением форсунок и наличием поддерживающих роликов при общем снижении температуры до температур ослабления межзеренных границ и твердофазных превращений стали приводит к образованию и распространению сетчатых трещин. При несогласованности скорости движения слитка и режима вторичного охлаждения возникает выпучивание и деформирование сляба поддерживающими роликами и валками тянущей клети, приводящие к внутренним гнездообразным трещинам и зональной ликвации.
Для снижения дефектов непрерывнолитой заготовки, связанных с неметаллическими включениями, необходимо совершенствовать технологию на всех участках производства стали: выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки. Одним из элементов УНРС, влияющим на конечное содержание неметаллических включений, является промежуточный ковш. Промежуточный ковш, изначально служивший распределительным устройством, по мере развития непрерывной разливки превратился в рафинировочный агрегат. Имеются сведения о значительном количестве вариантов рафинировочных устройств промежуточных ковшей, однако простой механический перенос их на другие ковши без учета их конструктивных особенностей приводит в ряде случаев не к уменьшению, а к увеличению неметаллических включений и повышенному износу футеровки промежуточного ковша.
Рекомендации для промышленных испытаний 15 т и 50 т промежуточного ковша УНРС
В технологическом процессе непрерывного литья стали кристаллизатору отведена одна из самых основных функций -формирование слитка требуемого сечения. Кристаллизатор должен обеспечивать необходимый теплоотвод от затвердевающей стали и получить на выходе из кристаллизатора прочную оболочку слитка с хорошей поверхностью, которая не разрушалась бы под действием тепла жидкой фазы и ферростатического давления, а также от взаимодействия с направляющим аппаратом зоны вторичного охлаждения.
Важнейшее значение для обеспечения хорошей работы кристаллизатора имеет выбор материала его рабочих стенок и организация эффективного их охлаждения. Материал стенок должен обладать высокой теплопроводностью, износоустойчивостью, сохранять стабильность механических свойств при высоких температурах и при этом не должен смачиваться жидкой сталью и оказывать вредное воздействие на поверхность заготовки в результате термомеханического взаимодействия с ней. Традиционным материалом для изготовления рабочих стенок кристаллизаторов является электролитическая медь, несмотря на то, что она далеко не полностью удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Так даже при наличии смазочного слоя ШОС наблюдается прилипание жидкой стали к медной поверхности и в ряде случаев зависание корки сляба. Низкая твердость меди приводит к повышенному износу ее рабочей поверхности в нижней части кристаллизатора и особенно узких стенок. При высоких скоростях разливки наблюдается разупрочнение меди вследствие собирательной рекристаллизации при повышении температуры.
Долгое время у нас в стране и за рубежом применяли сплав меди с серебром, который при незначительном снижении теплопроводности обладает более высокой прочностью и температурой разупрочнения. Однако из-за его дороговизны применение этого сплава сократилось, но и в настоящее время он применяется на УНРС ОАО «Северсталь». В последнее время более широко стали использовать сплавы меди с цирконием и хромом, а также дисперсно-твердеющие бронзы [37,136].
В настоящее время наиболее полно удовлетворяют всем требованиям кристаллизаторы из меди и ее сплавов с покрытием рабочих поверхностей тонким слоем другого металла более термопрочного и износостойкого и не оказывающего вредного воздействия на поверхность стального слитка. Наибольшее распространение получили гальванические покрытия хромом и никелем, позволившие увеличить стойкость стенок кристаллизатора на 30 - 45% [37]. Хромирование позволяет значительно поднять твердость рабочих поверхностей стенок кристаллизаторов, но для слябовых УНРС оно недостаточно эффективно. При малой толщине покрытия оно легко разрушается, а при большой толщине покрытия из-за значительной разницы коэффициентов теплового расширения меди и хрома, слой хрома может отслаиваться.
Никелевое покрытие дает хорошее сцепление с медью, но имеет более низкую износостойкость. Обычно никель наносят более толстым слоем. В некоторых случаях покрытие выполняют переменным по высоте кристаллизатора - боле тонким в районе мениска и толще в нижней части.
Большие перспективы имеют многослойные покрытия на основе никеля и хрома, а также однослойное покрытие на железо-никелевой основе при 4-10% Fe [144,154].
