Содержание к диссертации
Введение
1. Условия формирования корки слитка в кристаллизаторах МНЛЗ и МПНЛЗ 11
1.1. Характеристики условий формирования корки слитка в кристаллизаторах МНЛЗ 11
1.2. Особенности формирования корки крупного слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ 34
1.3. Критическое состояние корки слитка в кристаллизаторах 40
1.4. Задачи исследования формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ 48
2. Экспериментальное исследование теплообмена в процессе формирования корки слитка в кристаллизаторах МПНЛЗ ... 51
2.1. Методика оценки параметров теплообмена в кристаллизаторе 51
2.2. Анализ экспериментальна данных по теплообмену в кристаллизаторах 70
2.3. Обобщение закономерностей охлаждения корки слитка в кристаллизаторах МПНЛЗ 91
3. Экспериментальное исследование кинетики формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторе МПНЛВ 97
3.1. Методика проведения исследований кинетики затвердевания слитка круглого сечения в кристаллизаторе 97
3.2. Анализ кинетики формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ 107
3.3. Оценка критических значений параметров кинетики зат вердевания при разрушении корки слитка под кристал лизатором 131
4. Анализ факторов нагружения корки слитка круглого сечения 138
4.1. Оценка напряжений в корке слитка под действием ферростатического давления 138
4.2. Определение сил трения слитка о стенки кристаллизатора 141
4.3. Анализ температурных напряжений в корке слитка 150
4.4. Сопоставление оценок напряжений в корке слитка 152
5. Теоретический анализ состояния корки слитка круглого сечения в условиях потери контакта со стенкой кристалли затора 156
5.1. Методика оценки характеристик температурного поля корки слитка после потери контакта со стенкой кристаллизатора 156
5.2. Методика оценки напряжений и деформаций корки слитка круглого сечения при потере контакта с кристаллизатором 161
5.3. Анализ температурных напряжений в корке слитка круглого сечения 177
5.4. Анализ деформации корки слитка круглого сечения после потери контакта со стенкой кристаллизатора 188
6. Определение рациональных условий формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ 192
6.1. Определение ограничений на скорость вытягивания слитка 192
6.2. Определение рационального режима эксплуатации кристаллизаторов и совершенствование их конструкции 203
7. Повышение качества поверхности слитков при рациональных условиях формирования корки в кристаллизаторах ШЕЛЗ 216
Выводы 223
Библиографический список 226
Приложение 243
- Особенности формирования корки крупного слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ
- Анализ экспериментальна данных по теплообмену в кристаллизаторах
- Анализ кинетики формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ
- Определение сил трения слитка о стенки кристаллизатора
Введение к работе
Увеличение объемов производства стали с использованием процессов непрерывной разливки является одной из основных задач, поставленных перед металлургами ХХУІ съездом КПСС в связи с переходом на преимущественно интенсивный путь развития производства / I /. По плану, определенному "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г," предусмотрено в 1985 г. довести разливку стали методами непрерывного литья до 35-37 млн.т.
Развитие и совершенствование процессов непрерывного литья позволяет сокращать отходы при производстве стали, механизировать и автоматизировать процесс разливки, осуществлять воздействия, способствующие повышению качества слитка. Наиболее эффективно применение непрерывной разливки при производстве слябов / 2 /. Возрастание объемов непрерывного литья происходит в производстве не только традиционных видов заготовок (например, слябов или сортовых заготовок для станов горячей прокатки), но и новых видов продукции.
В связи с интенсификацией производства, повышением производительности труда за счет применения машин большой единичной мощности увеличивается потребность в заготовках с увеличенными размерами сечений. На машинах непрерывного литья заготовок решена задача производства слябов с длиной широкой грани до 2,5-3,0 м / 3 /. Наметилась тенденция увеличения сечения сортовых заготовок. Увеличение размеров сечения заготовок приводит к возрастанию длины машины непрерывного литья, что существенно увеличивает капитальные затраты. Вследствие снижения скоростей литья снижается эффективность производства сортовых заготовок методом непрерывного литья.
Указанные недостатки в значительной степени усугубляются при отливке заготовок круглого сечения. Сообщают, что на машине непрерывного литья не были достигнуты требуемые параметры процесса разливки заготовок круглого сечения диаметром 0,355 м /4/. Существенное повышение качества заготовки круглого сечения при высокой производительности достигнуто благодаря применению машины центробежного непрерывного литья / 4 /, которая требует значительного увеличения капитальных затрат / 5 /. В условиях массового производства такое решение имеет высокую эффективность.
В настоящее время происходит реконструкция металлургической базы машиностроительных заводов, имеющих полный цикл производства стальных заготовок. Применение методов непрерывного литья стали позволяет повысить качество заготовок, эффективность их производства, механизировать труд рабочего и создать предпосылки для автоматизации процесса литья.
Наиболее распространенными на машиностроительных заводах являются заготовки круглого и прямоугольного сечения (с соотношением сторон близким к 1:1). Однако размеры их сечения больше, чем размеры сечений сортовых заготовок, освоенных на предприятиях МЧМ. Вследствие больших капитальных затрат оснащение машиностроительных заводов машинами непрерывного литья заготовок неэффективно. В то же время развитие соответствующих мощностей на металлургических заводах также нецелесообразно, т.к. требуются заготовки чрезвычайно широкой номенклатуры как по химическому составу стали, так и по размерному сортаменту, что не позволяет наладить массовое производство.
В таких условиях эффективность производства стальных заготовок с использованием методов непрерывного литья повышается благодаря применению машин полунепрерывного литья / 6 /. На машинах полунепрерывного литья процесс разливки имеет циклический характер. Собственно разливка - жидкий металл поступает в кристаллизатор, из которого слиток с жидкой сердцевиной транспортируют в зону вторичного охлаждения. После достижения заданной длины заготовки процесс разливки прекращают, а заготовку выдерживают в машине до полного затвердевания. Длина машины полунепрерывного литья невелика.
Благодаря циклическому процессу разливки машины полунепрерывного литья хорошо стыкуются со сталеплавильными агрегатами в условиях частой смены размеров заготовок и марки стали. Капитальные затраты на машину полунепрерывного литья значительно уменьшены, так как длина машины определяется только длиной требуемой заготовки, а поддерживающие устройства под кристаллизатором / 6 / отсутствуют. На предприятиях МЧМ для печей электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов отливают электроды квадратного и круглого сечений на машинах полунепрерывного литья / 2 /, при этом диаметр сечения заготовок достигает 0,67 м. Высокая эффективность машин полунепрерывного литья способствует расширению области их применения. Проводятся работы по созданию оборудования и технологии для полунепрерывного литья расходуемых электродов и кузнечных слитков с диаметром поперечного сечения до 1,0 м / 6 /.
Номенклатура заготовок определяется в соответствии с потребностями последующего передела. Для повышения эффективности использования слитков, уменьшения отходов и трудоемкости при последующих переделах форму поперечного сечения заготовки необходимо выполнять подобной форме сечения готового изделия /2, 9 /. Так при изготовлении деталей тел вращения (валов, осей), труб, расходуемых электродов ВДП производство имеет наибольшую эффективность, если используются заготовки круглого сечения.
Так как в машине полунепрерывного литья под кристаллизатором корка слитка не имеет опоры, то под действием внутренних сил в ней возрастают напряжения. Для их снижения и предотвращения разрушения корки скорость вытягивания слитка из кристаллизатора уменьшают / 6 /. В связи с этим увеличивается время пребывания слитка в кристаллизаторе, изменяются условия формирования корки в первичной зоне охлаждения.
Затвердевание слитка начинается в кристаллизаторе. От того, каковы параметры процесса формирования корки в кристаллизаторе, во многом зависит ход процесса затвердевания на последующих этапах охлаждения, его устойчивость и безаварийность. Исследования / 7 - 9 / показали, что слитки круглого сечения имеют повышенную склонность к образованию продольных поверхностных трещин, которые зарождаются в кристаллизаторе / 7 /.
Настоящая работа посвящена изучению условий формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах машин полунепрерывного литья стали, а также определению рациональных режимов технологии литья и усовершенствованию кристаллизаторов.
Цель работы - повысить качество слитков круглого сечения и стабильность процесса полунепрерывного литья путем выбора рациональных технологических параметров и усовершенствования кристаллизаторов.
Для достижения поставленной цели проведено экспериментальное исследование условий формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МГШЛЗ. Полученные данные использованы для анализа состояния корки при формировании слитка в кристаллизаторе МПНЛЗ.
Состояние корки слитка оценивали с учетом неравномерной толщины, в условиях свободной деформации под кристаллизатором.
В процессе исследований были использованы основополагающие результаты, полученные советскими учеными при создании технологий и оборудования машин непрерывного и полунепрерывного литья заготовок М.С. Бойченко, В.А. Ефимова, B.C. Рутеса, А.А. Сквор-цова, А.Д. Акименко, Д.П. Евтеева, Ю.А. Самойловича, В.Т. Слад-коштеева, В.А. Журавлева, А.И. Манохина, М.Я. Бровмана, И.К,Марченко, В.И. Лебедева, Е.М. Китаєва, Л.С. Рудого й др.
Настоящая работа выполнена под руководством д.т.н. И.К.Марченко в рамках комплекса работ по полунепрерывному литью стали, проведенных в Краматорском научно-исследовательском й проектно-технологическом институте машиностроения. Исследования проведены на машинах полунепрерывного литья заготовок заводов "Днепро-спецсталь", Златоустовского, Ижевского металлургических и Опытного завода НИИПТмаша.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту, к.т.н. В.Х. Римену, за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрении разработок.
На защиту выносятся следующие положения, полученные диссертантом:
- экспериментально установленные закономерности теплообмена между слитком и кристаллизатором;
- характеристики тепломассопереноса в защитных смесях на зеркале металла в кристаллизаторе;
- зависимости характеристик роста корки слитка и неравномерности фронта затвердевания от основных технологических параметров литья;
- теоретический анализ термонапряжеиного состояния корки слитка круглого сечения при потере контакта с кристаллизатором;
- определение наибольшей и наименьшей предельных скоростей вытягивания слитка;
- усовершенствования кристаллизаторов, обеспечивающие рациональные условия формирования корки слитка круглого сечения.
Особенности формирования корки крупного слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ
На МПНЛЗ отливают слитки квадратного (прямоугольного с соотношением сторон, близким к 1:1) и круглого сечений, поэтому используют как и на МНЛЗ кристаллизаторы трех основных конструктивных исполнений (см. п. I.I.I) / 82 /. Кристаллизаторы для отливки слитков круглого сечения исполняют в основном двух конструкций / 83 /: блочной (цельные медные блоки) (см.рис. I.I) и гильзовой (см. рис. 1.3). Конструктивные параметры кристаллизаторов представлены в табл. I.I.
Кристаллизаторы изготовляют не только с ребристой, но и с гладкой рабочей поверхностью. Если обращенная к слитку поверхность кристаллизатора гладкая, то она выполняется конусной (с уменьшением диаметра к низу кристаллизатора). Если же поверхность цилиндрическая, то на ней нанесены ребра с угловым шагом 2-10 и глубиной 0,0015 - 0,005 м.
Крепление гильзы или блока кристаллизатора к корпусу осуществляется с помощью болтов или шпилек. Б кристаллизаторах конструкции ЮТІТмаша под крепежными болтами устанавливают шайбы для предотвращения течи.
