Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 9
1.1 Свойства шлакообразующих смесей 9
1.1.1 Вязкость расплава ШОС 10
1.1.2 Температуры плавления и кристаллизации 13
1.1.3 Скорость плавления ШОС 16
1.2 Рабочие характеристики шлакообразующей смеси в кристаллизаторе 18
1.2.1 Расход шлакообразующей смеси 18
1.2.3 Гарнисаж ШОС и оценка его влияния на теплоотдачу в кристаллизаторе 24
1.3 Поверхностные дефекты, связанные со шлакообразующими смесями 33
1.4 Методы контроля работы ШОС 35
Выводы по главе 36
2 Материалы и методики исследований 37
2.1 Изучение поверхности, микроструктуры и фазового состава шлакового гарнисажа 37
2.2 Определение теплофизических характеристик ШОС 40
2.3 Определение скорости плавления 42
2.4 Определение вязкости 43
2.5 Температура плавления и кристаллизации 44
2.6 Информационно-измерительная система работы кристаллизатора 45
3 Анализ промышленных данных и разработка критериев качества слитка 48
3.1 Анализ отсортировки слябов по поверхностным дефектам 48
3.2 Разработка критериев применимости ШОС 53
Выводы по главе 66
4 Математическое моделирование теплового состояния кристаллизатора 67
4.1 Лабораторные исследования физических свойств ШОС 68
4.2 Математическое моделирование состояния гарнисажа ШОС в зазоре 84
4.3 Определение сил трения в кристаллизаторе 94
Выводы по главе 95
5 Разработка и испытания опытных ШОС 97
5.1 Скорость плавления и содержание углерода 97
5.2 Вязкость. Температура плавления и кристаллизации 102
5.3 Разработка опытных составов ШОС и характеристики исходных материалов для их производства 108
5.4 Промышленные испытания порошковых ШОС 115
5.5 Промышленные испытания гранулированных ШОС 118
Выводы по главе 128
Выводы 130
Список литературы 133
Приложение 1. Основные компоненты для изготовления ШОС 145
Приложение 2. Требования к гранулометрическому составу и влажности материалов 146
Приложение 3. Контроль исходных материалов для изготовления ШОС 147
Приложение 4. Патент 148
Приложение 5. Акт внедрения 150
Приложение 6. Акт опытно-промышленного опробования 151
- Гарнисаж ШОС и оценка его влияния на теплоотдачу в кристаллизаторе
- Разработка критериев применимости ШОС
- Математическое моделирование состояния гарнисажа ШОС в зазоре
- Промышленные испытания гранулированных ШОС
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время процесс непрерывной разливки осуществляется с применением шлакообразующих смесей (ШОС), которые оказывают существенное влияние на качество непрерывнолитой заготовки и стабильность самого процесса.
Постоянное повышение требований по качеству металла и расширение разливаемого марочного и размерного сортамента заставляет металлургические предприятия испытывать новые составы ШОС. Поэтому на заводах постоянно проводятся испытания ШОС, большинство из которых поставляется импортными компаниями. Опираясь на опыт применения своих составов на других заводах, они рекомендуют ШОС отечественным предприятиям, но в процессе испытаний часто возникают аварийные ситуации или наблюдается повышенная пораженность слябов поверхностными дефектами. Это объясняется технической и технологической уникальностью каждого предприятия, поэтому хорошие результаты, которые показывают ШОС на одном предприятии, зачастую не удается повторить на других.
Для снижения вероятности возникновения поверхностных дефектов и предотвращения
аварийных ситуаций при испытаниях новых составов смесей необходимо иметь критерии
оценки их применимости, которые бы позволили до проведения испытаний и/или с первых
минут разливки оценивать целесообразность применения той или иной ШОС. В качестве
критериев могут выступать как определенные физико-химические характеристики смесей, так
и результаты обработки данных информационно-измерительной системы, установленной в
кристаллизаторе МНЛЗ. Многие отечественные предприятия оснащены таким оборудованием.
Для разработки такой критериальной оценки необходимо провести комплексную работу по
изучению взаимосвязи физико-химических свойств ШОС, дефектности непрерывнолитых
заготовок металла и показаний информационно-измерительной системы работы
кристаллизатора.
Таким образом, разработка критериев применимости ШОС в условиях конкретного предприятия является актуальной задачей, имеющей практическое значение.
Несмотря на многолетний опыт применения ШОС в непрерывной разливке стали, их изучение остаётся актуальным и востребованным в наши дни. Основным направлением исследований является изучение влияния химического и компонентного состава на физико-химические и теплофизические свойства. Множество исследований посвящено изучению минералов, фаз и структуры шлакового гарнисажа. Однако анализ многочисленных исследований показал, что к настоящему времени отсутствует достоверная модель, связывающая перечисленные выше параметры с процессами теплообмена в кристаллизаторе,
то есть математическое моделирование процесса кристаллизации, учитывающее изменение свойств шлакового гарнисажа в зависимости от его состава и градиента температур в кристаллизаторе, позволяющее прогнозировать формирование поверхностных дефектов.
Построение данной модели невозможно без определения следующих закономерностей:
- определение зависимости эффективного коэффициента теплопроводности и
термического сопротивления газового зазора в системе «слиток - гарнисаж - кристаллизатор»
от температурных условий разливки;
- определение влияния минералогического состава и шероховатости поверхности
гарнисажа различных типов ШОС на процессы теплообмена в системе «слиток - гарнисаж -
кристаллизатор».
Цель и задачи работы. Целью исследования является разработка технологии непрерывной разливки с применением ШОС, созданных на основе критериальной оценки их работоспособности и обеспечивающих повышение качества слябовых заготовок.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить влияние физико-химических свойств ШОС на дефектность непрерывнолитых слябовых заготовок;
регламентировать требования к показаниям информационно-измерительной системы «Кристаллизатор» с целью минимизации дефектов непрерывнолитой слябовой заготовки;
разработать модель формирования гарнисажа в кристаллизаторе, учитывающую свойства применяемых ШОС, и адаптировать ее к конкретным производственным условиям ПАО «Северсталь»;
разработать методику и создать установку для определения теплофизических параметров ШОС;
разработать и реализовать способы прогнозирования свойств ШОС;
на основе решения вышеперечисленных задач разработать составы ШОС, обеспечивающие заданные физико-химические свойства ШОС.
Объектом исследования являются шлакообразующие смеси для непрерывной разливки стали на слябовых МНЛЗ конверторного производства ПАО «Северсталь».
Предмет исследования - разработка оптимальных характеристик шлакообразующих смесей, обеспечивающих получение гарантированных показателей качества непрерывнолитых заготовок.
Материалы и методы исследований. Материалами исследований являются промышленные ШОС, применяемые в конвертерном производстве ПАО «Северсталь». Для разработки критериев качества использовали данные информационно-измерительной системы «Кристаллизатор» в составе оборудования комбината. Изучение структуры и фазовых составов
ШОС было выполнено с помощью рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа. Геометрия поверхности образцов определена на лазерном профилографе. Лабораторные исследования физико-химических свойств ШОС выполнены на высокотемпературном микроскопе, ротационном вискозиметре и на наклонном желобе. Скорость плавления и теплофизические параметры ШОС изучены на лабораторных установках, разработанных в рамках данной работы. Достоверность лабораторных измерений подтверждена тестовыми испытаниями.
Научная новизна:
1. На основе оптимизационного подхода определено изменение термического
сопротивления газового зазора в системе «гарнисаж – стенка кристаллизатора» в зависимости
от толщины гарнисажа ШОС. Термическое сопротивление газового зазора при общей толщине
гарнисажа от 0,3 до 2 мм для высокоосновной ШОС (CaO/SiO2 1,2) находится в интервале от
0,0005 до 0,0030 (Км2)/Вт, а для низкоосновных ШОС (CaO/SiO2=0,85–0,95) – от 0,0006 до
0,0015 (Км2)/Вт. Впервые получены зависимости термического сопротивления газового зазора
от толщины гарнисажа и температуры на границе раздела «закристаллизовавшаяся ШОС –
газовая фаза».
-
Разработана комплексная модель критериев работы ШОС, учитывающая их физико-химические свойства и показания информационно-измерительной системы работы кристаллизатора. Для разливки низкоуглеродистого, перитектического и среднеуглеродистого металла рекомендованы следующие физико-химические параметры ШОС: вязкость (Пас при температуре 1300 С) – 0,13…0,23; 0,35…0,45 и 0,34…0,44 соответственно; температура начала плавления (С) – 1055…1095; 1155…1195 и 1110…1150 соответственно; основность (CaO/SiO2) – 0,85…0,92; 1,15…1,25 и 0,86…0,96 соответственно.
-
Получены зависимости характеристических температур ШОС (деформации, начала плавления и растекания) от химического состава при содержании в ШОС (мас. %) 26 CaO 45; 1 F 12; 33 SiO2 41; 1 Al2O3 15; 2 Na2O 14; 0 K2O 3 и 0,5 MgO 7, позволяющие прогнозировать их значения с точностью ± 2,8 %.
4. Разработана и реализована модель кристаллизации, отличающаяся применением
температурной зависимости газового зазора и параметрами контактного теплообмена между
слитком и гарнисажем ШОС. Модель основана на сочетании реальных значений распределения
температур в стенке кристаллизатора и среднего теплового потока и лабораторных данных по
определению теплофизических характеристик ШОС.
5. Результаты моделирования позволяют прогнозировать фазовое состояние гарнисажа
и оценивать вероятность образования дефектов непрерывнолитой заготовки на основе
установления соотношения сил жидкостного и сухого трения в кристаллизаторе.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности:
-
Получена зависимость для расчета значения вязкости ШОС при температуре 1300 С для диапазона 0,15–0,7 Пас при содержании (мас. %) 13 CaO 39; 7 CaF2 23; 33 SiO2 4; 3 Al2O3 15; 2 Na2O 12; 0 K2O 3,5 и 0,5 MgO 4 с точностью определения ± 10 %.
-
Получено соотношение для оценки содержания углерода в разрабатываемых ШОС, предназначенных для разливки низкоуглеродистых, перитектических и углеродистых сталей. Соотношение позволяет определять содержание углерода в составе ШОС по её заданной вязкости для обеспечения оптимального расхода ШОС в процессе разливки стали.
-
Разработана и реализована математическая модель, основанная на фактических значениях параметров разливки низкоуглеродистых, перитектических и углеродистых сталей, прогнозирующая вероятность появления поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки.
-
Разработаны и внедрены критерии оценки применимости ШОС для условий конвертерного производства ПАО «Северсталь», основанные на обработке данных информационно-измерительной системы «Кристаллизатор» и физико-химических свойств ШОС. Получен акт внедрения.
-
Разработаны ШОС, обеспечивающие повышение качества непрерывнолитой слябовой заготовки и, как следствие, листового проката: суммарная дефектность проката снижена с 1,11 до 0,22 отн. % и 0,61 до 0 отн. % для низкоуглеродистого и перитектического металла соответственно. Получен акт опытно-промышленного опробования и патент РФ на изобретение №2555277.
-
Усовершенствован процесс грануляции ШОС в башенном распылительном сушиле, обеспечивающий повышение прочности гранул и снижение доли пылевидной фракции с 5 до 1 мас. %.
Положения, выносимые на защиту:
-
Зависимость термического сопротивления газового зазора в системе «гарнисаж – стенка кристаллизатора».
-
Зависимость характеристических температур ШОС от их химического состава.
-
Зависимость для расчёта значений вязкости ШОС при температуре 1300 С.
-
Критерии оценки применимости ШОС для условий конвертерного производства ПАО «Северсталь».
-
Математическая модель, прогнозирующая вероятность появления поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки.
Реализация и апробация работы. Разработанные шлакообразующие смеси для кристаллизатора испытаны в условиях конвертерного цеха ПАО «Северсталь». Всего было
отлито 644 плавки с использованием опытных ШОС. Получены положительные результаты по улучшению качества поверхности отливаемых заготовок и готового проката.
Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях: ХII Конгресс сталеплавильщиков, г. Выкса, 2012 г.; IV Конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Москва, 2013 г.; Международная научно-техническая конференция «Технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали», НИТУ «МИСиС», Москва, 2015 г.; VII Конференция молодых специалистов «Перспективы развития металлургических технологий», ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», Москва, 2016 г.; ХIV Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей метала, г. Электросталь, 2016 г.; III Международная научно-техническая конференция «Научно-технический прогресс в черной металлургии», г. Череповец, 2017 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь статей в журналах и сборниках научных трудов, в том числе пять статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и шести приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включая 46 таблиц, 62 рисунка и 181 литературный источник.
Гарнисаж ШОС и оценка его влияния на теплоотдачу в кристаллизаторе
Современные представления о структуре ШОС в значительной степени основаны на принятой аналогии между строением силикатных систем в твердом состоянии и их расплавов, подтвержденной рентгенографическими исследованиями. Основной структурной единицей силикатов в таких шлаках является тетраэдр, состоящий из четырех тесно упакованных ионов кислорода (r = 0,132 нм), окружающих ион кремния (r = 0,039 нм) [103]. При высоких концентрациях в шлаке SiO2 кремнекислородные анионы образуют сложные комплексы-полимеры SixOy2– [2,104]. Степень полимеризации расплава можно рассматривать с точки зрения трех возможных неэквивалентных позиций, которые занимают ионы кислорода: 1) анион кислорода, расположенный в общей вершине двух тетраэдров и взаимодействующий с парой близлежащих катионов кремния («связанный» ион с обозначением О0); 2) анион, составляющий вершину тетраэдра и имеющий по соседству катион металла типа Me2+ («немостиковый» ион O–); 3) анион, связанный в позиции Ме – О – Ме с катионами металла Me2+ («свободный» ион O2–) [104–106]. Таким образом, введение основного оксида, отщепляющего анион кислорода, вызывает распад комплексов на более простые [104]. Данный процесс называется деполимеризацией (NBO/T).
Степень деполимеризации NBO/T можно выразить как отношение “немостикового кислорода” к “тетраэдрически связанному” кислороду. В работе [105] авторами установлена корреляция между этим параметром и физическими свойствами шлака, такими как вязкость, теплопроводность, электропроводность и плотность.
При изучении степени кристалличности фторсодержащих шлаков авторами [107] было использовано следующее выражение для степени деполимеризации
Из уравнения 1.22 видно, что способностью кристаллизоваться обладают шлаки со степенью деполимеризации (NBO/T) больше 2,0. Меньше этого значения шлаки полностью стекловидные.
Гривесон и др. [108] рентгеновским анализом определили минералогический состав шлакового гарнисажа, полученного в лабораторных экспериментах и в условиях промышленной разливки. Авторами было установлено, что куспидин (Ca4Si20?F2) всегда присутствует в шлаковом гарнисаже за исключением малофтористых или бесфтористых смесей. Другими минералами, в зависимости от содержания Na2O и Al20з, могут быть волластонит (CaSiO), геленит (Са2Al2Si07), нефелин (NaAlSi04), анортит (CaAl2Si208), и др. Авторы [109] предположили, что в процессе кристаллизации гарнисажа в зазоре первыми образуются кристаллы куспидина.
После того, как расплавленная шлаковая смесь проникает в зазор между водоохлаждаемым кристаллизатором и стальной оболочкой, образовывается гарнисаж шлака со стеклообразным слоем вблизи кристаллизатора и жидким слоем вблизи оболочки слитка, и пузырями газа, распределенными по всей шлаковой пленке (см. рисунок 3, а).
В шлаковом гарнисаже есть точка состояния (температура и т.д.), соответствующая зарождению и росту кристаллов. Эта точка должна соответствовать точке на кривой температурно-временного превращения. От этой точки и до стенок кристаллизатора быстро охлажденный стекловидный слой кристаллизуется из-за длительного времени отжига при температуре выше 600 C и размер кристаллического слоя увеличивается по направлению к слитку (см. рисунок 3, б) [110].
Процесс перехода из стекловидной в кристаллическую структуру сопровождается увеличением плотности в результате усадки и, как следствие, увеличением пористости гарнисажа. Этот эффект в значительной степени зависит от основности шлака. При использовании шлака с высокой основностью (СаО/SiO21,41) эффект усадки при кристаллизации высокий, а при использовании шлака с низкой основностью (CaO/SiO20.96) эффект усадки не значителен [111]. Авторы работы [110] установили, что пористость отобранных из кристаллизатора образцов гарнисажа возрастает с увеличением основности шлака.
Кристаллизационная способность шлака позволяет регулировать теплоотвод в кристаллизаторе. Выяснение закономерностей влияния гарнисажа на процесс теплопереноса представляет весьма сложную задачу, поскольку он функционирует в условиях большого температурного градиента, превышающего 1000 oC, и значительных скоростей охлаждения (10…30 К/с) [112]. Скорость охлаждения, температура и время кристаллизации являются основными показателями, определяющими морфологию кристаллов и их минералогический состав. Для определения вышеперечисленных параметров применяются следующие приборы: ДТА/ДСК [37,113,114], конфокальный сканирующий микроскоп [36,115] и метод одной или двух нагреваемых термопар [113,116-120].
Лабораторная установка и методика одной/двух нагреваемых термопар подробно описано в работе [116]. Пробы располагаются на термоэлементе (тип B), который также служит нагревательным элементом [118]. Метод одной термопары применяется в основном для образцов с высокой текучестью (низкой вязкостью). Преимущество метода двух термопар состоит в возможности создания градиента температур между термопарами, близкого к условиям разливки [116]. В обоих случаях выделение кристаллической фазы и температуру начала кристаллизации фиксируют с помощью сопоставления данных с цифровой камеры и показаний термопар.
На графиках рисунка 1.4 представлено температурно-временное превращение (а) и поведение затвердевания в зависимости от скорости охлаждения (б) для шлака следующего химического состава (мас. %): СаО 44,5; SiO2 44,5; Na2O 7,0; Al2O3 4,0 [117].
Разработка критериев применимости ШОС
Для определения оптимальных физико-химических характеристик ШОС каждому рассматриваемому дефекту был присвоен коэффициент дефектности К, на который умножали долю слябов D, пораженных /-тым дефектом, а сумма этих произведений () - суммарный индекс дефектности, принят в качестве итогового показателя при выборе лучшей ШОС (уравнение 3.1). Значения коэффициентов выбирали, исходя из доли /-того дефекта от общего количества поверхностных дефектов с учётом влияния ШОС. В таблице 3.1 приведены принятые коэффициенты дефектности Кг.
В таблице 3.2 указаны итоговые показатели суммарного индекса дефектности (), рассчитанные для всех ШОС, применяемых при разливке сталей различных подгрупп на МНЛЗ №№ 1, 3, 4. Исходя из формулы расчета чем меньше эта величина, тем лучшее качество поверхности сляба получено.
Таким образом, ШОС №1 является лучшей для сталей групп 4.4, 5.3 и 5.4, ШОС №2 – для сталей группы 3.1, а высокоосновная смесь ШОС №3 – для сталей групп 3.2, 3.3, 4.2 и 4.3. Стоит отметить, что в группе 3.3, по сравнению с другими группами, относительно высокий суммарный индекс дефектности. Это связано с повышенной дефектностью данного сортамента по ребровым трещинам.
После определения лучшей ШОС в рамках каждой группы были определены химический состав и основные физические характеристики каждой ШОС, исходя из средних значений показателей свойств проб. Данные представлены в (таблица 3.3).
По результатам анализа данных были определены характеристики ШОС, влияющие на образование продольных, прикромочных, ребровых и поперечных трещин на поверхности слябов (таблица 3.4). В таблице указаны коэффициенты детерминации (R2) для каждой зависимости и оценка влияния свойств ШОС на дефектность слябов. Желтым цветом отмечены характеристики, оказывающее наибольшее влияние на образование того или иного дефекта, оранжевым – среднее влияние и зеленым – не влияющие на поверхностные дефекты. В таблице 3.4 также представлены тренды изменения уровня отсортировки при повышении значений физико-химических свойств ШОС.
Из данных таблицы 3.4 видно, что наиболее значительное свойство ШОС, оказывающее возможное влияние на образование поверхностных трещин – это вязкость. С повышением вязкости шлакового расплава наблюдается снижение пораженности поверхности слябов прикромочными и продольными трещинами и, наоборот, повышается образование ребровых и поперечных трещин. Также можно отметить температуру начала плавления и исходное содержание Al2O3 в составе ШОС – они оказывают влияние на образование прикромочных, поперечных и продольных трещин: с повышением этих показателей уровень дефектности по прикромочным и продольным трещинами снижается, а по поперечным – увеличивается.
В дальнейшем в работе была определена связь между свойствами применяемых ШОС и показаниями системы «Термовизор». На рисунке 3.7 представлены графики зависимостей физико-химических свойств ШОС от средних значений температур для разных уровней термопар (T1, T2 и T3 соответствуют первому, второму и третьему уровню расположения термопар соответственно).
В таблице 3.5 представлены данные о влиянии физико-химических свойств ШОС (с указанием степени) на показания «Термовизора» по результатам анализа данных рисунка 3.7. Наибольшее влияние оказывают вязкость, содержание Al2O3 и температура начала плавления соответственно.
Для установленных ранее оптимальных составов ШОС (см. таблицу 3.3), обеспечивающих наименьшую отсортировку непрерывнолитых заготовок по поверхностным дефектам, были определены соответствующие им значения информационно-измерительной системы. Для этого были построены графики зависимости температур (средних значений) от скорости разливки и типа ШОС для сталей всех групп марок. На рисунках 3.8–3.10 представлены средние значения температур по данным комплекса «Термовизор» для разливки сталей группы 3.2 (перитектические стали) с применением ШОС №№1–3 соответственно.
Средние значения температур рассчитывали с учётом показаний всех активных термопар, расположенных в узких и широких стенках кристаллизатора. При анализе данных, представленных на рисунках 3.8–3.10, установлена разница между значениями температур в зависимости от типа применяемой ШОС и скорости разливки. Так, например, среднее значение температуры 1-го ряда термопар при скорости разливки 1,2 м/мин равняется 140, 160 и 132 С соответственно при применении ШОС №№1–3. Сопоставимая разница наблюдалась при всех скоростях для всех рядов термопар. По данным таблицы 3.2 оптимальной ШОС, обеспечивающей наименьший суммарный индекс дефектности слябов по поверхностным дефектам, является ШОС №3, следовательно, показания термопар при разливке с применением данной ШОС оптимальны для снижения риска возникновения поверхностных дефектов на непрерывнолитом металле группы 3.2.
Представленные на рисунках 3.8-3.10 зависимости характеризуют нормальный процесс разливки, то есть значения температур верхнего уровня термопар выше второго и третьего. Такое распределение значений температур гарантирует плавное нарастание толщины твёрдой корочки слитка сверху вниз. Однако возникают случаи, когда в процессе разливки температура в нижних уровнях термопар превышает температуру в верхних. В данном случае система фиксирует нарушение теплообмена и возможное прилипание корочки к стенке кристаллизатора.
Поэтому были проанализированы данные о разнице средних значений температур первого и второго, и второго и третьего уровней термопар для различных ШОС и групп сталей. Результаты сравнения приведены в таблице 3.6.
Жирным шрифтом в табдице 3.6 отмечены марки ШОС внутри каждой отдельной группы марок стали, которые отличаются большей стабильностью по показаниям системы «Термовизор», зеленым цветом выделены ШОС, показывающие лучшее качество согласно данным таблицы 3.2.
Таким образом, показания системы «Термовизор» являются значимыми для оценки стабильности работы различных ШОС в кристаллизаторе МНЛЗ в процессе непрерывной разливки.
Для сигнала-критерия «Вибрация» также был проведён комплексный анализ данных. Было установлено, что с увеличением значений данного сигнал-критерия резко увеличивается доля слябов, пораженных поверхностными дефектами, в особенности слябов, пораженных поперечными и ребровыми трещинами (см. рисунок 3.11).
Математическое моделирование состояния гарнисажа ШОС в зазоре
Для оценки влияния теплофизических свойств ШОС на теплоотвод в кристаллизаторе было выполнено математическое моделирование теплового состояния шлака в зазоре между слитком и кристаллизатором.
В первом блоке модели решалась задача отвода тепла от заготовки.
Согласно работе [68], плотность теплового потока может быть выражена соотношением
Однако в соотношении 4.7 известными для конкретных условий разливки являются только параметры v, z и L. Остльные параметры, входящие в уравнение 4.7, qo, qcp и к -неизвестны. Неизвестные могут быть определены с использованием имеющихся производственных данных. Они включают в себя осредненные значения температуры по данным комплекса «Термовизор» и среднего теплового потока qcp в зависимости от скорости разливки.
Для определения величины средней плотности теплового потока были собраны и обработаны данные паспортов разливки конвертерного производства ПАО «Северсталь». Всего было обработано 134 плавки. Величину qcp рассчитывали по формуле 1.21. На рисунке 4.18 представлены линейные зависимости средней плотности теплового потока для смесей №№1-3 в зависимости от скорости разливки стали перитектических марок (группа 3.2). Наибольшая плотность теплового потока наблюдается для смеси №2. В среднем она на 200 и 400 кВт/м2 выше, чем для ШОС №1 и №3 соответственно. Аналогичные зависимости были получены и для сталей других групп марок сталей.
Средние значения температуры в кристаллизаторе зависят от скорости разливки и могут быть описаны уравнениями, представленным на рисунках 3.8-3.10.
Однако q0 и k напрямую измерением определены быть не могут, и для их расчета используется решение трехмерной обратной задачи стационарной теплопроводности в расчетном комплексе Ansys 17.1 с применением оптимизационного подхода.
Обратная задача строится по следующему принципу. На внутренней стороне кристаллизатора учитывается распределение теплового потока по высоте кристаллизатора по соотношению 4.7. С другой стороны – в местах охлаждающих каналов – учитывается граничное условие в виде контактного теплообмена. Наглядно трехмерная модель представлена на рисунке 4.19.
Коэффициенты в соотношении 4.7 определяются из решения обратной задачи таким образом, чтобы расчетные температуры в местах установки термопар соответствовали экспериментальным значениям, представленным на рисунках 3.8–3.10.
Функционал, который необходимо минимизировать при решении обратной задачи, выражается следующим образом
Решение задачи оптимизации можно представить в виде структурной схемы (рисунок 4.20). На первом этапе задают начальные значения q0 и k, затем решают прямую задачу стационарной теплопроводности, определяют температурное поле, из которого вычисляют значения температур в трех точках – зонах установки термопар. Далее вычисляют функционал 4.8, и его оптимизация происходит за счет множества решений прямых задач по стандартным алгоритмам оптимизации из математического пакета Matlab.
Решение обратной задачи, позволяет определить оптимальные значения q0, k для конкретных смесей, группы определенных сталей и скоростей разливки. На рисунках 4.21–4.23 приведены графики распределения теплового потока.
Во втором блоке моделирования решали задачу распределения слоёв гарнисажа ШОС в кристаллизаторе с учетом теплофизических характеристик ШОС. Согласно данным рисунка 4.8, в каждом слое zi тепловой поток, температуры и толщины исследуемых слоев – различные, поэтому в качестве расчетной схемы была выбрана одномерная модель теплопередачи для каждого сечения-уровня, расположенного на расстоянии zi от мениска.
Теплопередачу в одномерной системе «слиток – кристаллизатор», включающей в себя слои, представленные на рисунке 4.8, можно описать посредством уравнений стационарной теплопроводности
Уравнение 4.8 представляет из себя систему четырёх линейных алгебраических уравнений относительно искомых температур Гіг, Г34 и Г45, и неизвестной толщины слоев й?2, Й?З и d4. Число неизвестных параметров превышает число уравнений, поэтому искомые неизвестные могут быть определены путем введения следующего допущения, связанного с моделированием границы раздела между корочкой стали и шлаком, в случае, когда корочка стали взаимодействует не с расплавленной ШОС, а с закристаллизовавшейся ШОС (область, близкая к выходу слитка из кристаллизатора). В работе [176] показано, что теплопередачу между слитком и кристаллизатором можно описать через контактный теплообмен с использованием коэффициента теплоотдачи В работе [176] для определения коэффициента предлагается зависимость (X от предела прочности ь менее пластичного материала соприкасающихся поверхностей. Подобный подход можно использовать для описания теплообмена между кристаллизовавшейся ШОС и корочкой стали. Однако, в отличие от предложенной зависимости (ь) в настоящей работе предлагается зависимость от температуры Тис корочки стали на границе раздела с кристаллизовавшейся ШОС.
Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры может быть объяснена наличием пластической деформации микронеровностей поверхности кристаллизовавшейся ШОС при взаимодействии шлака и слитка: при температуре шлака, близкой к температуре плавления, пластическое деформирование микронеровностей поверхности шлака приводит к увеличению площади поверхности контакта между шлаком и слитком. В этом случае, при более высоких температурах, коэффициент теплоотдачи максимален, а при низких температурах пластическое деформирование поверхности шлака обнаруживается в меньшей степени и коэффициент теплоотдачи минимален. Из вышесказанного можно предположить зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры в следующем виде где f – числовой коэффициент, значение которого рассчитывается из условия равенства температуры слитка на выходе из кристаллизатора значениям 1173…1273 К [176], T23 – температура кристаллизации ШОС, К.
Как было указано выше, условие (4.10) предполагает, что уравнение (4.9) справедливо только для сечений, в которых жидкая фаза ШОС отсутствует, то есть для исследуемой системы – это сечения в области, близкой к выходу из кристаллизатора. Использование этого допущения приводит к результату, представленному на рисунке 4.24.
Промышленные испытания гранулированных ШОС
В последнее время применение гранулированных шлакообразующих смесей на металлургических заводах России приобретает все большую популярность. В начале 2000 годов на основных металлургических предприятиях России и стран СНГ в среднем использовалось около 40 % гранулированных ШОС (ГШОС), около 5 % смесей на плавленой основе и около 55 % порошковых ШОС. В настоящее время существенно повысилась доля гранулированных ШОС. Она составляет более 85 % от всего объема потребления, оставшиеся 15 % приходятся на порошковые смеси, а ШОС на плавленой основе почти не применяются. Эта тенденция обусловлена следующими преимуществами гранулированных ШОС:
1. Отсутствие пылевидной фракции приводит к снижению потерь ШОС в виде уноса, что обеспечивает меньший удельный расход и лучшие условия труда рабочих. В таблице 5.14 представлены данные сравнения порошковой и гранулированной смеси №1, произведенной в цехе ЭШОС. Несмотря на то, что прочность гранул №1 ниже импортных аналогов и доля пылевидной фракции ( 63 мкм) достигала 10 мас. %, расход снизился на 0,17 кг/т по сравнению с её порошковым составом;
2. Лучшее распределение по поверхности металла в кристаллизаторе;
3. Возможность автоматизированной подачи в кристаллизатор;
4. Более длительный срок хранения.
В связи с вышесказанным, организация на металлургических предприятиях собственного производства гранулированных шлакообразующих смесей является технически и экономически эффективным мероприятием.
Кроме исходных компонентов при изготовлении гранулированных ШОС используют также различные связующие: карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ), лигносульфонаты технические, крахмал, полисахариды и др., которые должны обеспечивать гранулообразование, необходимую твердость и прочность гранул после сушки вплоть до подачи в кристаллизатор.
В таблице 5.15 приведены данные химического анализа промышленной ШОС №1 из одной партии до и после грануляции.
Из данных, приведенных в таблице 5.15 видно, что после грануляции происходит уменьшение содержания в ШОС фтора на 1,1 мас. % и оксида кальция на 0,7 мас. %. Одновременно происходит увеличение концентрации углерода на 0,74 мас. % и оксида натрия на 0,3 мас. %.