Важное значение как для стойкости плит кристаллизатора, так и для равномерности формирования оболочки слитка имеет отвод тепла с поверхности медных плит. В отечественной практике до последнего времени на слябовых УНРС применяются плиты исключительно со сверлеными каналами и петлевой системой циркуляции охлаждающей воды. На зарубежных УНРС используются кристаллизаторы с прямоугольными фрезерованными каналами в медных плитах со стороны стального корпуса и раздельным охлаждением каждой из четырех сторон [136]. При этом температура поверхности снижается, а ее распределение становится более равномерным по периметру. Повсеместно используются устройства для перемещения узких стенок кристаллизатора для оперативного изменения ширины отливаемых слябов без остановки УНРС.
Размеры внутренней полости кристаллизатора определяются с учетом усадки слитка при его кристаллизации. При этом действительная геометрия стенок зависит не только от марки стали, но и от термомеханических процессов взаимодействия оболочки слитка с поверхностью стенок. Обычно используемый постоянный уклон как узких, так и широких стенок не позволяет получить хорошее качество поверхности сляба при повышенных скоростях разливки.
Для стабильного формирования оболочки слитка необходим равномерный отбор тепла по периметру оболочки и монотонный по ее длине. При резких изменениях передачи тепла от корки слитка к стенкам кристаллизатора в результате потери контакта между слитком и кристаллизатором, а затем повторном контакте, изменяется характер затвердевания и усадки слитка, что приводит к возникновению дефектов в корке слитка. По этой причине ряд фирм рекомендуют обеспечивать параболическую конусность стенок кристаллизатора, чтобы улучшить контакт по всей внутренней поверхности. Однако при этом не должны возникать значительные силы трения при вытягивании слитка.
Одной из передовых разработок фирмы VAI является кристаллизатор с регулируемой с помощью гидравлики шириной и конусностью «Гидровам» [109], обеспечивающий большую точность регулирования по сравнению с электромеханическими системами. Использование системы «Гидровам», установленной на шести различных УНРС дало следующие результаты: сокращение затрат на профилактический уход на 90% ; увеличение службы узких сторон кристаллизатора на 100% (возможно на 230%) ; увеличение скорости регулирования до 50 мм/мин на каждой стороне при максимальной скорости разливки 1,55 м/мин ; увеличение производительности и выхода годного.
Необходимым условием стабильности процесса непрерывного литья стали является возвратно-поступательное движение кристаллизатора с определенной частотой и амплитудой. При этом используются различные законы движения кристаллизатора, но непременным условием всегда остается наличие участка пути в каждом цикле качания, где кристаллизатор движется с большей скоростью, чем слиток — так называемое время опережения. Особенно актуальной проблема оптимизации конструкции механизма и режима качания кристаллизатора становится с увеличением скорости литья и расширением марочного состава сталей.
Разработка теплоизолирующей смеси для защиты металла в промежуточном ковше
Впервые водовоздуншое охлаждение было установлено в декабре 1980 г. на заводе Оита фирмы «Син Ниппон сэйтэцу» с целью повышения температуры поверхности слябов на выходе из УНРС и снижения количества поверхностных трещин. Система обеспечивала охлаждение водовоздушным туманом с помощью специальной форсунки, из которой под давлением на поверхность сляба подается водовоздушная эмульсия [166]. При охлаждении водовоздушным туманом расходуется примерно вдвое меньше охлаждающей воды, чем при водяном форсуночном охлаждении. Амплитуда колебаний температуры поверхности слитка при водяном охлаждении составляет около 150 С, а при охлаждении водовоздушном туманом не более 80 С.
В настоящее время на современных УНРС системы водовоздушного охлаждения используются повсеместно. По принципу образования водовоздушной смеси различают три группы устройств : 1) с внешним смешением компонент в момент образования водовоздушного факела, 2) с внутренним смешением компонент в момент образования водовоздушного факела, 3) устройства, в которых предварительно создается водовоздушная эмульсия, которая затем распыляется через форсунки. Конструкции последнего типа получили наибольшее распространение.
Известны комбинированные системы вторичного охлаждения: секции под кристаллизатором содержат обычное водяное форсуночное охлаждение; остальная часть зоны вторичного охлаждения оснащена системой водовоздушного охлаждения. Применение водяного охлаждения в верхней зоне обусловлено относительно малыми шагами между роликами, вследствие чего теряются преимущества водовоздушного факела. Кроме того, при водяных форсунках улучшаются условия охлаждения роликов, которые на этом участке не имеют внутреннего охлаждения [37].
В Европе наибольших достижений в совершенствовании системы вторичного охлаждения добилась фирма VAI [110], которая разработала совместную систему мягкого обжатия SMART и динамического вторичного охлаждения DYNACS. Оптимизированное качество продукции достигается автоматическим подстраиванием раствора роликов и сил обжатия, а также соответствующего режима охлаждения по секциям при изменении скорости разливки, толщины и ширины сляба, марки стали, обеспечивая высокую производительность УНРС.
Первой УНРС в Европе, в конструкции которой в полной мере реализованы разработки фирмы VAI, явилась введенная в эксплуатацию в декабре 1997 г. установка фирмы «Rautarauki Steel» (Финляндия) [136]. Максимальная скорость разливки 1,8 м/мин ( толщина сляба 210 мм ). Емкость промежуточного ковша 28 т, длина роликовой проводки 29,26 м.
Устройства «DYNCOOL» и «SMART» управляют в реальном времени процессами вторичного охлаждения и мягкого обжатия отливаемой заготовки соответственно. Динамические данные о технологическом процессе обеспечивает система управления «DAMATIC», которая соединена с заводской системой управления и базой данных.
Однако опыт использования системы «DYNCOOL» на УНРС ККЦ ОАО «Северсталь» показал ограниченность ее возможностей по маркам сталей.
Оптимизация режима вторичного охлаждения связана с использованием той или иной закономерности теплообмена в ходе движения слитка вдоль УНРС и прежде всего определяется достоверным знанием распределения коэффициента теплоотдачи. Плотность орошения в факеле форсунки, значение которой рассматривается как главный критерий коэффициента теплоотдачи, изменяется в большой степени. Кроме того, действие любой форсунки ограничивается экранирующим влиянием роликов. В этих условиях можно говорить лишь о средней интенсивности теплоотвода для данной зоны охлаждения, функционально зависящей от характера изменения локальных коэффициентов теплоотдачи в площади орошения форсунки, а также от количества и расположения форсунок в зоне.
Как показывают результаты экспериментальных исследований [155] в области воздействия факела форсунки плотность орошения и коэффициент теплоотдачи зависят от конструкции форсунки, давления охлаждающей среды, расстояния от форсунки до поверхности, расстояния от геометрического центра факела до его периферии и практически не зависит от температуры поверхности в диапазоне 800 -1100 С.
Функциональную зависимость локального коэффициента теплоотдачи от плотности орошения водовоздушной форсунки получают на основании экспериментальных исследований на специальных испытательных стендах, так как только они позволяют изучить влияние параметров водовоздушной смеси и конструкции самой форсунки, а также ее геометрического расположения на условия теплообмена.
Особенно важно располагать такими функциональными зависимостями при использовании двухрядного расположения форсунок и в случаях переходных режимов разливки, связанных с изменением скорости движения слитка или связанных с изменением ширины сляба, чтобы не допускать его чрезмерного разогрева или переохлаждения, влияющих на качество продукции.
Было также установлено, что разогрев оборудования самой УНРС влияет на тепловое состояние слитка и должен быть учтен при назначении режима вторичного охлаждения [184].
Важное значение имеет оснащение УНРС средствами автоматического измерения параметров процесса охлаждения и исполнительными устройствами управления процессом, а также разработка программного обеспечения для компьютеров, обрабатывающих информацию о температурном состоянии слитка и управляющих динамической системой вторичного охлаждения.
Влияние износостойкого покрытия внутренних стенок кристаллизатора на его тепловую работу
Анализ скоростей конвективных потоков без учета перегородок, полученных на гидромодели, и расчетных скоростей всплывания примесных образований показывает, что при среднем времени смещения включений от поступающей струи металла до торцевой стенки от 45 до 80 с, включения диаметром 150 мкм требуют от 35 до 180 с времени для подъема с глубины 350-400 мм (зона максимальных скоростей) в ламинарном потоке и 18-25 с в турбулентном потоке. Для включений 500мкм это время составляет только 4-12 с (в обоих режимах движения гидропотока), 100 мкм включения требуют минимального времени всплывания с этой глубины более 90 с.
Таким образом, самостоятельно всплыть с глубины 350-400мм без влияния гидропотоков могут практически только включения более 150-200 мкм в турбулентном потоке и более 250-300мкм в ламинарном потоке.
Если учесть, что скорости нисходящих гидропотоков близки к скоростям всплывания включений, то в этих условиях значительная часть твердых примесных образований размером 400-500 мкм с большой степенью вероятности может попасть в зону влияния сливных (в кристаллизаторы УНРС) стаканов. Существенную роль во всплывании посторонних включений, в том числе и менее 150 мкм, могут сыграть перегородки (стенки), донная продувка инертными газами и ряд других мер.
Во всех случаях важную роль играет усвояемость всплывающих включений шлаковым покровом мениска промковша, а также создание такой гидродинамики жидкой ванны которая исключала бы затягивание с мениска отдельных шлаковых включений и увеличивала вероятность всплывания других примесных образований, вносимых потоками расплава из основного ковша.
На рис.2.3-2.7 представлены характерные результаты, проведенных на гидромодели исследований гидродинамики и массопереноса примесных образования в жидкой ванне промежуточного ковша с полнопрофильными перегородками, имеющими в нижней части перепускные отверстия или щель, а также дополнительные устройства с тоннельными вставками и перегородками-отбойниками.
Материалы исследования представлены в виде схем распространения гидропотоков и эпюр скоростей в центральном вертикальном сечении промковша - (а) и на поверхности расплава в нем - (б). Цифры у эпюр скоростей соответствуют скоростям расплава из защитной трубы: 1-1,1 м/с; 2-0,38 м/с и 3-0,1 м/с.
На каждом из рисунков приведены данные моделирования влияния различных скоростей разливки (вытягивания заготовок) и углов наклона перепускных отверстий (щели) к горизонту вверх на разницу уровней между центральным и разливочным отсеками промковша, на высоту валика (волны) в разливочном отсеке и степень улавливания включений (примесных образований).
Как следует из представленных результатов в ряде случаев образуется область оголенного мениска. Эти области пропадают при применении тоннельных вставок в донной части центрального отсека с равным расположением последних вдоль центральной оси промежуточного ковша от защитной трубы. Общая длина вставок по данным гидромоделирования должна находиться в пределах 1,2-1,5 м при плавно расширяющихся частях, образованными ими тоннеля длиной 0.3-0,4 м (с обеих сторон). Применение вставок позволяет уменьшить придонные скорости гидропотоков и тем самым снизить гидродинамический напор на перегородки в районе перепускных отверстий.
Как было установлено при моделировании 15-ти т ковша - оптимальное число перепускных отверстий 5 (или одна горизонтальная щель) с расположением оси нижнего ряда перепускных отверстий (или щели) от нижней кромки перегородки в пределах 0,10-0,15 м. Положение перегородок определяется размерами (длиной) промежуточного ковша, размерами разливочных отсеков, скоростью разливки. В свою очередь положение перегородок определяет угол наклона перепускных отверстий (щели).
Так для перегородок, расположенных на расстоянии 1,55м с углом наклона пяти перепускных отверстий 30 вверх основные параметры разливки в центральном отсеке характеризуются: наличием интенсивной циркуляции гидропотоков в районе разливочной трубы (в радиусе 0,5-0,7м) со средними скоростями поднимающихся потоков от 0,07 м/с для скорости вытягивания заготовок 0,2 м/мин сечением 250x500 мм; до 0,5 м/с для скорости вытягивания заготовок 1,2 м/мин сечением 200x1000 мм; наличием на мениске зон свободных от шлакового покрова и вихреобразных конусов, образующихся вблизи защитной трубы и имеющих скорость вращения от 0,3 до 1,5 м/с (в зависимости от скорости истечения расплава из защитной трубы), что интенсифицирует перемешивание жидкой ванны со шлаковым покровом; наличие зоны максимальных скоростей в донной части жидкой ванны. Для реперных точек 4 и 5 центральной плоскости в зависимости от скорости вытягивания заготовок (истечение струи) в пределах 0,011 0,038 м/с. Основные параметры разливки в разливочном отсеке характеризуются; скоростью истечения расплава из перепускных отверстий нижнего ряда для скоростей истечения жидкого металла из защитной трубы 0,1; 0,38 и 1,1 м/с на уровне 0,04; 0,11; 0,32 м/с. Для верхнего ряда эти скорости на 15-20% ниже; оптимальным наклоном перепускных отверстий около 30. Снижение степени улавливания примесных образований (включений) размером 200-500 мкм при изменении скорости вытягивания заготовок от 0,4 до 0,7 м/мин не превышает 10%;