В настоящее время разливку стали на машинах полунепрерывного литья стали осуществляют следующим образом. Жидкий металл подают на машину в основном ковше. Между ковшом и кристаллизатором металл транспортируют через специальное устройство, которое позволяет при необходимости осуществить распределение его сразу в два кристаллизатора / 84 /. Металл поступает в кристаллизатор через погружной стакан, который выполняют либо прямоточным, либо глуходонным с выдачей металла через боковые отверстия /чаще их четыре/, либо с боковыми отверстияш и осевым разгрузочным. Благодаря погруженому разливочному стакану жидкий металл поступает под уровень, что не приводит к возмущению зеркала металла. Парше тры разливочных стаканов приведены в соответствующих разделах при описании условий исследований.
Защиту зеркала металла осуществляют шлакообразующими смесями, которые наводят в кристаллизаторе при разливке. Наиболее широкое распространение имеют экзотермические смеси и теплоизоли-ругощие по основе портландцемента /6, 82, 84 87 /. Основные составы используемых на МПНЛЗ защитных шлакообразующих смесей приведены в табл. 1.2. Отмечают / 87 /, что качество получаемых на МПНЛЗ заготовок во многом зависит от скорости литья. С увеличением скорости интенсивно искажается профиль поперечного сечения слитка - развивается овальность. С возрастанием овальности увеличивается число и протяженность внутренних трещин, которые всегда располагаются в сечении слитка перпендикулярно наибольшему диаметру.
Указывают / 87 /, что режимы литья следует корректировать с учетом марки разливаемой стали. В связи с тем, что не исследованы характеристики условий формирования корки слитка в кристаллизаторах МПНЛЗ (теплообмен и кинетика затвердевания), процесс литья ведут со снижением скорости. Не исключены аварии с прорывами жидкого металла под кристаллизатором, происходит снижение качества заготовок из-за наличия трещин.
Так как в кристаллизаторе высока скорость затвердевания слитка, то и параметры, характеризующие качество затвердевшей корки (дисперсность структуры, химическая однородность и т.д.) имеют высокие значения /47, 88 /. Главными дефектами, снижающими качество поверхностных слоев слитков, являются неметаллические включения и трещины.
Если при разливке в изложницы зеркало металла либо чистое, либо покрыто незначительной пленкой, то в условиях непрерывной разливки наблюдают соответственно грубую пленку или толстую корку. Указывают /36, с. 32 /, что образование корочки происходит не только в результате соприкосновения металла с воздухом, но от всплывания имеющихся в жидкой стали неметаллических включений. Наличие рифлений на обращенной к слитку поверхности гильзы кристаллизатора, эффективных защитных шлакообразующих смесей на зеркале металла обеспечивает устранение заворотов и попадание неметаллических включений в корку /19, 86, 87 /.
Часто технологические параметры разливки ограничивают для того, чтобы исключить появление таких дефектов слитков, как завороты корки, ужимины, трещины. Опыт разливки в изложницы показывает, что скорость наполнения должна находиться в оптимальных пределах. Так, наполнение изложницы, покрашенной теплоизоляционной смесью / 89 /, лучше всего производить со скоростью 0,30-0,35 м/мин. Если производят наполнение со скоростью 0,50-0,90 м/мин, появляются продольные поверхностные трещины, в то же время наполнение изложницы со скоростью 0,190 м/мин сопровождалось поперечными ужиминами и рубцами, зеркало металла было покрыто сплошной коркой: недостаточен обогрев свежими порциями металла.
Подобные ограничения существуют и при непрерывном литье. Так верхняя граница скорости разливки стали 30ХГСН2А в слитки диаметром 0,52 мм составляет 0,40 м/мин и ограничена появлением продольных трещин / 87 /. Нижняя граница скорости 0,13-0,15 м/мин ограничена также условием, обеспечивающим отсутствие заворота корки - требуется достаточная жидкоподвижность металла на зеркале, что в значительной мере зависит от температуры стали.
