Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ теплофизических и гидродинамических условий формирования оболочки непрерывного слитка 7
1.1. Современные теоретические и экспериментальные методы изучения процессов формирования непрерывного слитка 7
1.2. Влияние условий взаимодействия оболочки слитка с кристаллизатором на процесс теплоотвода и роста оболочки 16
1.3. Влияние способа подвода металла на процесс формирования непрерывного слитка 21
1.4. Особенности затвердевания непрерывнолитых слитков круглого профиля 28
2. Исследование влияния способа подвода металла в кристал лизатор на процесс формирования оболочки круглого не прерывного слитка 34
2.1. Разработка методики исследования 34
2.2. Лабораторные исследования процесса размыва оболочки слитка потоками металла, поступающего в кристаллизатор 41
2.3. Выбор рациональной схемы подвода металла Е кристаллизатор 50
3 Исследование теплообмена между слитком и кристаллиза тором при отливке круглой заготовки 56
3.1. Совершенствование конструкции кристаллизатора, обеспечивающего улучшение уоаовий теплоотвода от затвердевшей оболочки слитка 57
3.2. Исследование температурных полей в медной стенке кристаллизатора при различном подводе металла 63
3.3. Исследование тепловых потокое от круглого слитка к кристаллизатору .-.- 84
4. Исследование кинетики формирования круглых непрерывных слитков и совершенствование его отливки . 90
4.1. Метод расчета кинетики формирования круглого слитка в кристаллизаторе 91
4.2. Экспериментальные исследования кинетики формирования оболочки непрерывного слитка 99
4.3. Совершенствование технологии отливки и качественные характеристики круглой заготовки 109
5. исследование формирования полого круглого непрерывно го слитка 118
5.1. Методика проведения опытов с применением радиоактивных изотопов для исследования кинетики затвердевания непрерывных слитков 119
5.2. Некоторые закономерности кинетики затвердевания круглых полых слитков 134
5.3. Исследование скоростей потоков металла в жидком ядре непрерывного слитка 139
Основные выводы 152
Литература 155
Приложение 163
- Влияние условий взаимодействия оболочки слитка с кристаллизатором на процесс теплоотвода и роста оболочки
- Лабораторные исследования процесса размыва оболочки слитка потоками металла, поступающего в кристаллизатор
- Исследование температурных полей в медной стенке кристаллизатора при различном подводе металла
- Экспериментальные исследования кинетики формирования оболочки непрерывного слитка
Введение к работе
Выполнение решений ХХУ съезда КПСС и задач поставленных в 10-й пятилетке - пятилетке качества требует дальнейшего развития металлургической промышленности не только в направлении увеличения общего объема производства, но и повышения качества и сортамента металлопродукции. Одной из важных задач является дальнейшее увеличение производства стальных труб и повышения их качества.
Советский Союз в настоящее время занимает ведущее место в мире по производству труб, что связано с интенсивным развитием таких отраслей нашей промышленности, как теплоэнергетика, нефтяная и газовая промышленность, машиностроение.
Бесшовные трубы, изготовляемые в ОСНОЕНОМ на пилигримовых установках и на трубопрокатных агрегатах с автоматстанами, составляют в общем объеме производства труб около 50$. При производстве труб на пилигримовых станах используют литые или катаные заготовки, а на автоматстанах - кованые или катаные. В зависимости от назначения труб расходный коэффициент при этих способах производства колеблется от 1,2 до 1,5.
Слитки обычной разливки для пильгерстанов имеют развитую усадочную пористость и осевую ликвацию, что приводит к значительной отсортировке труб по внутренним пленам. Поэтому при производстве труб ответственных назначений часто применяют сверленные заготовки или центробежнолитые заготовки, что ведет к дальнейшему увеличению расхода металла.
Если учесть, что в себестоимости труб доля стоимости металла достигает 80-85$, то очевидно,какие экономические выгоды несет любое сокращение расхода металла. В связи с этим большой практический интерес представляют успехи достигнутые в последние годы в области непрерывной разливки стали.
