Содержание к диссертации
Введение
1 Математическая модель глубины жидкой фазы 22
1.1 Математическое моделирование процессов непрерывной разливки 22
1.2 Адаптация математической модели к сортаменту и реальным условиям разливки на слябовой УНРС ЭСПЦ ОАО «Северсталь» 40
2 Математическая модель слитка, как оболочкового тела . 48
2.1 Расчет толщины твердой фазы на рассматриваемой высотной отметке . 48
2.2 Распределение температуры по толщине твердой фазы. 52
3 Математическая модель деформации непрерывнолитого слитка . 55
3.1. Расчет оптимальной величины обжатия. 55
3.2 Расчет усилия деформации полностью кристаллизовавшегося слитка 62
3.3 Расчет усилия деформации слитка с не полностью затвердевшей сердцевиной. 74
3.4 Прогиб боковой поверхности слитка от действия ферростатического давления . 83
4 Экспериментальная часть 85
4.1 Определение температуры и скорости движения поверхности слитка. 85
4.2 Определение величины прогиба боковой поверхности слитка . 95
Разработка «on-line» системы визуализации процесса разливки с применением технологии мягкого обжатия. 114
5 Проект четвертой роликовой секции с регулируемой величиной обжатия . 122
Общие выводы по диссертации. 132
Литература. 135
Приложения. 144
- Адаптация математической модели к сортаменту и реальным условиям разливки на слябовой УНРС ЭСПЦ ОАО «Северсталь»
- Расчет толщины твердой фазы на рассматриваемой высотной отметке
- Прогиб боковой поверхности слитка от действия ферростатического давления
- Определение величины прогиба боковой поверхности слитка
Введение к работе
Качество прокатной продукции - это производная от соблюдения технологии на всех этапах металлургического передела. Некоторые дефекты, обретенные на более раннем переделе, не устраняются при дальнейшей пластической и термической обработке и переходят в готовые изделия. Характер кристаллизации металла при непрерывной разливке стали, приводит к отклонению гомогенных свойств в сердцевине сляба, а затем и толстого листа.
Значительную долю заказов ОАО "Северсталь" составляет толстый лист, применяемый для производства газопроводных труб большого диаметра, а также сталь для судостроения и для морских буровых платформ, строительная сталь, металл для мостостроения и другие виды ответственной продукции. К этим видам продукции потребителями предъявляются особые требования по изотропности и однородности структуры, повышенные требования по прочности, в том числе в Z -направлении, пластичности, ударной вязкости, что требует значительной проработки осевой зоны сляба. В тоже время, для повышения производительности и качества поверхности сляба требуется увеличение рабочей скорости вытягивания. Повышение скорости разливки стали приводит к ухудшению макроструктуры осевой зоны сляба, повышению его осевой рыхлости и химической неоднородности.
Существуют различные способы воздействия на формирование макроструктуры слябов: уменьшение температуры разливаемого металла, ввод в металл ленты и микрохолодильников, использование электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе и в зоне окончания затвердевания, применение импульсного и вибрационного воздействия на кристаллизующийся металл и другие технологии. Однако эти методы либо требуют сложного оборудования, либо результаты воздействия не обладают высокой надежностью улучшения показателей, либо еще недостаточно отработаны.
В последнее время рядом зарубежных фирм широко применяется технология, так называемого, мягкого обжатия непрерывнолитой заготовки, то есть обжатие с не полностью затвердевшей сердцевиной [1-9].
Обжатие осуществляется в роликах секций вторичного охлаждения установки непрерывной разливки стали (УНРС).
Применение мягкого обжатия позволяет решать ряд проблем, имеющих место при непрерывной разливке стали, как представлено на рис. 1.
Уменьшение химической неоднородности (ликвации) по оси слитка.
Уменьшение
осевой пористости.
Увеличение
эквивалентной
металлургической
длины.
Уменьшение
энергозатрат на
производство
единицы продукции.
Рис. 1. Основные причины применения технологии мягкого обжатия.
Рассмотрим более детально механизм и результаты применения технологии мягкого обжатия - внешнего силового воздействия на слиток с не полностью затвердевшей сердцевиной.
При кристаллизации непрерывнолитого слитка в зоне секций вторичного охлаждения его поперечное сечение будет иметь характерное трехфазное строение: жидкая фаза, двухфазная зона, твердая фаза. Большинство представлений о возникновении и развитии зональной неоднородности слитков и, в том числе, осевой неоднородности основано на том, что в результате избирательной кристаллизации происходит повышение концентрации примесей в жидком растворе в зоне кристаллизации. Жидкость, обогащенная примесями, или образовавшаяся новая фаза тем или иным путем перемещаются из одних горизонтов слитка в другие.
5 Скапливаясь в тех или иных участках слитка, примеси образуют различные формы зональной неоднородности.
При обсуждении возможных причин перемещений [10,11] в процессе кристаллизации таких компонентов стали, как углерод, фосфор, сера, обычно образующих скопления в слитках, следует иметь в виду, что в жидкой стали обычного состава они находятся в растворенном состоянии, поэтому механическим воздействием растущих кристаллов (выталкиванием) на примеси нельзя обосновать причину их перемещения в процессе кристаллизации.
Причиной перемещения растворенных примесей является диффузия их из жидкости межосных пространств дендритов двухфазной области в жидкую область, граничащую с двухфазной [10]. Это объясняется тем, что скорость диффузии атомов в жидком металле на несколько порядков выше, чем в твердом.
Движение жидкого металла, относительно кристаллизующегося, многократно ускоряет развитие диффузионных процессов, в результате чего выравнивание состава жидкости двухфазной и жидкой областей происходит полнее. Это усиливает неоднородность сплава (конвективная диффузия).
В.М. Тагеевым и Ю.Д. Смирновым предложена схема, рис. 2, поясняющая изложенное представление.
В результате протекания процессов диффузии примесей от «а» к «б» и «в» образуется внутридендритная («а») и междендритная («б») неоднородность. Постепенно увеличивается концентрация примесей в металле слитка, затвердевающем на более поздней стадии кристаллизации («в»). Развитие этих процессов зависит от соотношения скоростей диффузии и кристаллизации стали. Чем меньше скорость кристаллизации стали, тем полней протекают процессы диффузии, тем более развитыми становятся дендриты и тем сильней развивается химическая неоднородность слитка.
а б в
Рис. 2. Схема перераспределения примесей при кристаллизации
стали (стрелками показано направление диффузии атомов):
1-область (зона) двухфазного состояния; 2-область жидкого состояния;
3-область полностью затвердевшего металла; а - сросток осей любого
порядка; б - группа кристаллов, образование межкристаллитной
неоднородности; в - обогащение примесями жидкой области слитка.
Понижение скорости кристаллизации по мере продвижения зоны затвердевания в глубь слитка приводит к изменению характера дендритов. На смену мало разветвленным на периферии приходят крупные сильно разветвленные дендриты большой протяженности. Расстояния между вторичными осями увеличиваются. Концентрация примесей в межосевых пространствах также повышается. Наибольшую склонность к ликвации из обычных примесей имеют сера, кислород, фосфор, углерод, в значительно меньшей степени - марганец и кремний.
Зональная неоднородность сопровождается нарушением
кристаллической структуры и полным или частичным заполнением этих мест маточным раствором. Нарушение структуры приводит к образованию физической неоднородности, ярким проявлением которой является осевая пористость. Она образуется, как известно, в результате усадки металла в условиях недостаточного питания.
На основе анализа процесса перераспределения примесей при кристаллизации В.М. Тагеев впервые высказал гипотезу о том, что скопление
7 примесей в осевой зоне - результатом местного их перераспределения при усадочных перемещениях жидкого металла [12]. Это предположение позднее было экспериментально подтверждено [10]. В качестве объектов исследования использовали специальные отливки.
Отливка представляла собой четыре шара различных размеров, соединенных между собой горизонтальными литниками. После заливки металла через общий вертикальный питатель в нижнюю часть его вводили радиоактивный изотоп, который распространялся вдоль горизонтальных литников в виде клина. Величина клина определялась градиентом усадочных перемещений. При сопоставлении радиограмм и серных отпечатков было установлено, что большему размеру шара соответствуют большие усадочные перемещения металла и большее развитие осевой неоднородности в литниках. На радиограммах наблюдаются характерные пережимы (сужения) клина, которые являются проявлением опережающего роста отдельных дендритов при кристаллизации осевой зоны. Ниже пережимов образуются усадочные полости, частично заполненные металлом, обогащенным примесями. Выше пережимов выявляются V-образные участки, в которых светлый тон чередуется с темным, что свидетельствует о характере направления перемещений металла в этих участках и образования в связи с этим V-образной неоднородности.
Проведенные опыты подтвердили усадочную природу процесса образования осевой неоднородности и выявили решающую роль пережимов в развитии характерных V-образных скоплений и усадочных полостей в осевой зоне слитка. Таким образом, V-образная неоднородность (осевая пористость) является следствием усадочных перемещений металла при затрудненном питании кристаллизующихся осевых объемов слитка.
Вследствие неравномерного прорастания в глубь слитка кристаллов, сближающихся на последних стадиях затвердевания двухфазных областей, осевая зона разделяется на ряд участков. Эти пережимы отсоединяют осевую зону от жидкого металла, ограничивая питание.
8 Обжатие сляба может производиться как в приводных (тянущих), так и в холостых роликах секции вторичного охлаждения. Одна сторона роликовых секций остается не подвижной (фиксированная сторона), а другая смещается на требуемый размер. В качестве привода чаше всего используют - гидравлический, что позволяет регулировать величину и усилие обжатия [1-9]. Использование пропорционального гидропривода позволяет осуществить регулирование роликовых секций с заданной точностью (±0,1-0,3мм).
Согласно данным исследований [2,4,6,9], воздействие ролика на слиток, содержащий в осевой зоне 100% жидкий металл, не приведет к положительным результатам. Деформированная корочка упруго прогибается на величину обжатия. После снятия нагрузки она восстанавливает свою первоначальную форму. Поврежденные по фронту кристаллизации кристаллы растворятся в жидком металле, что не повлияет на макроструктуру осевой зоны. Заметный положительный результат наблюдается при достижении содержания жидкой фазы по оси слитка в диапазоне от 30% до 70%. Диапазон между температурой выливаемости и питания характеризует процесс образования мостов и пережимов, ограничивающих питание осевой зоны слитка. Уже при незначительном воздействии ролика на слиток, находящийся в таком фазовом состоянии, кристаллы осевой зоны сталкиваются друг с другом и ломаются, разрушая тем самым образующиеся пережимы. Питание осевой зоны происходит, практически, до момента полного вырождения жидкой фазы. Кроме этого, кусочки кристаллов, растворяясь в жидком металле, создают множество мелких центров кристаллизации. Это является катализатором застывания слитка. Если осевая ликвация, как и пористость, зависит от интенсивности усадки при затвердевании, то можно считать, что для ее уменьшения целесообразно обжатие слитка в то же время, что и для уменьшения пористости. Результаты опытов [1,6], представленные на рис.3, показывают
некоторые различия, связанные с шириной интервала температур кристаллизации.
Тл-Тс =^0 С
Тл-Тс -60 С
Тл-Тс =80 С
Ч—I—I 1—1 \
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
по оси слитка
Рис. 3. Модель устранения осевой пористости и осевой ликвации путем
обжатия слитка.
На рисунке представлена принципиальная схема задания режима обжатия для наиболее характерных сталей. Символами А-С обозначены зоны жидкой и твердой фаз в слитке, характер которых изменяется в зависимости от задания участка обжатия. Символом А отмечена зона неэффективного обжатия, символом В - зона обжатия, эффективного с позиции уменьшения осевой пористости, а символом С - зона эффективного уменьшения осевой ликвации.
Для устранения осевой пористости в слитке с малой усадкой при затвердевании (малый интервал температур кристаллизации) эффективно даже сравнительно раннее обжатие (при малой доле твердой фазы). Для стали с большой усадкой (большой интервал температур кристаллизации) раннее и недостаточно интенсивное обжатие может не дать ожидаемого эффекта, поскольку после обжатия образуются усадочные раковины при затвердевании остатка жидкой фазы (зона А).
В отношении осевой ликвации можно отметить, что если на участке обжатия величина деформации жидкой сердцевины превышает размер жидкой фазы (зона С), то обогащенный ликватами маточный раствор может быть полностью выдавлен из сердцевины.
Таким образом, внешнее силовое воздействие на слиток, находящийся в конечной фазе затвердевания (0,7-0,99 доля твердой фазы) способствует, в значительной мере, подавлению ликвационных процессов и снижению осевой рыхлости слитка. С другой стороны, согласно данным исследований, [2] существуют две критические величины деформации слитка. Первая величина показывает нижний предел эффективности обжатия (более низкая величина обжатия не приведет ни к какому положительному эффекту). Вторая величина - верхний предел эффективности обжатия (более высокая величина обжатия приведет к появлению внутренних трещин).
Организация обоснованных контролирующих и управляющих воздействий невозможна без наличия надежных методов и средств контроля параметров разливки. К числу важнейших характеристик, отражающих тепловые процессы формирования твердой фазы, относятся толщина оболочки и ее температура.
Известные из литературы методы прямого измерения толщины затвердевшего металла связаны с погружением в расплав щупа из несмачиваемого жидким металлом материала [13], забивание в оболочку заклепок, оплавляемых при границе раздела фаз [14] и выливании жидкого остатка (декантации)[15]. Эти методы не нашли применения в промышленности и используются только для проведения экспериментальных работ, что позволяет выделить в особую группу методы непрерывного контроля толщины оболочки, основанные на обработке результатов косвенных замеров.
Метод измерения толщины твердой фазы включает пропускание через слиток электрического тока. Он основан на изменении удельного электрического сопротивления металла при переходе из жидкого состояния в
твердое [16,17]. Безопасная величина напряжения и силы тока, используемого в данном методе, значительно сужает диапазон измеряемых величин. Вследствие нестабильности и большой величины электрического сопротивления в зоне контакта токопроводящего элемента с оболочкой слитка, этот способ так же отличается невысокой точностью и может давать только качественную картину.
Известные методы измерения толщины оболочки, включающие использование ультразвука, можно объединить в три группы: методы ультразвукового излучения [18], ультразвуковой проницаемости [19,20] и звуковой локации [21,22].
Общим недостатком способов, основанных на ультразвуковых и звуковых эффектах, является их низкая точность. Это вызвано, прежде всего наличием мощного промышленного звукового фона, сопровождающего процесс разливки. Сложным вопросом при реализации способов является организация подвода колебаний в звуковом или ультразвуковом диапазонах непосредственно к оболочке слитка без значительных потерь мощности. В силу указанных недостатков, разработанные методы и устройства для их осуществления, также не нашли широкого применения в промышленности.
В работах О.В.Носоченко и Г.Н.Дерябиной получил развитие радиационный метод контроля [23,24], который основан на различии в линейных коэффициентах излучения твердой и жидкой фаз металла. Способ не учитывает важный фактор наличия в сплавах двухфазной зоны, протяженность которой может превышать размеры самой оболочки. Необходимо учитывать также особое требование к защите и охране источника радиоактивного излучения, исключающее утечку радиоактивности в любых ситуациях.
Наиболее просто реализуемые в промышленных условиях способ и устройство контроля толщины оболочки по результатам косвенных замеров разработан в Киевском институте автоматики [25]. Устройство работает на основе измерения трех параметров: скорости вытягивания слитка, уровня
12 металла и теплового потока в кристаллизаторе. Последний параметр определяется по расходу и нагреву воды в зоне первичного охлаждения. Все эти величины с достаточной точностью измеряются на современных МНЛЗ при помощи стандартной аппаратуры.
Значительно более совершенный способ контроля толщины оболочки слитка на выходе из кристаллизатора МНЛЗ разработан в Вологодском политехническом институте А.Н. Шичковым и Н.И. Шестаковым [26]. В этом способе в наиболее полном виде учтены закономерности теплообменных процессов, происходящих в жидкой фазе металла и двухфазной зоне, а также изменения в процессе разливки температуры поступающего расплава. Устройство контроля толщины твердой фазы [27] в течение ряда лет успешно эксплуатировалось на криволинейной МНЛЗ в конверторном цехе ОАО «Северсталь».
Однако рассмотренные устройства контроля, при всех свойственных им достоинствах, могут использоваться только на стационарных или медленно меняющихся режимах разливки, поскольку в основу расчетных алгоритмов положены балансовые соотношения.
В Японии разработан новый способ непрерывного измерения толщины оболочки по ее деформации под воздействием ферростатического давления [28]. Следует отметить, что величина выпучивания является комплексным параметром, отражающим не только толщину оболочки, но и ее температуру [29]. Для измерения деформации сторон сляба ниже кристаллизатора используют оптические датчики [30]. Однако их применение затруднено в связи со сложностью настройки и искажением оптических свойств среды при наличии пара и пыли в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ. Использование различных бесконтактных индукционных датчиков [31,32], а также дифференциальных трансформаторов [33] для измерения профиля граней заготовки сопряжено с необходимостью индивидуальной градуировки каждого из них и погрешностью показаний за счет наличия отслоившейся окалины на поверхности слитка. При помощи дифференциального замера
13 прогиба оболочки устройство исключает [34] из результатов измерения эффекты выпучивания, не вызванные тепловыми условиями формирования заготовки, что не свойственно другим аналогичным способам [35,36]. Простое и надежное устройство описано в [37]. Здесь в контакте с поверхностью слитка находится измерительный ролик, который через скользящий стержень и шарнирное соединение связан с пневмоцилидром, поддерживающим контакт ролика со слитком. Деформация оболочки определяется при помощи датчика, связанного со скользящим стержнем.
В связи со сложностью прямого измерения выпучивания заслуживают внимание способы этого параметра по величине нагрузки на тянущие и поддерживающие устройства МНЛЗ. Методы [38,39] основаны на определениях деформации оболочки по величине нагрузки на электродвигатели тянущих роликов. Следует отметить, что эти способы могут применяться не на всем протяжении роликовой проводки, а только в пределах приводных секций. Перспективны способы, в которых определяют степень выпучивания путем измерения величины реакционных усилий на ролики зоны вторичного охлаждения [40]. Для измерения усилий предлагается устанавливать в опорах поддерживающих устройств роликов или брусьев силоизмерительные элементы, например, тензодатчики [41].
Теоретически взаимосвязь между толщиной оболочки, ее температурным режимом и величиной усилий на поддерживающие устройства впервые была установлена и подтверждена экспериментально во ВНИИМЕТМАШе [42].
Большое распространение в промышленности для измерения нагрузок получили силоизмерители на основе тензоэлементов [43]. Их отличает, как правило, линейность и хорошая воспроизводимость градуировочных характеристик, точность замера.
Как показал опыт испытания различных устройств для контроля нагрузок на элементы роликовой проводки [44], использование в их составе выпускаемых промышленностью тензометрических датчиков весьма
14 перспективно. При этом необходимо обратить внимание на обеспечение соответствующих мер их защиты от неблагоприятных воздействий окружающей среды [45,46].
Известен способ [47] определения протяженности жидкой фазы в непрерывнолитом слитке, основанный на измерении суммарного тока многороликового привода вытягивания слитка. Определяют момент установления постоянного значения скорости вытягивания слитка и момент установления постоянного значения суммарного тока двигателей привода. Искомая глубина жидкой фазы определяется путем суммирования скоростей вытягивания слитка с момента установления постоянной скорости до момента установления постоянного значения суммарного тока двигателей вытягивания слитка.
Важным элементом средств контроля теплофизических параметров являются устройства для измерения температуры поверхности непрерывного слитка, на которые бы не влияли условия окружающей среды, и применение которых не затрудняло бы эксплуатацию МНЛЗ.
Особое значение это имеет для измерителей, работающих вдоль секций вторичного охлаждения, где они испытывают воздействие пара и струй охлаждающей воды, а также тепла и пыли от слитка.
Наиболее широкое распространение для измерения температуры поверхности слитка получили различные бесконтактные оптические устройства (пирометры) [48,49,50].
Пирометры градуируют с учетом характера зависимости излучения от температуры объекта, которое определяется законами излучения абсолютно черного тела. Чем сильнее различие свойств излучения реального объекта и абсолютно черного тела, тем больше различие действительной и измеряемой температуры.
Показания пирометров в значительной степени зависят от промежуточной среды (влажность, запыленность), заполняющей пространство между поверхностью излучателя и объективом пирометра.
15 Расстояние установки пирометра от исследуемого объекта, для обеспечения требуемой точности измерения, составляет 1,5-4 метра, то есть пирометр находится в зоне высоких температур. Таким образом, использование пирометров, в зоне вторичного охлаждения без специальных защитных устройств и приспособлений не возможно. Наличие окислов и окалины вносит значительные погрешности в измерения. Как утверждают авторы [51], уровень фиксируемых температур в этом случае примерно на 50С ниже реальной температуры поверхности слитка и сигнал, поступающий с пирометра на записывающее устройство, носит нестабильный характер.
Другим недостатком известных устройств для измерения температуры: они не позволяют устранять пленку окислов и окалины на металле. Из зарубежных источников [52,53] известны различные механические приспособления для удаления окалины на поверхности непрерывного слитка. В отечественной практике непрерывной разливки такие устройства не используются, хотя их применение могло бы значительно повысить точность замеров температуры поверхности заготовки на МНЛЗ.
В последние годы в промышленности стали использоваться цветовые пирометры - пирометры спектрального отношения, основанные на управлении электрических сигналов, пропорциональных излучению на двух или более участках спектра [48,22]. Их показания в меньшей степени, чем у радиационных и фотоэлектрических измерителей, зависят от колебаний излучательных свойств объекта и поглощения потока излучения в промежуточной среде. Однако следует отметить, что при имеющейся тенденции уменьшения шага роликов в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, размеры пирометра должны быть минимальны. В этих условиях сложно (а иногда невозможно) обеспечить визирование пирометра в узкие межроликовые промежутки.
Использование светопроводов [54] увеличивает стоимость имеющиеся системы измерения и усложняет их настройку. Кроме того, применение светопровода не исключает его полной защиты от температурных воздействий.
Следует также отметить, что большое число датчиков может создавать заслон потоку охлаждающей воды и влиять на режим охлаждения слитка. Помимо этого, у пирометров, расположенных в нулевой секции, при прорыве корочки жидкой фазы неизбежно выводится из строя дорогостоящее оптическое устройство.
Широкое распространение для замера тепловых потоков в металлургических процессах получили термозонды, конструкции которых достаточно подробно описаны [55,56,57]. Принцип работы термозонда основан на методе теплового сопротивления. Теплоприемником (теплопроводящим элементом) у термозонда является твердое тело, через которое тепло отводится к охлаждающей среде. Для определения теплового потока, прошедшего через теплоприемник, измеряют падение температуры At на некоторой высоте теплоприемника.
Учитывая, что при высоких температурах, характерных для поверхности слитка, основной (около 90%) является лучистая передача тепла (33), можно записать:
где Т0- температура поверхности объекта; к\ -градировочный
коэффициент, учитывающий излучательные характеристики объекта и тепловоспринимающей поверхности теплопроводящего элемента и расстояние между ними.
Таким образом, по перепаду температур в головке термозонда можно с
достаточной точностью судить о характере изменения температуры объекта.
Преимуществом рассматриваемого устройства перед известными
являются малые размеры, которые позволяют использовать его по всей
зоне вторичного охлаждения. Кроме того, легко обеспечивается защита
17 устройства от неблагоприятного воздействия окружающей среды и повреждения жидким металлом при прорывах. Воздух для очистки визируемой поверхности может вдуваться через узкую кольцевую щель, что не приведет к локальному снижению температуры объекта.
Недостатком большинства способов и приборов для измерения
температуры поверхности слитка также является то, что они представляют
сигнал об усредненной температуре и не дают возможности
проанализировать работу системы охлаждения по ширине слитка.
Необходимой информационной поддержкой процесса разливки является определение скорости вытягивания слитка. Чаще всего для определения скорости передвижения слитка используют датчики абсолютного перемещения, установленные на приводе или непосредственно на валу ролика секции вторичного охлаждения. По угловой скорости вращения валков тянущей роликовой секции определяют линейную скорость движения слитка. Недостатком является погрешность измерения, связанная с отсутствием определения температурного расширения слитка.
Наиболее применяемым из бесконтактных способов определения скорости передвижения слитка является использование доплеровского лазерного измерителя скорости. Его недостаток - низкая точность измерения в условиях высоких температур и высокой запыленности и влажности.
Также ограниченностью в функциях, указанных выше устройств -отсутствие возможности измерения температуры слитка и его геометрических характеристик.
Наибольшее предпочтение в последнее время получили оптические способы контроля, как раз из за широкой функциональности этих методов. Способ оптического измерителя скорости слитка и устройство для его осуществления приведено в [58]. Оптический измеритель устанавливают на расстоянии 1-3 метра от слитка, регистрируют участок поверхности слитка, формируют и хранят в памяти компьютера кадры. Сравнивают два кадра,
18 полученных оптическим измерителем через некоторый интервал времени и по корреляционной функции, реализованной программными методами, определяют скорость движения слитка, вертикальное смещение слитка в процессе разливки.
В России до 1999 г. не имелось опыта эксплуатации установок непрерывной разливки стали с применением технологии мягкого обжатия. На ОАО "Северсталь" было принято решение по модернизации вертикальной установки непрерывной разливки стали (УНРС) для производства трубной стали и металла для судостроения с применением технологии мягкого обжатия.
Двухручьевая УНРС была поставлена в ЭСПЦ в 1970 г., базовый инжиниринг поставлял ЮУМЗ. К концу 90-х годов оборудование УНРС морально и физически устарело. Несмотря на все предпосылки высокого качества заготовки, которые определялись вертикальным типом УНРС (оптимальные условия для всплытия неметаллических включений, отсутствие деформаций разгиба и загиба), слябы имели много поверхностных и внутренних дефектов.
При реконструкции УНРС в 1998 г. в соответствии с требованиями ОАО «Северсталь» были сформулированы следующие задачи:
Обеспечить возможность получения слитков нового диапазона сечений 150...250Ч1000...1710мм;
Оснастить УНРС современной системой управления;
Повысить производительность УНРС за счет увеличения скорости вытягивания слитка, уменьшения потерь времени при переходе на новое сечение и замены оборудования.
Разработку гидравлических приводов с электрогидравлической системой управления для оснащения механизма качания и прижима валков тянущей роликовой секции осуществила фирма ОАО «СКБ ПА» (г. Ковров) по техническому заданию ОРМЕТО-ЮУМЗ. Существенную помощь в
19 отладке новой системы оказали специалисты Днепропетровского института ВНИПИ САУ (Украина).
Значительным изменениям подверглась 4-х валковая тянущая клеть, которая могла работать только по затвердевшей заготовке. В новой клети число роликов было увеличено до восьми. Они установлены с шагом 450 мм, что позволило рассредоточить давление прижима на непрерывнолитую заготовку и увеличить металлургическую длину УНРС с 9,3 м до 11,2 м. В конструкции приводной клети предусмотрена возможность регулирования давления и положения валков.
В 1999 г. рядом научно-исследовательских организаций были произведены исследования технологических параметров разливки. Результатом работы стало создание математической модели и программы визуализации глубины жидкой фазы. Технологический персонал в течение всего периода разливки контролирует текущее положение конца лунки жидкого металла. Данная информация дала возможность поддерживать скорость разливки на максимально высоком уровне, не допуская при этом опускания жидкофазной сердцевины ниже уровня третьего ролика тянущей роликовой секции.
Обзор научно-технической литературы и опыт внедрения на ОАО «Северсталь», впервые в России применившей технологию мягкого обжатия, показали:
примененная одномерная математическая модель глубины жидкой фазы требует доработки, так как учитывает температуру поверхности слитка по косвенному показателю — расходу воды в секциях вторичного охлаждения. Отличие фактической температуры поверхности слитка от прогнозируемой может привести к существенной погрешности в определении глубины жидкой фазы. Деформация слитка в соответствующих роликах секций вторичного охлаждения, назначенная с учетом расчетной глубины жидкой фазы,
20 будет не своевременной, и не даст ожидаемого эффекта от применения технологии мягкого обжатия;
недостаточно проработана теория энергосилового расчета деформации непрерывнолитой заготовки, в особенности, в ее практическом применении для определения эффективных управляющих воздействий;
анализ переходных скоростных режимов разливки показал, что для осуществления мягкого обжатия необходима определенная длина участка деформации. В частности, на слябовой УНРС ЭСПЦ ОАО «Северсталь» использование только тянущей роликовой секции для осуществления мягкого обжатия недостаточно для всего марочного сортамента при переходных режимах разливки, так как лунка жидкой фазы поднимется выше тянущей роликовой секции;
. установлена необходимость замены пропорциональной гидравлической системы управления обжатием слитка на более надежную и простую в обслуживании;
. известная программа визуализации глубины жидкой фазы не содержит информации о температурном поле слитка в зоне обжатия, а также не формирует рекомендаций о предпочтительном скоростном режиме и сигналы управления обжатием слитка;
. контроль местоположения лунки жидкой фазы осуществляется только программными методами на основе математической модели. В случае значимой погрешности в применяемой модели при высоких скоростях разливки лунка жидкой фазы может опуститься ниже тянущей роликовой секции, что является аварийной ситуацией.
Задачи диссертационной работы.
. усовершенствовать действующую модель глубины жидкой фазы и адаптировать ее к технологическим параметрам слябовой УНРС ЭСПЦ
21 ОАО «Северсталь» на основе данных о текущей температуре поверхности слитка; . разработать:
математическую модель распределения температуры в поперечном сечении слитка на участке деформации с целью обеспечения возможности быстрого формирования результатов в режиме «реального времени»;
методику расчета величины обжатия и времени обжатия непрерывнолитого слитка, которая в отличие от известных методик, позволит учесть большее количество критериев формирования качественной осевой зоны слитка;
математическую модель усилия деформации непрерывнолитого слитка с учетом различия в характере деформации областей твердой фазы вдоль узкой и широкой граней слитка;
многофункциональное оборудование для информационного обеспечения технологии мягкого обжатия, которое, в отличие от известных устройств, позволит определить температуру, скорость и величину прогиба боковой поверхности слитка;
программу визуализации процесса мягкого обжатия, максимально адаптированную к деятельности технологического персонала;
конструкцию роликовой секции с регулируемой величиной обжатия слитка;
аварийный датчик глубины жидкой фазы.
Адаптация математической модели к сортаменту и реальным условиям разливки на слябовой УНРС ЭСПЦ ОАО «Северсталь»
В отношении осевой ликвации можно отметить, что если на участке обжатия величина деформации жидкой сердцевины превышает размер жидкой фазы (зона С), то обогащенный ликватами маточный раствор может быть полностью выдавлен из сердцевины.
Таким образом, внешнее силовое воздействие на слиток, находящийся в конечной фазе затвердевания (0,7-0,99 доля твердой фазы) способствует, в значительной мере, подавлению ликвационных процессов и снижению осевой рыхлости слитка. С другой стороны, согласно данным исследований, [2] существуют две критические величины деформации слитка. Первая величина показывает нижний предел эффективности обжатия (более низкая величина обжатия не приведет ни к какому положительному эффекту). Вторая величина - верхний предел эффективности обжатия (более высокая величина обжатия приведет к появлению внутренних трещин).
Организация обоснованных контролирующих и управляющих воздействий невозможна без наличия надежных методов и средств контроля параметров разливки. К числу важнейших характеристик, отражающих тепловые процессы формирования твердой фазы, относятся толщина оболочки и ее температура.
Известные из литературы методы прямого измерения толщины затвердевшего металла связаны с погружением в расплав щупа из несмачиваемого жидким металлом материала [13], забивание в оболочку заклепок, оплавляемых при границе раздела фаз [14] и выливании жидкого остатка (декантации)[15]. Эти методы не нашли применения в промышленности и используются только для проведения экспериментальных работ, что позволяет выделить в особую группу методы непрерывного контроля толщины оболочки, основанные на обработке результатов косвенных замеров.
Метод измерения толщины твердой фазы включает пропускание через слиток электрического тока. Он основан на изменении удельного электрического сопротивления металла при переходе из жидкого состояния в твердое [16,17]. Безопасная величина напряжения и силы тока, используемого в данном методе, значительно сужает диапазон измеряемых величин. Вследствие нестабильности и большой величины электрического сопротивления в зоне контакта токопроводящего элемента с оболочкой слитка, этот способ так же отличается невысокой точностью и может давать только качественную картину.
Известные методы измерения толщины оболочки, включающие использование ультразвука, можно объединить в три группы: методы ультразвукового излучения [18], ультразвуковой проницаемости [19,20] и звуковой локации [21,22].
Общим недостатком способов, основанных на ультразвуковых и звуковых эффектах, является их низкая точность. Это вызвано, прежде всего наличием мощного промышленного звукового фона, сопровождающего процесс разливки. Сложным вопросом при реализации способов является организация подвода колебаний в звуковом или ультразвуковом диапазонах непосредственно к оболочке слитка без значительных потерь мощности. В силу указанных недостатков, разработанные методы и устройства для их осуществления, также не нашли широкого применения в промышленности.
В работах О.В.Носоченко и Г.Н.Дерябиной получил развитие радиационный метод контроля [23,24], который основан на различии в линейных коэффициентах излучения твердой и жидкой фаз металла. Способ не учитывает важный фактор наличия в сплавах двухфазной зоны, протяженность которой может превышать размеры самой оболочки. Необходимо учитывать также особое требование к защите и охране источника радиоактивного излучения, исключающее утечку радиоактивности в любых ситуациях.
Наиболее просто реализуемые в промышленных условиях способ и устройство контроля толщины оболочки по результатам косвенных замеров разработан в Киевском институте автоматики [25]. Устройство работает на основе измерения трех параметров: скорости вытягивания слитка, уровня металла и теплового потока в кристаллизаторе. Последний параметр определяется по расходу и нагреву воды в зоне первичного охлаждения. Все эти величины с достаточной точностью измеряются на современных МНЛЗ при помощи стандартной аппаратуры.
Значительно более совершенный способ контроля толщины оболочки слитка на выходе из кристаллизатора МНЛЗ разработан в Вологодском политехническом институте А.Н. Шичковым и Н.И. Шестаковым [26]. В этом способе в наиболее полном виде учтены закономерности теплообменных процессов, происходящих в жидкой фазе металла и двухфазной зоне, а также изменения в процессе разливки температуры поступающего расплава. Устройство контроля толщины твердой фазы [27] в течение ряда лет успешно эксплуатировалось на криволинейной МНЛЗ в конверторном цехе ОАО «Северсталь».
Однако рассмотренные устройства контроля, при всех свойственных им достоинствах, могут использоваться только на стационарных или медленно меняющихся режимах разливки, поскольку в основу расчетных алгоритмов положены балансовые соотношения.
Расчет толщины твердой фазы на рассматриваемой высотной отметке
Для нахождения температуры кристаллизации (ликвидус, солидус) необходимо воспользоваться справочными данными. «Марочник сталей и сплавов» содержит информацию о ряде отечественных марок сталей (около 40), которой явно недостаточно для формирования базы данных. Сортамент разливаемой стали на слябовой УНРС ЭСГЩ ОАО «Северсталь» составляет около 400 марок, половина из которых производится по зарубежным стандартам. Для прогнозирования процесса разливки необходимо применить механизм определения температурных параметров кристаллизации.
Исследование литейных свойств в зависимости от химического состава проводились достаточно давно. Для получения подобных результатов производились лабораторные исследования. Исследуемые марки сталей должны были представлять собой выборку, состоящую из всех типов сталей, с различным содержанием углерода и легирующих элементов. Чем больше размер выборки, тем универсальней и точней предложенная модель. После набора статистических данных необходимо было составить уравнение множественной линейной регрессии для определения связи между количественным содержанием химических элементов в совокупности и температурой кристаллизации.
Такую задачу решали сразу несколько научных организаций, как в России, так и за рубежом [75-80]. В связи с тем, что эксперименты проводились на группах, состоящих из разных сталей, полученные линейные регрессии несколько отличаются друг от друга. В данной работе рассмотрены только проверенные в условиях электросталеплавильного и конверторного цехов ОАО «Северсталь» данные, использованные в технологических инструкциях. (ТИ-105-СТ.ЭС-22-01, ТИ-105-СТ.КК-11-2002)
Для внедрения системы динамического охлаждения сляба в конверторном производстве совместно с установкой системы вторичного охлаждения «Динкул» поставлялся базовый инжиниринг и техническая документация на математическую модель, используемую в системе. Расчет температуры ликвидус и солидус ведется для каждой плавки с учетом химического анализа последней пробы с УДМ по формуле:
Такие регламентируемые технологической инструкцией параметры, как температура перед разливкой в сталеразливочном и промежуточном ковшах, рекомендуемая скорость разливки и.т.д., зависят от температуры ликвидус разливаемой марки стали. Для определения температуры ликвидус в ЭСПЦ пользуются зависимостью, полученной на основе российских разработок:
Для оценки сходимости методик была рассмотрена разность температур ликвидус двух вариантов расчета для 349 марок сталей. Анализ показал, что основная масса значений лежит в диапазоне 0-2,5 С, а количество значений превышающих 3,5С незначительно. Для определения диапазона погрешности был произведен статистический анализ. Максимальная разница составила 9,5 С, тогда как средняя разница - 1,04С, стандартное отклонение 1,36С. Доверительный интервал 1,04±0,19С. То есть разница между вычислением по одной и другой методике с вероятностью 99% находится в интервале температур 0,85-1,23 С. Такая погрешность не скажется на точности результатов, поэтому расчет можно вести по обеим методикам. Согласно данным предыдущей главы, глубину жидкой фазы для нестационарных условий разливки можно выразить зависимостью: Примененная одномерная математическая модель глубины жидкой фазы требует доработки, так как учитывает температуру поверхности слитка по косвенному показателю - расходу воды в секциях вторичного охлаждения. В базовой модели глубины жидкой фазы коэффициент режима охлаждения для регламентируемых режимов охлаждения слитка принят постоянным «х=1,12. Отличие фактической температуры поверхности слитка от прогнозируемой может привести к существенной погрешности в определении глубины жидкой фазы. В некоторых случаях фактическая глубина жидкой фазы, определенная по изменению давления в гидроцилиндрах прижима валков, отличалась от расчетной. Анализ режимов разливки показал, что в таких случаях, температура поверхности слитка, измеренная на фиксированной высотной отметке, отличается от обычной. Это объясняется погрешностью математической модели охлаждения слитка и погрешностью приборов для определения расхода воды в секциях вторичного охлаждения. Изменение режима охлаждения слитка приводит к изменению температуры поверхности, что необходимо учитывать при определении текущей глубины жидкой фазы. Предлагается следующая зависимость для определения коэффициента режима охлаждения, позволяющая учитывать текущую температуру поверхности
Прогиб боковой поверхности слитка от действия ферростатического давления
Для адаптации технологии «мягкого обжатия» в условиях слябовой УНРС ЭСПЦ ОАО «Северсталь» была поставлена задача - разработать способ и аппаратное обеспечение для непрерывного контроля температуры и скорости движения поверхности слитка вдоль широкой грани в процессе разливки. На первоначальном этапе данные должны поступать на пост управления разливкой в виде визуальной информации и записываться в базу данных.
Для непосредственного и косвенного контроля технологических параметров производственных процессов все большее распространение получают оптические методы.
Системы «технического зрения» имеют ряд преимуществ перед другими методами контроля, как правило, это адекватность анализа ситуации, даже без применения математической обработки данных, удобный мониторинг ситуации, широкий спектр одновременно контролируемых параметров, высокая надежность системы.
В качестве прибора, предназначенного для измерения температуры на поверхности сляба, решили использовать пирометр. Предлагаемые отечественные пирометры не подходили под поставленные задачи по одному или нескольким критериям (точность измерения, диапазон измерения, условия работы). Наиболее близким по функциональным возможностям являются пирометры, предлагаемые фирмой: «Pepperl+Fuchs». Однако высокая стоимость (около 20000 у.е.) ограничивает их применение. Было принято решение о самостоятельном проектировании и изготовлении пирометра. Для проектирования и изготовления прибора были привлечены специалисты Вологодского оптико-механического завода.
Прибор для контроля температуры на поверхности сляба со сканированием ПКТПС-2, далее по тексту пирометр. Принцип, используемый для определения температуры поверхности сляба, основан на .регистрации изображения движущегося объекта. Прибор предназначен для измерения температуры в диапазоне от 700 до 1000 С в 10 зонах по ширине сляба. Предел допускаемой погрешности измерения температуры ± 10С. Время измерения одной зоны 50мс.
Диапазон рабочих расстояний от слитка до пирометра может составлять 1500....5000 мм. Небольшое расстояние до горячего слитка приводит к значительному нагреву конструкции пирометра до 70 С. Если для оптической части измерителя такая степень нагрева допустима, то для электроники это выдвигает серьезные требования по надежности. В связи с этим было принято решение поместить пирометр во внешний корпус с воздушным охлаждением, как это показано на рис.4.1. Часть потока сжатого воздуха, направленного на защитное стекло, позволило производить очистку оптики от загрязнения.
В основе работы пирометра лежит принцип измерения температуры тел по интенсивности их излучения в оптическом диапазоне длин волн. С помощью объектива на линейном матричном фотоприемнике формируется изображение участка поверхности объекта. Это изображение преобразуется в сигнал, который считывается, оцифровывается и запоминается в памяти компьютера. Фактически, эта часть функционирования измерителя аналогична работе современного цифрового фотоаппарата.
Пирометр, представленный на рис. 4.2., содержит: корпус 1 и установленные в нем, объектив 2, призму 3, позволяющую выделять узкие спектральные области вблизи длин волн А1=0,7мкм, Л2=0,54мкм, Л3=0,43мкм, три координатно-чувствительный фотоприемника 4 на основе матриц ПЗС, блок аналого-цифровой обработки 5, блок управления 6, а также отдельно расположенный компьютер 7.
Пирометр устанавливают в районе секций вторичного охлаждения УНРС и ориентируют на широкую грань заготовки. Поток излучения от нагретого тела через объектив попадает на призму, где делится на три потока, которые фиксируются соответствующими координатно-чувствительными фотоприемниками, улавливающими излучение в разных интервалах длин волн. Каждая ячейка координатно-чувствительного фотоприемника формирует пропорциональный излучению электрический сигнал, который затем оцифровывается и записывается в один из трех массивов. В таком массиве строки - эквивалентны размеру окна наблюдения (межроликовому пространству), а столбцы - ширине сляба. Блок управления сравнивает соответствующие значения массивов и, (по зависимости Вина-Планка) определяет поле температур поверхности непрерывнолитой заготовки, в предположении, что поверхность является идеальным черным телом, по формуле: (4.1) где / - энергетическая яркость (интенсивность излучения) / - точки при длине волны Я,-; Сі. С2— постоянные для конкретной марки стали; Т температура черного тела; U ] & - значения соответствующих массивов. Блок управления находит из базы данных коэффициенты излучения, зависящие от интенсивности излучения в разных диапазонах длин волн:
Определение величины прогиба боковой поверхности слитка
Такая величина прогиба боковой стенки в секциях вторичного .охлаждения не допустима из соображений прочности боковой поверхности слитка (скорей, произойдет прорыв), а наблюдение за слитком ниже тянущей роликовой секции, где непрерывнолитая заготовка движется без поддержки -не приемлемо. В случае возникновения явления выпучивания слитка ниже тянущей роликовой секции, дефект разнотолщинности сечения слитка будет невозможно устранить, а прорыв боковой поверхности слитка приведет к еще более негативным последствиям (выливание столба жидкого металла).
Действительно, анализируя данные о скорости слитка, поступающие с первого ручья слябовой УНРС ЭСПЦ в районе тянущей роликовой секции, не было замечено различий в скорости по краю и по центру слитка. Во внимание брались режимы разливки с повышенными скоростями (свыше 0,65 м/мин). С другой стороны, наличие аварийной ситуации - раздутие слитка ниже тянущей роликовой секции, как указано в паспорте плавки приложение 7 , подтверждает предположение о наличии в секциях вторичного охлаждения явления «ферростатического выпучивания» слитка.
Для проверки наличия прогиба боковой поверхности слитка было разработано, изготовлено и внедрено устройство идентификации профиля непрерывнолитой заготовки в промежутках между поддерживающими элементами зоны вторичного охлаждения слябовой УНРС ЭСПЦ. На рис.4.9 изображено разработанное устройство. Устройство идентификации профиля поверхности слитка в промежутках между поддерживающими элементами зоны вторичного охлаждения УНРС включает базовую балку 1, жестко связанную с балкой направляющую 2 и подвижный элемент, снабженный датчиком.
Направляющая 2 выполнена в виде полого цилиндра и образует с торцовыми крышками 3 и 4 замкнутую пневматическую камеру механизма перемещения подвижного элемента. Подвижный элемент содержит шток 5 и поршень 6, установленные с возможностью перемещения вдоль направляющей 2. Поршень 6 делит цилиндрическую полость направляющей 2 на рабочую 7 и холостую 8 камеры. В холостой камере 8 установлена цилиндрическая винтовая пружина 9, взаимодействующая с поршнем 6 и торцевой крышкой 4. Шток 5 снабжен ограничивающими гайками 10 и 11 и жестко связан с датчиком - идентификатором 12, без возможности поворота датчика относительно оси штока 5. Устройство размещено в пространстве, ограниченном поверхностями бочек соседних роликов 13 и плоскостью боковой поверхности заготовки.
Подготовка к работе устройства для идентификации профиля заготовки осуществляется следующим образом. Перед началом непрерывного литья шток 5 освобождают от ограничивающей гайки 11, после чего подвижный элемент устройства под действием усилия предварительно сжатой пружины 9 перемещается вверх. На нижнем конце штока 5 устанавливают датчик идентификатор 12 в плоскости, параллельной осям роликов 13. Затем в рабочую полость подают сжатый воздух и, после перемещения подвижного элемента вниз к оси ручья и поворота планки на 90 относительно оси штока вращением гайки 10, добиваются совмещения поверхности идентификатора с плоскостью боковой поверхности заготовки. Затем производят стопорение гайки 10, после чего плавно уменьшают избыточное давление в камере 7 до 1 атм. Шток 5 подвижного элемента под действием пружины 9 перемещается в противоположное, крайнее верхнее положение. В этом положении вращением гайки 11 добиваются наличия гарантированного зазора между идентификатором 12 и поверхностями бочек роликов 13. Устройство готово к работе.
Производится стабилизации скорости вытягивания заготовки на повышенных скоростях (0,68-0,69 м/мин) в рабочую камеру 7 пневмоцилиндра подают сжатый воздух. Под действием давления воздуха на поршень 6 сам поршень, а также шток 5 и датчик - идентификатор 12 перемещаются вниз до упора последней в поверхность слитка. Под действием сил трения в контакте идентификатора и слитка происходит интенсивная выработка датчика - идентификатора. Износ датчика продолжается до тех пор, пока давление сжатого воздуха обеспечивает поджатие расходуемого датчика к слитку, то есть до момента упора ограничительной гайки 10 в крышку 3 пневмокамеры. При достижении указанного момента времени износа датчика прекращается, и процесс идентификации профиля двухфазной заготовки на участке межроликового промежутка завершен. После сброса избыточного давления воздуха в камере 7 шток с датчиком перемещается вверх до упора гайки 11 в крышку 4. Замену датчика на новый производили в период технологической паузы.
Материал датчика - керамика, что позволяет минимизировать риск повреждения поверхности слитка, обеспечить износ и не допустить температурных деформаций датчика-индентификатора.
Устройство было смонтировано между шестым роликом четвертой роликовой секции и первым роликом тянущей роликовой секции, где ожидался максимальный прогиб боковой поверхности слитка. Испытания производили на рядовых марках стали после выхода на стационарную скорость 0,5-0,6 м/мин длительное время разливали с постоянной скоростью, а затем постепенно повышали скорость до 0,67- 0,68 м/мин.
После разливки датчик снимали и производили измерения его геометрических размеров. Характер износа каждый раз был идентичным. Максимальный износ наблюдается в центральной части датчика (середина межроликового пространства). Максимальная величина износа, представленная в таб. 4.1., колебалась от 0,5-0,9 мм.