Анализ экспериментальна данных по теплообмену в кристаллизаторах
При измерениях потока тепла с зеркала металла, покрытого защитной экзосмесыо, вода в теплоприемнике нагревалась на &t s 10С. Плотность теплового потока, определенная по формуле (2.1), составляет 0,295 МВт/м . При использовании экзосмесей образующийся шлак находится на зеркале металла в расплавленном состоянии. Добавление свежих порций вызывает уменьшение плотности теплового потока до 0,248 МВт/м . Процесс расплавления экзосмеси сопровождается увеличением плотности теплового потока до 0,337 МВт/м2 (порция массой 0,4 кг расплавлялась за 0,5 мин). Размах колебаний значений плотности теплового потока достигает
Если защиту осуществляют с помощью теплоизолирующей смеси на основе портландцемента, на зеркале металла образуется многослойное покрытие (рис. 2.5) / 86 /. Усредненные значения температуры, полученные по высоте теплоизолирующей смеси, приведены на рис. 2.6. Сопоставление с результатами определений на кернах, показало, что местам перелома на температурной кривой соответствуют границы между структурными зонами, возникающими в теплоизолирующей смеси (см. рис. 2.5). Основные слои образованы расплавом смеси I, контактирующим с поверхностью жидкого металла, слоем порошка 5 на границе с окружающей атмосферой, не претерпевшим изменений, и твердой шлаковой корки 3 между ними. Кроме того выявили еще два слоя: слой оплавившейся шлаковой корки 2 (полурасплава) - переходной слой от шлаковой корки (спека) к шлаковому расплаву и слой частично спекшейся смеси 4 - переходной слой от порошка смеси к спеку.
При установившемся режиме разливки стали характеристики и размеры слоев в защитной теплоизолирующей смеси не изменяются. В каждом слое происходит поглощение тепла на нагрев и структур-ч ное преобразование смеси. Твердая шлаковая корка образует несущий каркас, который поддерживает свежие порции защитной смеси. В процессе расходования шлака при отекании расплава в зазоры между слитком и кристаллизатором толщина слоя жидкого шлака на зеркале металла уменьшается. Плотность теплового потока с поверхности жидкого шлака увеличивается и происходит дополнительное выплавление шлака из слоя полурасплава. Далее происходит дополнительное образование твердой шлаковой корки и т.д. Равновесие между слоями поддерживается, если толщина защитной смеси на зеркале металла не менее 0,07 м. Плотность теплового потока через і -й слой защитной сме где І - коэффициент теплопроводности і -го слоя; где ( - количество тепла, аккумулированное в і -м слое, расчитывали по формуле (2.4); І І - масса і -го слоя; З} - площадь зеркала металла, покрытого защитной смесью; W - расход смеси.
Условие (2.19) является выражением динамического равновесия, которое обеспечивает самоподдержание каждого слоя защитной теплоизолирующей смеси и тем самым самоподдержание в целом процесса шлакообразования на зеркале металла. По измерениям, проделанным при установившемся процессе литья из условия (2.19) получили: Результаты определения теплофизических характеристик защитной теплоизолирующей смеси с использованием выражений (2.3)-(2.6), (2.20) приведены в табл. 2.4. По формуле (2.3) определили коэффициент теплопроводности защитного теплоизолирующего покрытия на зеркале металла: Хш = 1,025 ——— . Измерения производили при отливке слит-м град ков диаметром 0,3 м, расход защитной теплоизолирующей смеси составил w =0,41 кг/мин, тогда в формуле (2.2): Полученные данные показывают, что плотность теплового потока с зеркала металла, защищенного теплоизолирующей смесью, почти в два раза меньше, чем под защитой экзотермической смеси. Как показано в разделе 1.1,2., доминирующим фактором, определяющим значение средней плотности теплового потока в кристаллизаторе является время пребывания слитка в кристаллизаторе (скорость вытягивания слитка); зависимость средней плотности теплового потока от времени пребывания слитка в кристаллизаторе при малых t & 2,0 мин малочувствительна к другим факторам. Полученные в настоящем исследовании данные по нагреву воды, охлаждающей кристаллизатор, позволяют обнаружить ряд особенностей охлаждения слитка крупного сечения в кристаллизаторе. С увеличением скорости вытягивания слитка (уменьшается время пребывания в кристаллизаторе) вода в кристаллизаторе нагревается в большей степени (рис. 2.1 а, б). При этом можно отметить, что, если при малых скоростях вытягивания температура нагрева воды в кристаллизаторе не зависит от длительности разливки, то при больших скоростях наблюдается увеличение интенсивности теплообмена к концу разливки (см. рис.2.1,а). Хорошо видно, что при близких площадях поперечного сечения отливаемых слитков (сечение 0,37x0,37 м и диаметр 0,405 м) и равных расходах охлаждающей воды нагрев ее в круглом кристаллизаторе ниже, чем в квадратном (см. рис. 2.1. б, г). Кроме того на теплообмен в кристаллизаторах оказывает существенное влияние марка стали (см. рис. 2.1. в, г). Для оценки влияния отмеченных факторов на величину средней плотности теплового потока в кристаллизаторе имеющиеся опытные данные разделили на группы (табл. 2.5). Аппроксимация данных в пределах каждой группы показала, что при отливке слитков круглого сечения следует учитывать и срок службы кристаллизатора (см. табл. 2.5). Аппроксимирующие зависимости по каждой группе использовали для оценки влияния на интенсивность теплообмена в кристаллизаторе формы сечения отливаемого слитка (круг, квадрат), величины диаметра поперечного сечения, химического состава разливаемой стали, срока службы кристаллизатора. Аппроксимация опытных данных регрессионной зависимостью вида (2.II) показала, что на уровне значимости 0,05 коэффициент корреляции существенно отличен от нуля в рассмотренных совокупностях.
Анализ кинетики формирования корки слитка круглого сечения в кристаллизаторах МПНЛЗ
Среднее значение толщины корки слитка в рассматриваемом сечении определяли по формуле (3.2), используя результаты измерений. Значения средней толщины корки, полученные при исследовании, крупных слитков (см.табл. 3.1), изображены на рис. 3.4. Кроме того, там же приведены данные, полученные при исследовании слитков круглого сечения диаметром 0,113, 0,166 и 0,228 м / 12 /, отливавшихся из среднеуглеродистых малолегированных сталей. Представленные данные соответствуют таким условиям формирования исследованных слитков, при которых скорость вытягивания близка или равна предельной допустимой величине, т.е. средняя толщина корки имеет наименьшую возможную величину.
Среднюю толщину корки слитка рассматривали как функцию расстояния от зеркала металла до сечения, в котором производили измерения. Представленные данные показывают, что уже на расстоянии от зеркала металла, превышающем 0,15 м, значения средней толщины корки слитка образуют одну совокупность, которая удовлетворительно описывается зависимостью вида (3.3): Расчетные значения приведены в табл. 3.2.