В Советском Союзе в настоящее время накоплен достаточный опыт по использованию непрерыгнолитых заготовок с различной формой поперечного сечения для производства бесшовных труб на различных трубопрокатных агрегатах. Успешно проведены работы по изготовлению труб на автоматических станах из квадратных и круглых заготовок, а также при производстве труб на пилигримовых станах из круглых, волнистых и граневолнистых заготовок. Технико-экономические расчеты показали, что суммарная экономия при производстве нефтепроводных, бурильных и обсадных труб из металла непрерывной разливки составляет от 3 до 5 руб/т, в результате снижения расходных коэффициентов и улучшения качества продукции.
Зместе с тем, в технологии непрерывной разливки и при производстве труб имеются ряд проблем, которые не могут быть решены путем использования сплошных непрерывнолитых заготовок. В частности, это необходимость увеличения металлургической длины установок непрерывной разливки при отливке заготовок большого диаметра, себестоимость прошивки заготовок и проблема качества внутренней поверхности труб.
Ранее накопленный производственный опыт и проведенные исследования позволили отработать основные технологические режимы производства непрерывно-литых круглых СЛИТКОЕ на существующих УНРС. Однако при увеличении производства сплошных и полых круглых заготовок для труб, возник ряд вопросов связанных с обеспечением стабильности процесса и улучшением качества непрерывно-литой заготовки. Это в ОСНОЕНОМ объясняется недостаточной изученностью особенностей формирования круглых.
Повышение качества непрернвнолитых круглых заготовок требует тщательного изучения температурных полей в медных стенках кристаллизатора, способа подвода металла в него и кинетики кристаллизации слитка. Проведение такого рода исследований обеспечит возможность поиска оптимальных условий формирования непре-рывнолитой заготовки, обеспечивающих повышение производительности УНРС и качества сплошных и полых круглых заготовок для производства труб.
Целью настоящей работы ЯЕЛЯЄТСЯ изучение процесса воздействия подводимого металла на формирующуюся оболочку непрерывно-литого круглого слитка, особенностей теплоотдачи от круглого слитка к кристаллизатору, условий перемешивания металла в жидкой сердцевине круглого непрерывного слитка и выбор на этой основе рационального способа подвода металла и режима охлаждения слитка в кристаллизаторе, обеспечивающих равномерный теплоотвод от формирующейся оболочки слитка и снижение брака круглых непрерывных слитков по трещинам.
Влияние условий взаимодействия оболочки слитка с кристаллизатором на процесс теплоотвода и роста оболочки
Начало затвердевания непрерывных слитков происходит в кристаллизаторе, где формируется необходимой формы и толщины оболочка, а следовательно, определяется качество слитка и устойчивость процесса разливки. Поэтому при исследовании работы кристаллизаторов уделяется большое внимание таким вопросам, как теплообмен между слитком и кристаллизатором, нагрев медных стенок, охлаждение и стойкость кристаллизатора / 46-48 /. Важным недостатком распространенных конструкций круглых кристаллизаторов ЯЕЛЯЄТСЯ неполное использование их рабочей длины. В большинстве УНРС нижняя часть кристаллизатора (иногда более половины длины) недостаточно эффективно участвует в охлаждении заготовки. Вместе с тем большая длина кристаллизатора до 0 1,2 и 1,5 м неоправдано применяется для предупреждения прорыва металла на выходе заготовки из кристаллизатора / 49-52 /.
Однако чем длинее кристаллизатор, тем на большем расстоянии не прерывный слиток разделяется от него газовым зазором, под воз действием которого процесс охлаждения поверхностей ослабевает и сменяется разогревом. Продолжительность периода снижения скорости охлаждения и ф последующего разогрева достаточно велика и существенно отража ется на производительности УНРС. Чрезмерный разогрев поверхности ослабляет прочность сформировавшейся оболочки, разрыв кото рой создает прорыв металла. Всевозможные конструктивные проработки, как например, суже ние выходного сечения круглого кристаллизатора / 40 / до соот ветствующих размеров заготовки с учетом ее усадки и другие, не & дают существенных положительных результатов, т.к. конусность кристаллизатора "пропадает" через несколько разливок. Отрицательные ЯЕЛЄНИЯУвызываемые разогревом поверхности, можно предупредить, обеспечив равномерное изменение скорости охлаждения на весь период остывания слитка. Соблюдение регулируемых скоростей охлаждения полностью отвечает требованиям оптимальных режимов кристаллизации / 53-55 /. Попытки авторов / 52 /заменить кристаллизаторы длиной 1200 мм со сплошной круглой поверхностью на кристаллизаторы с волнистой и ребристой поверхностью ничего существенного не дали,поскольку сохранилась заметная неравномерность толщины оболочки слитка на выходе из кристаллизатора. Разработанная теми же авторами / 52 / конструкция круглого кристаллизатора с регулируемым теплоотводом позволила увеличить толщину оболочки слитка на выходе из кристаллизатора на 4,5 мм и получить более рав м номерную толщину оболочки. Применение кристаллизатора с искусственным зазором / 51 / щ позволило увеличить скорость разлиЕки до 0,4-0,5 м/мин и умень шить неравномерность толщины оболочки по сравнению со сплошным круглым кристаллизатором.
К возможным вариантам регулирования можно отнести щелевое охлаждение и применение кристаллизаторов с поворотными стенка х, ми. Для щелевого охлаждения используются открытые углы (в пря моугольных кристаллизаторах) и специально вырезаемые в нижней части стенок круглого кристаллизатора щели. Подача воды на сли ток осуществляется форсунками, размещенными против щелей. Экс перименты показали, что дополнительное охлаждение слитка на выходном участке кристаллизатора, где обычно возникает разогрев поверхностей, дает существенный положительный эффект / 50 /. « ; Таким образом дополнительное щелевое охлаждение способствует частично или полностью устранить влияние зоны теплообмена через газовую прослойку. Эффективное влияние щелевого охлаждения дает основание полагать, что при соответствующем подборе длины щелей и доли периметра отводимой для щелей, может быть обеспечена полная управляемость процессом кристаллизации слитка в крвталлизаторе и воз-можен отказ от применения длинных круглых кристаллизаторов без & ущерба качества слитка / 55 /. Однако недостатком данной кон струкции является отсутствие методики расчета длины щелей. Авторами / 56 / была разработана конструкция, которая придавала щелевому кристаллизатору Еозвратно-вращательное движение вокруг вертикальной оси.
Лабораторные исследования процесса размыва оболочки слитка потоками металла, поступающего в кристаллизатор
Исследование условий размыва оболочки слитка Е кристалли заторе сечением 280 х 320 мм проводилось при подводе модели рующей жидкости через неподвижные погружаемые стаканы с четырьмя боковыми отверстиями диаметром 10 мм и направленными на грани и ребра кристаллизатора, а также через вращающийся стакан.
Моделирование проводили при скоростях вытягивания 0,55, 0,62 и 0,66 м/мин. Исследование растворения моделирующего вещества Е кристаллизаторе осуществляли на 6 уровнях модели: 50, 100, 150, 200, 250 и 300 мм от уровня наполнения кристаллизатора.
Характеристики степени растворения моделирующего вещества при разливке через стаканы различной конструкции и при различ ных условиях опытов приведены Е приложении (таблица I).
Анализ данных, полученных при моделировании процесса раз мывки через погружаемый стакан с боковыми отверстиями, направленными на грани кристаллизатора, без донного отверстия, показывает, что наибольшее растворение моделирующего вещества наблюдается в точках М4И и "5й на уровнях 50, 100, 150 мм. На уровнях 150-300 мм растворение моделирующего ЕещестЕа более равномерно по всем точкам (рис. 2.4а).
При направлении боковых отверстий стакана на ребра крис таллизатора наибольшее растворение достигается на уровнях 50 150 мм в точках "Iм и "8й. На уровнях 150-300 мм наблюдается примерно одинаковое растворение моделирующего вещества ЕО всех точках (рис. 2Л6). Для изучения кинетики размыва оболочки слитка при разлив ке через вращающийся стакан было сконструировано и изготовлено специальное устройство (рис. 2.5). Вращение стакана производилось двигателем 8 типа МШ-2, установленным на опорной плите 7. Ведущий ШКИЕ 9 двигателя с помощью пасика Ю приводил во вращение ведомый ШКИЕ 5, который соединен с направляющей втулкой б. На Етулке плотно посажены радиальные подшипники 3, которые создавали скольжение и устра няли биение стакана. Необходимую скорость вращения стакана по лучали изменяя напряжение питания дЕигателя. 3 проведенных ис следованиях скорость вращения стакана была постоянной и состав ляла 30 об/мин.
Попытка вращения стакана была предприяята с целью устранения размывающего действия струи Е определенных местах и обеспечения равномерности кристаллизации оболочки по Есему периметру слитка. Разливку проводили через стакан с четырьмя боковыми отверстиями диаметром 10 мм. Скорость разливки моделирующей жидкости соответствовала скорости Еытягивания слитка 0,55м/мин.
Моделирующее вещество погружали Е кристаллизатор как и в предыдущих исследованиях на 6 уровнях и размещались по узкой и широкой граням. Опытные и расчетные данные приведены в приложении (таблица I). По этим данным были построены эпюры, характеризующие етепень размыва оболочки слитка (рис. 2.6). Анализ полученных результатов показывает, что при ПОДЕОДЄ моделирующей жидкости через вращающийся стакан с четырьмя боко вши отверстиями диаметром 10 мм наибольшее растворение модели рующего вещества наблюдается на уровне 50 мм в точках и4", И5М, иб". На уровнях ЮО и 150 мм наибольшее растворение в точках "Iй и "8й. На более низких уровнях, также. наблюдается наибольшее растворение вблизи ребер кристаллизатора в точках "Iй и И8И. Из сравнения результатов моделирования.степени растворения моделирующего вещества при разливке, при прочих равных условиях, через вращающийся и неподвижный стакан, с разной ориентацией бо ковых отверстий ЕИДНО, что при неподвижном стакане на расстоянии до 100 мм от уровня наполнения кристаллизатора растворение моделирующего вещества имитирующего оболочку слитка, оказалось более неравномерным. Наибольший размыв оболочки наблюдается Е местах, на которые направлен поток жидкости, т.е. в центрах граней и по ребрам кристаллизатора. При вращении стакана этот недостаток устраняется. На уровнях ниже 100 мм от поверхности во всех случаях ориен тации стакана и при его вращении картина растворения моделирую щего вещества более равномерна, причем при вращении стакана до стигается наибольшая равномерность растворения. Исследование условий растворения моделирующего вещества в круглом кристаллизаторе диаметром 360 мм производили по той же методике, что и на квадратном. Исследования проводились при раз-личном варианте подвода моделирующей жидкости: неподвижным погружаемым стаканом с различным заглублением, при вращении его, и открытой струей. Данные исследований приведены в приложении (таблица 2). Для исследования применялись погружаемые стаканы с двумя щелевидными боковыми отверстиями 12x24 мм.
Исследование температурных полей в медной стенке кристаллизатора при различном подводе металла
Для определения тепловых потоков от слитка к кристаллиза тору была выбрана методика, основанная на изучении температур ного поля Е медных стенках кристаллизатора. Эта методика осно вывается на том, что в установившихся условиях процесса, тепло вой поток от слитка к кристаллизатору равен тепловому потоку проходящему через медные стенки кристаллизатора. Подобная мето дика использовалась в работах / 51, 52, 61, 91 /. Вместе с тем, многочисленные эксперименты показали /44, 45 /, что медные стен ки кристаллизатора имеют довольно сложное, меняющееся во времени температурное поле, в связи с чем в них необходимо устанавливать достаточно большое количество термопар. При этом конструкция термопар должна обеспечить наиболее точное измерение температуры стенки. