Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструкций системы сталеразливочный ковш -промежуточный ковш (ПК) - кристаллизатор (спк) сортовых машин непрерывного литья заготовок (мнлз) и пути их развития 7
1.1. Конструкционные особенности МНЛЗ 10
1.2. Основное оборудование системы сталеразливочный ковш -промежуточный ковш - кристаллизатор 13
1.2.1. Конструкция сталеразливочного ковша 14
1.2.2. Конструкции устройств для транспортировки промежуточных ковшей 16
1.2.3. Конструкции промежуточных ковшей. 18
1.2.4. Конструкция кристаллизаторов. 19
1.3. Моделирование процесса разливки стали в системе сталеразливочный
ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой МНЛЗ 26
1.4. Выводы по первой главе и цели работы. 30
2. Развитие конструкций системы сталеразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой мнлз на основе математического моделирования процесса непрерывной разливки стали 32
2.1. Основные положения методов конструирования элементов системы СПК сортовой МНЛЗ 32
2.2. Особенности функционирования оборудования системы СПК и задачи математического моделирования при создании кристаллизатора и сопутствующего оборудования 35
2.3. Условия математического моделирования процесса непрерывной разливки стали в промежуточном ковше .37
2.4. Результаты моделирования потоков стали системы СПК 41
2.5. Результаты моделирования распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора .44
2.6. Выводы по второй главе 47
3. Создание внутреннего профиля гильз кристаллизатора на основе математического моделирования процесса непрерывной разливки стали .48
3.1. Исследование дефектов сортовых заготовок системы СПК 48
3.1.1. Влияние дефектов непрерывно-литой заготовки на стойкость элементов системы СПК 53
3.1.2. Исследование распространенного дефекта сортовой заготовки при разливке различных марок сталей 55
3.1.3. Результаты проведенных исследований дефектов заготовок...58
3.2. Решение задач на основе математического моделирования процессов распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора .59
3.2.1. Условия распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора при различных температурах ликвидус .60
3.2.2. Условия распределения тепла в угловых зонах внутреннего профиля гильзы кристаллизатора 66
3.3. Разработка новой конструкции гильзы кристаллизатора 73
3.4. Выводы по третьей главе .76
4. Создание конструкций системы спк, сопутствующих улучшению качества заготовки при использовании гильз с улучшенным внутренним профилем 77
4.1. Проектная разработка устройства для защиты струи металла .77
4.1.1. Методика расчета при конструировании защитных устройств в подсистеме СК-ПК .79
4.1.2. Описание новой конструкции устройства для защиты струи металла 81
4.1.3. Экспериментальные исследования при использовании конструкций с различной величиной бурта 84
4.1.4. Оценка экономической эффективности проведенных исследований конструкции устройства для защиты струи металла..85 4.2. Проектная разработка устройства для снижения осевых отклонений потоков стали 87
4.2.1. Проблемы визуализации процесса для выставки ПК .87
4.2.2. Анализ образования эрозии огнеупорных элементов без применения устройств для снижения осевых отклонений потока жидкой стали .89
4.2.3. Оценка влияния отклонения от осей сталевыпускных отверстий для определения нормальных условий работы огнеупорных материалов 92
4.2.4. Описание работы устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали .93
4.3. Выводы по четвертой главе .96
5. Промышленная реализация полученных конструкций системы СПК 97
5.1. Цель и организация промышленных исследований .97
5.2. Применение новых конструкций системы СПК 97
5.3. Результаты промышленных испытаний новых элементов системы СПК по полученным образцам темплетов сортовой заготовки 101
5.4. Выводы по пятой главе 109
Заключение .112
Список литературы
- Конструкции устройств для транспортировки промежуточных ковшей
- Особенности функционирования оборудования системы СПК и задачи математического моделирования при создании кристаллизатора и сопутствующего оборудования
- Влияние дефектов непрерывно-литой заготовки на стойкость элементов системы СПК
- Экспериментальные исследования при использовании конструкций с различной величиной бурта
Конструкции устройств для транспортировки промежуточных ковшей
разливка стали занимает заключительное место, по сути, являясь промежуточным звеном между сталеплавильным и прокатным производством.
Способ непрерывного литья заготовок является одним из наиболее важных достижений металлургии двадцатого века, получивших самое широкое распространение в мировом сталеплавильном производстве [18, 19, 20, 39, 83].
Принцип непрерывной разливки заключается в том, что жидкая сталь, попадая в интенсивно охлаждаемую сквозную форму прямоугольного или квадратного (круглого) сечения — кристаллизатор, где происходит частичное затвердевание непрерывно вытягиваемого слитка, в дальнейшем затвердевает при прохождении зоны вторичного охлаждения [1, 4, 16, 21, 26, 44].
Основные преимущества непрерывного литья стали, по сравнению с разливкой в изложницы, заключаются в следующем [5, 17, 19, 26, 69, 71, 77, 117, 121]. Отпадает необходимость в большом парке изложниц и сталеразли-вочных тележек, в применении кранов и стационарных машин для извлечения слитков из изложниц, установок для охлаждения и подготовки составов с изложницами под разливку и заготовочных станов. Снижаются эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии, повышается выход годного металла вследствие минимальных потерь металла в скрап, ликвидации литников, резкого уменьшения расхода металла на обрезь в прокатных цехах. Значительно повышается качество металла. Процесс непрерывного литья полностью автоматизирован. Перспективы развития процессов непрерывной разливки стали являются самыми обсуждаемыми темами семинаров и конференций, посвященных тенденциям современной металлургии [117, 121]. В 2005 г. в Ницце (Франция) на пятой Европейской конференции по непрерывной разливке стали докладчик П. Гуглиермин сообщил о новых технологических решениях и построениях, обеспечивающих многие транснациональные компании постоянной и высокой конкурентоспособностью в области производства длинномерной металлопродукции. Докладчиком отмечено, что одним из приоритетных направлений развития технологии и оборудования будет, в частности, реализация решений в части непрерывной разливки новых высококачественных сталей, получение оптимальных профилей заготовки.
Достаточно широко обсуждались вопросы оптимизации условий подачи металла в кристаллизатор через погружаемые стаканы. Основные исследования направлены на изучение условий зарастания стаканов в ходе разливки и на выяснение влияния образующихся твердых отложений на характер течения металла. В качестве основных причин зарастания внутренней полости погружаемых стаканов указываются попадание технологического шлака из сталеразливочного ковша и вторичное окисление стали при переливах.
В целом основные направления развития непрерывной разливки связаны со стремлением максимально увеличить производительность каждой МНЛЗ, в том числе путем достижения большей серийности разливки без остановки машины. Уже сегодня достигнуты рекордные показатели - более 1200 плавок в одной серии. Поэтому основным требованием к работе МНЛЗ будет обеспечение качества заготовки в соответствии с требованиями международных стандартов и норм.
Особое внимание было уделено проблеме обеспечения чистоты стали, в частности загрязненности ее оксидами. Доклад, сделанный К. Вюнненбер-гом (Международный институт чугуна и стали, Бельгия) от рабочей группы Чистая сталь, которая представляет ведущие металлургические компании, в целом обозначил современный уровень проблемы и подтвердил, что решающее влияние на чистоту стали оказывают процессы внепечной обработки и непрерывной разливки. Эта проблема хорошо рассмотрена в современной технической литературе. Развитие теоретических представлений об удалении и захвате неметаллических включений в процессе затвердевания заготовки, в том числе и совместно с всплывающими пузырьками аргона, которые инжектируются в расплав, например через стопор-моноблок, представлено фирмами CRM, "Corus RD&T и Arcelor Research.
В ряде докладов были представлены результаты физического и математического моделирования отдельных элементов процесса непрерывной разливки стали. Это позволяет расширить и уточнить знания в теории и практике процессов непрерывного литья и в конечном счете обеспечивает новые возможности в части совершенствования конструкции МНЛЗ и управления реальными процессами литья. Результаты моделирования процессов затвердевания непрерывнолитой заготовки практически не рассматривались, что объясняется их достаточной изученностью в предыдущий период. Фактически результаты моделирования теплового состояния заготовки представлялись в докладах, касающихся вопросов термонапряженного состояния заготовки, прогнозирования появления трещин в ходе литья, а также описания процессов деформации заготовки при загибе, разгибе и «мягком» обжатии [113].
Значительно большее внимание исследователей в настоящее время сконцентрировано на процессах перемещения металла в промежуточном ковше и истечения в кристаллизатор. В целом усилия направлены на описание основных закономерностей течения металла, распределения температурных полей и траекторий движений неметаллических включений (и пузырьков вдуваемого аргона) в жидкой ванне ковша и кристаллизатора. Предложенные рекомендации позволяют говорить об оптимизации геометрических параметров промежуточных ковшей (включая перегородки и пороги) и погружаемых стаканов (расположение отверстий и конструкция донной части) применительно к конкретным условиям литья (геометрия заготовки, параметры вдувания аргона, условия наложения электромагнитного воздействия и т.п.), а также об обеспечении условий защиты стали на участке между ковшом и кристаллизатором. Особо следует отметить, что в большинстве представленных материалов в качестве базовых экспериментальных данных использовались результаты физического моделирования. Достаточно интересно, что в докладах сообщалось в основном об оригинальных математических моделях, разработанных авторами или поддерживающими их научными группами и исследовательскими центрами.
Конференция по непрерывной разливке стали позволила рельефно обозначить современные тенденции и последние достижения в развитии процессов непрерывной разливки стали, а также подтвердила тезис о том, что последние технические достижения в этой области обеспечивают производителям металла максимальный успех и устойчивость в бизнесе.
Развитие теории и практики непрерывного литья рассматривается в совокупности со всем комплексом технологии сталеплавильного производства, базирующимся на достаточно небольшой совокупности схем, устойчивых технических системах, которые ограничиваются базовыми физическими и химическими закономерностями. Эти системы в настоящее время представляются достаточно хорошо продуманными и обоснованными, поскольку охватывают весь процесс, начиная с подготовки сырья и производства, энергии и заканчивая чистотой стали и ее эксплуатационными свойствами, что обеспечивает оптимальное качество металлопродукции при минимальных затратах. Следует ожидать, что в ближайшие 10-15 лет прогресс в непрерывной разливке стали будет достигаться на базе традиционных решений и конструкций МНЛЗ в результате проведения небольших, но глубоких и тонких конструкционных и технологических совершенствований [85].
Особенности функционирования оборудования системы СПК и задачи математического моделирования при создании кристаллизатора и сопутствующего оборудования
Одним из основных принципов конструирования оборудования системы сталеразливочный ковш – промежуточный ковш – кристаллизатор сортовой МНЛЗ является принцип системного подхода, применение которого связано с другими методологическими принципами: принципом максимальной эффективности, принципом типовых решений, принципом обеспечения развития создаваемого объекта [42].
Под системным подходом [42, 88] понимают совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по задачам научно-технического характера при анализе элементов системы ста-леразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой МНЛЗ. Роль системного подхода особенно возрастает при анализе и проектировании сложного оборудования [88], так как процесс конструирования является многоэтапным и обычно проходит на основе предварительного изучения всего объема исходных данных. Система сталеразливочный ковш -промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой МНЛЗ - это значительное число элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенное единство. Важнейшими системными принципами являются целостность, структурность, взаимозависимость системы и среды, иерархичность, множественность [42, 88].
Под целостностью понимают принципиальную несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из свойств целого, а также зависимость каждого элемента, свойства и отноше ния системы от его места и функций внутри целого [42, 88]. Оборудование системы не может рассматриваться как простая сумма входящих в нее агрегатов, узлов и элементов, так как благодаря непрерывности и возможности оперативного управления процессом проектирования она позволяет производить изделия принципиально нового качества.
Принцип структурности говорит о возможности описания системы через установление ее структуры (т. е. сети связей и отношений системы) и об обусловленности поведения системы в целом поведением ее отдельных элементов и свойствами ее структуры.
Взаимозависимость системы и среды (в рассматриваемом случае -движущейся жидкой стали) означает, что система формирует и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, и поэтому любая система имеет входы и выходы. Например, входами являются температурные условия (температура, влажность), размеры непрерывно-литой заготовки, требуемая производительность и т.д.
Согласно основным современным направлениям в теории и практике непрерывного литья проведены исследования в следующих областях: – истечения жидкой стали из промежуточного ковша в кристаллизатор; – участков, требующих обеспечения условий защиты стали, в том числе от вторичного окисления и увеличения содержания азота в стали; – участков, требующих оптимизации геометрических параметров промежуточных ковшей; – увеличения производительности МНЛЗ путем достижения большей серийности разливки без остановки машины; – отдельных элементов процесса непрерывной разливки стали для создания конструкций на основе физического и математического моделирования, позволяющих повысить качество непрерывно-литой заготовки. Разработан алгоритм, позволяющий определить проблемные места, возникающие в процессе анализа системы СПК МНЛЗ (рисунок 2.1).
На первом этапе алгоритма осуществляется изучение существующего оборудования СПК с целью определения проблемных мест для решения задач, направленных на достижение большей серийности без остановки ручьев МНЛЗ при минимальных затратах.
На втором этапе алгоритма осуществляется изучение процессов, происходящих при разливке стали, влияющих на образование дефектов полу 35 чаемой продукции, с целью снижения этих дефектов на стадии их образования. Особенности функционирования оборудования системы СПК и задачи математического моделирования при создании кристаллизатора и сопутствующего оборудования Важнейший элемент системы СПК сортовой МНЛЗ - кристаллизатор (рисунок 1.1). Развитие конструкции кристаллизатора охватывает методы рационального теплоотвода и управления однородностью толщины затвердевшей оболочки слитка, формирующейся в кристаллизаторе; предотвращение деформации кристаллизатора в процессе эксплуатации; удлинение срока службы; оперативное изменение сечения заготовки [4, 6, 8, 11, 12, 24, 29]. Кристаллизатор оснащен специальной медной гильзой, которая позволяет производить разливку с высокой скоростью. Сталь в кристаллизаторе охлаждается при помощи первичного охлаждения так, чтобы образовалась корочка с несущей способностью, устойчивой к тянущим движениям. Образование корочки заготовки и первичная кристаллизация слитка металла -важнейшая задача, от правильности выполнения которой зависит дальнейшее условие по образованию качественной заготовки с заданными параметрами [86]. Для улучшения работы кристаллизатора, между медной гильзой и корочкой заготовки в него податся разливочный порошок (шлакообразующая смесь) при разливке стали «закрытой» струей или масло (рапсовое или другое минеральное масло) при разливке «открытой» струей.
Влияние дефектов непрерывно-литой заготовки на стойкость элементов системы СПК
При проведении анализа полученной температуры замеры е в ПК осуществлялись как при помощи одноразовых термопар, так и с системой непрерывного замера температуры «OPTICAST» [32, 33].
Известны работы А.Н. Смирнова, Б.А. Сивака, В.Б. Ганкина, Г.И. Николаева, Е.В. Штепана, И.В. Лейриха, в которых широко рассмотрены процессы возникновения внутренних напряжений при образовании корочки непрерывно-литой заготовки в процессе разливки стали; внутренние напряжения в углах заготовок при величине радиуса сопряжения граней гильзы от 3-5 мм [11, 12, 82-86]. Недостатком этих работ является отсутствие расчета определения рациональной формы угловой зоны для получения условий, при которых не происходит разрушение корочки и уменьшается величина дефекто-образования.
Проанализировав уменьшения дефектообразования непрерывно-литой заготовки, возникающего при пребывании металла в граничных состояниях в условиях тепломассопереноса, можно сделать вывод, что для стабилизации процесса образования условий плавности распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора необходимо рассмотреть зависимость возникновения дефекта с точки зрения геометрических особенностей гильзы кристаллизатора, то есть рассмотреть геометрию сечения гильзы.