Известно / 119, 120 /, что коэффициент теплоотдачи от жидкого металла к формирующейся корке слитка в несколько раз превосходит коэффициент теплоотдачи от корки слитка к охлаждающей кристаллизатор воде. С увеличением диаметра сечения отливаемого слитка возрастает интенсивность подвода тепла к корке от жидкой сердцевины. Это вызвано тем, что увеличение площади сечения слитка происходит быстрее, чем увеличение длины периметра, что эквивалентно объему жидкого металла, поступающего в кристаллизатор,и площади теплоотдащей поверхности слитка соответственно. Для слитков круг-лого поперечного сечения отношение объема жидкого металла к площади теплоотдающей поверхности составляет: т.е. с возрастанием диаметра увеличивается тепловой напор со стороны жидкой фазы, что вызовет задержку роста корки. Это учитывали корректировкой значения коэффициента затвердевания: где /Со - наибольшее значение коэффициента затвердевания при отношении объема жидкого металла к площади и теплоотдающей поверхности, близкой к единице (&- 0); " - коэффициент пропорциональности; S) - диаметр сечения отливаемого слитка. Как видно из рис. 3.5 найденные экспериментально значения коэффициента затвердевания при формировании в кристаллизаторе корки слитка из среднеуглеродистых малолегированных сталей удовлетворительно аппроксимируются линейной зависимостью (3.9) с параметрами кв = 0,029 м/мин0»5 и t = 0,02186 мин"0»5.
Уменьшение коэффициента затвердевания при увеличении диаметра сечения слитка обнаружено и при разливке стали в изложницу круглого сечения / 121 /. На рис. 3.6 приведены данные по изменению толщины корки круг-лого сечения диаметром 0,405 м в зависимости от времени пребывания в кристаллизаторе при литье хромоникелевой нержавеющей стали (I2XI8HI0T) {см.табл. 3.1). При времени пребывания в кристаллизаторе более одной минуты опытные данные аппроксимируются линейной зависимостью вида (3.3). Коэффициент затвердевания в среднем равен 18,0 м/мин0»5. Показанное в гл. 2 увеличение среднего теплово-го потока в кристаллизаторе при литье хромоникелевых нержавеющих сталей можно объяснить повышенной теплоотдачей жидкой сердцевины слитка: разливку ведут при почти равных температурах металла в ковше, поэтому перегрев хромоникелевых нержавеющих сталей увеличен на 50. Для хромоникелевых нержавеющих сталей принимаем по аналогии зависимость вида (3.9). Так как данных для определения параметров недостаточно, параметр г. принимаем равным параметру в зависимости для среднеуглеродистых малолегированных сталей, тогда о = 0,0264 м/мин0»5.
Полученные закономерности показывают, что с увеличением диаметра сечения отливаемого слитка происходит задержка роста корки в кристаллизаторе МПНЛЗ. толщины корки по периметру сохраняется по всей высоте кристаллизатора.
Основными факторами, способствующими развитию неравномерности фронта затвердевания являются: скорость вытягивания, конструкция погружного стакана (число боковых отверстий, диаметр центрального разгрузочного отверстия), условия контакта на границе слиток-кристаллизатор (см.раздел ІЛ.З).
Периодические изменения толщины корки по периметру слитка рассматривали как проявление указанных факторов: одно колебание на периметре есть следствие местного увеличения теплового сопротивления на границе слиток-кристаллизатор, которое может создать, например, продольная поверхностная трещина; -два колебания на периметре при смещении прямоточного стакана; - три колебания на периметре при смещении прямоточного стакана с четырьмя и двумя боковыми отверстиями; - четыре колебания на периметре при установке отакана с четырьмя боковыми отверстиями. Скорость вытягивания и конструкция кристаллизатора определяют уровень действия факторов на толщину корки. На рис, 3.7 показаны примеры сечения оболочек слитков круглого сечения диаметром 0,405 м с различной конфигурацией фронта затвердевания. Как видно, толщина корки слитка имеет от одного до четырех утонений, равномерно расположенных на .периметре. Оценку воздействия рассматриваемых факторов на неравномерность фронта затвердевания проводили, анализируя значения разнотолщинности (3.6).
На основе методики гармонического анализа (см.п. 3.1) по данным измерений определили гармонические составляющие изменения толщины корки по периметру (разнотолщинности).
Определение сил трения слитка о стенки кристаллизатора
Условия возникновения металлического контакта и вместе с этим возникновения сил адгезии (прилипания) между коркой слитка и кристаллизатором отсутствуют. Возобновляющийся гарннсаж, разделяя контактирующие поверхности, служит смазкой, которая значительно снижает силы трения. Полученные в настоящем исследовании данные подтверждают это.
Характер контакта между слитком и кристаллизатором определяется состоянием зазора между слитком и кристаллизатором, заполненным гарнисажем. На рис. 4.3 и 4.4 показано изменение силы трения при литье слитков круглого сечения диаметром 0,405 м в условиях недостаточно эффективного вторичного охлаждения: в процессе вытягивания слитка росла температура его поверхности после выхода из кристаллизатора. В случае хромоникелевых нержавеющих сталей наблюдается повышенный рост сил трения, что свидетельствует о большем уровне деформации корки при ее разогреве во вторичной зоне охлаждения.
Для определения изменения сил трения по высоте кристаллизатора при разогреве корки слитка после выхода уровень металла в кристаллизаторе опускали на 0,15-0,20 м ниже, чем принято по технологии (сталь I2XI8HI0T, диаметр сечения 0,405 м). В таких условиях отливали слиток на длине от 1,5 до 3,5 м. Эффективная высота кристаллизатора уменьшилась с 1,1 м до 0,90-0,95 м. На рис. 4.5 приведены значения силы трения в кристаллизаторе. Зависимость силы трения в кристаллизаторе от длины слитка разбили на два высоте кристаллизатора участок I прямопропорциональна его эффективной высоте. Анализ данных, приведенных на рис. 4.5 показывает, что при изменении эффективной высоты кристаллизатора характер нарастания силы трения сохраняется на двух выделенных участках. Уровень сил трения на втором участке благодаря сокращению длины первого уменьшается прямопропорционально эффективной высо-те кристаллизатора.
Существенное влияние как эффективной высоты кристаллизатора, так и длины слитка на силы трения в кристаллизаторе указывает на то, что рассматриваемая величина в значительной мере зависит от деформаций корки затвердевающего слитка. При отсутствии отклонений в режимах вторичного охлаждения участок 2 приобретает горизонтальное положение. В табл. 4.1 приведены оценки сил трения при разливке сталей в слитки круглого сечения диаметром 0,3-0,55 м. Сопоставление данных при литье стали 30ХГСН2А с использованием защитной смеси одного состава (экзотермической) показывает, что происходит существенное увеличение приведенной силы трения с возрастанием диаметра сечения отливаемого слитка. Так, при увеличении диаметра слитка с 0,405 до 0,530 м приведенная сила трения возрастает на
Наиболее существенное влияние оказывает состав защитной шла-кообразующей смеси. Так при использовании теплоизолирующей смеси на основе портландцемента увеличение приведенной силы трения превышает 35$. Следует отметить, что большое влияние оказывает профиль кристаллизатора по высоте. Наличие конусности приводит к повышению силы трения на 47,6$.
Различия в значениях силы трения при отливке слитков из различных марок сталей свидетельствуют о влиянии на нее деформацион ной способности, определяемой свойствами сталей при высоких температурах. Таким образом, силы трения в кристаллизаторе круглого сечения определяются деформационной способностью корки слитка, прочностью гарнисажа. Ферростатическое давление не оказывает определяющего влияния на силу трения. Найденные значения силы трения малы и не могут оказать сколь-нибудь заметного влияния на напряжения, действующие в корке слитка при ее формировании в кристаллизаторе.
Напряженное состояние корки слитка, формирующейся в кристаллизаторе машины непрерывного или полунепрерывного литья, в значительной мере определяется температурными напряжениями / 12 /. Как показал анализ / 12 / наибольший уровень напряжений возникает, если корка слитка находится в упругом состоянии. При наличии участков, в которых происходит пластическая деформация или ползучесть, уровень напряжений в корке снижается.
Оценку температурных напряжений в корке слитка производили, рассматривая упругое состояние. В этом случае расчетные значения будут наибольшими, что позволяет в первом приближении сделать оценку критического состояния корки слитка.