Увеличение содержания углерода в ШОС после грануляции можно объяснить добавкой в качестве связующего карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и лигносульфоната технического в количестве 1,5 мас. % каждого. Эти материалы представляют собой органические вещества, содержащие углерод.
По уже описанной методике была измерена скорость плавления промышленной ШОС №1 в гранулированном и порошковом виде. В отличие от предыдущих исследований для учета влияния формы и размеров частиц ШОС на скорость плавления образцы не прессовали, а засыпали в корундовое кольцо, расположенное на нагревателе. Навески образцов в ходе проведения экспериментов были одинаковыми – 0,5 г. Полученные данные представлены в таблице 5.16.
Средняя скорость плавления по трем замерам для гранулированной ШОС №1 составляет 53,4 г/(м2с), что на 10,4 отн. % ниже чем порошковой, средняя скорость плавления которой составляет 59,6 г/(м2с). Данное обстоятельство объясняет уменьшение толщины жидкого слоя в кристаллизаторе для гранулированной ШОС (см. таблицу 5.14).
Снижение скорости плавления гранулированной смеси связано с небольшим увеличением содержания углерода вследствие добавления связующих веществ в процессе производства, а также непосредственно с физическими свойствами гранулированной шлакообразующей смеси (меньшая насыпная плотность). Используя экспериментальные графики зависимости скорости плавления ШОС от концентрации углерода, определили необходимое значение снижения содержания углерода в ШОС-3…ШОС-5 при переходе к их грануляции (таблица 5.17).
Анализ фракционного состава гранулированной ШОС №1 показал необходимость упрочнения гранул ШОС – выявлена высокая доля пылевидной фракции ( 0,063 мкм) – до 10 мас. %, свидетельствующая о низкой прочности гранул ШОС.
Увеличить прочность гранул возможно путем корректировки температурного режима в башенно-распылительном сушиле (БРС), а также с помощью использования другого более эффективного типа связующего. Были проведены дополнительные работы по повышению прочности гранул в цехе ЭШОС. В результате, были даны рекомендации по температурным режимам в БРС, а также рекомендовано альтернативное связующее для грануляции ШОС. Методика подбора связующего описана в работе [181]. После улучшения процесса грануляции доля пылевидной фракции в образцах ШОС, отобранных на участке разливки, снизилась до 1,5 мас. %.
После изготовления шлакообразующих смесей отбирали пробы для проведения анализов. Требуемые характеристики ГШОС были получены с первого предъявления.
Опытные смеси использовали на одном или на обоих ручьях МНЛЗ при разливке указанных ранее сталей. Подача смеси производилась посредством установок непрерывной подачи шлаковой смеси (УНПШ).
В таблице 5.18 представлен реализованный объём испытаний.
В ходе испытаний были проведены измерения жидкого слоя шлака на мениске для опытных и промышленных ГШОС. Измерение толщины жидкой прослойки осуществляли с помощью приспособления, представленного на рисунке 5.13, а. Приспособление представляет из себя пластину, закрепленную на металлической трубке. На пластине закреплялось двадцать стальных проволок с намотанными на них медными проволоками. Одновременно подготавливались два таких приспособления, что позволяло замерять толщину жидкой ШОС по всей толщине кристаллизатора. Чтобы исключить влияние осцилляции кристаллизатора на результаты измерения приспособление опускалось на поверхность сыпучего слоя разливщиком, находившемся за пределами плиты. Место замера жидкого слоя ШОС представлено на рисунке 5.13, б.
По данным таблицы 5.22 показания «Вибрации» и «Динаскоп» для ГШОС-5 и ШОС №1 отличаются несущественно и удовлетворяют рекомендованным значениям.
Данные по качеству поверхности слябов, отлитых с применением опытных ГШОС, для каждой из групп марок сталей приведены в таблицах 5.23-5.25. Согласно данным таблицы 5.23, ухудшения качества поверхности слябов при разливке с использованием ГШОС-3 не обнаружено. Продольные трещины на разливаемом под ГШОС-3 сортаменте отсутствуют. Отсортировка по ребровым и прикромочным трещинам на металле, отлитом с применением опытной ГШОС меньше, чем на промышленной ШОС. На слябах, разлитых под серийно применяемой смесью, выявлены продольные трещины. Суммарная доля отсортировки по данному дефекту составила 11,8 отн.%. Таким образом, опытная ГШОС-3 обеспечивает лучшее качество поверхности неперывнолитого слитка, так как отсутствуют дефекты «продольная трещина», в пять раз ниже дефектность по «ребровым трещинам» и почти в два раза меньше дефектность по «прикромочным трещинам».