Условия распределения тепла в угловых зонах внутреннего профиля гильзы кристаллизатора
В кристаллизаторе при условии смещения струи жидкой стали по одной из осей кристаллизатора происходит образование областей снижения нормального соприкосновения жидкой стали и стенок кристаллизатора в нескольких угловых зонах, а при смещении относительно двух осей - образование области в одном углу кристаллизатора. При разработке кристаллизаторов в работах Б.А. Сивака, В.М. Паршина и других существование этих областей описано как зоны отхода от одного или нескольких углов кристаллизатора, которые способствуют образованию газового зазора [8, 10, 11, 12, 31, 62, 70].
Явление образование газового зазора в угловой части квадратного внутреннего профиля элемента подсистемы кристаллизатор было рассмотрено с точки зрения распределения потоков жидкой стали относительно энергетических констант [31].
Принимая во внимание, что жидкость, в том числе и жидкая сталь, в каждой своей точке имеет одинаковое давление, а распределение потоков стали внутри периметра стремится к своей энергетической константе – окружности, т.е. в условиях равности распределения потоков в любой точке n, расположенной по периметру энергетической константы (рисунок 3.9). ления до величины r - радиуса вписанного в квадрат круга. Величина, препятствующая свободному потоку к своей энергетической константе, относительно стороны квадратного внутреннего профиля к потоку стали в углах квадрата будет иметь следующий вид:
Выявленное число от а до 0,207а показывает геометрическую зависимость отклонения потоков, распределяющихся в плоскости, перпендикулярной боковой грани гильзы кристаллизатора, при стремлении к своей энергетической константе.
Уменьшение величины потока стали в углах квадрата создает условия, при которых происходит образование газового зазора, препятствующего теп-лопереносу жидкой стали. Данное явление существенно снижает образование гарантированной корки в менисковой зоне и ухудшает условия смазки на внутренних боковых поверхностях гильзы кристаллизатора за счет большей отдачи тепла на боковые поверхности, чем на углы. Это наблюдается по цвету побежалости на наружных поверхностях гильз, представленных на рисунке 3.11. При этом угловая зона практически не меняет своей цветовой гаммы, что свидетельствует о недостаточном теплопереносе и образовании газового
орцевая поверхность; б - радиальная поверхность зазора, который препятствует тепломассообмену жидкой стали (углы охлаждают сами себя, не принимая термического перегрева в менисковой зоне), либо это говорит об избыточной смазке в угловой части на внутренней поверхности гильзы кристаллизатора.
Принимая во внимание, что для обеспечения условий, препятствующих образованию газового зазора в углах квадрата, при уменьшении величины потока жидкой стали, рассмотрим внутренний угол квадрата в виде радиуса.
На существующих гильзах угловой радиус составляет 7 мм. Это условие не достаточно для образования угловой зоны, обеспечивающей стабильную работу сортовых машин непрерывного литья заготовок, но не позволяет уменьшить газовый зазор в полной мере. Для решения задачи необходимо выполнить условия, при которых происходит уменьшение либо исключение возникновения газового зазора, -уменьшив длину контакта для увеличения соприкосновения жидкой стали и внутренней поверхности гильзы кристаллизатора.
Рассмотрим внутренний угол в виде прямой в точках соприкосновения со стенками внутреннего квадратного профиля рационального радиуса (рисунок 3.13). Данная величина характеризует улучшение условий соприкосновения жидкой стали к угловой контактируемой плоскости на 37%, что положительно скажется на снижении газового зазора в углах гильз кристаллизаторов.
Дополнительное условие, подтверждающее уменьшение газового зазора в углах гильзы - это увеличение давления жидкой стали на угловую поверхность при угле, выполненном в виде радиуса (рисунок 3.14, а) по отношению к углу, выполненного в виде фаски (рисунок 3.14, б).
Экспериментальные исследования при использовании конструкций с различной величиной бурта
По мере закрепления стаканов 4 на поверхность корпуса 1 ковша наносят слой специальной массы 2 [25]. Затем ковш отправляют на просушку, объем ковша при этом прогревается. Перед установкой промежуточного ковша на транспортную тележку с ковша снимается дополнительное оборудование.
Ковш далее поступает на МНЛЗ. В ковш подают жидкую сталь. Потоки жидкой стали равномерно распределяются по пространству промежуточного ковша, через объем 5 стаканов 4, поступая в кристаллизаторы сортовых МНЛЗ. Совпадение оси 11 полости 5 стаканов 4 с осью 12 обеспечивает в процессе разливки организацию потоков стали рациональной конфигурации без нарушения е целостности, исключая боковые смещения струй металла в сторону. Это уменьшает количество выносимых в металл неметаллических включений и обеспечивает повышение качества непрерывно-литой заготовки [10, 40, 63, 90]. Отсутствие осевых отклонений при разливке металла позволяет оптимизировать процессы формирования корочки непрерывно-литой заготовки в кристаллизаторах [31, 40, 63]. 4.3. Выводы по четвертой главе
1. Рассмотрены причины преждевременного износа огнеупорных материалов системы СПК.
2. Разработана методика, позволяющая конструировать устройства для защиты струи металла при разливке на МНЛЗ.
3. Новая конструкция уплотнительной вставки применяется на МНЛЗ в условиях ММК, получен патент на полезную модель № 102552 [63].
4. Применение устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали на МНЛЗ позволяет создать условия для равномерного распределения потоков жидкой стали в кристаллизаторах и гарантированного получения непрерывно-литой заготовки с необходимыми геометрическими параметрами.
5. Конструкция устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали позволила обеспечить бесперебойную разливку стали на сортовой МНЛЗ.
6. Разработана рабочая документация на изготовление устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали для сортовых МНЛЗ-1,2 ЭСПЦ ММК. 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ и организация промышленных исследований
Цель промышленных исследований заключалась в практической оценке эффективности применения гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем, разработанных на основе математического моделирования, сравнения с гильзами, рекомендованными к серийному применению и, при положительном результате испытаний, внедрении новых гильз кристаллизатора на сортовых МНЛЗ ЭСПЦ ММК.
Результатом для оценки эффективности применения гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем станет количественное увеличение ресурса работы этих гильз (стойкость). Для сравнения эффективности применения новых гильз принята средняя стойкость гильз, используемых на сортовых МНЛЗ, на момент испытания.
При достижении положительного результата от применения гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем необходимо дополнительно провести оценку качества сортовых заготовок, полученных при применении этих гильз. При оценке качества сортовых заготовок необходимо использование сопутствующих новых элементов системы СПК, которые косвенно могут повлиять на правильность получения результатов при расчете эффективности применения гильз кристаллизатора.
Применение новых конструкций системы СПК Для проведения испытаний были изготовлены опытные партии гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем и вставок для защит 98 ной трубы по разработанной документации, произведена выставка осей ста-левыпускных отверстий огнеупорных элементов ПК [31, 62]. После гарантированной разливки стали через одну гильзу кристаллизатора был произведен е демонтаж из корпуса кристаллизатора. При осмотре гильзы с новой геометрией в сравнении с обычной гильзой было выявлено: 1) применение гильз кристаллизатора с улучшенной внутренней геометрией позволило улучшить условия тепломассопереноса, это видно по цветам побежалости на наружной поверхности гильзы кристаллизатора. На рисунке 5.1 отчетливо видно уменьшение термических нагрузок на стенки кристаллизатора и более равномерное распределение тепломассопереноса при использо а б Рисунок 5.1 - Наружная поверхность гильз кристаллизатора: а – стандартный внутренний профиль; б - новый внутренний профиль вании гильз с внутренним углом, выполненном в виде фаски (по цветам побежалости). Это говорит о более устойчивых процессах образования гарантированной корки на сортовой заготовки при выходе из кристаллизатора; 2) во время разливки стали через гильзу кристаллизатора с новой геометрией снижение качества сортовой заготовки зафиксировано не было. Результаты проведенного осмотра позволили получить предварительное заключение о целесообразности дальнейшего проведения промышленных испытаний.
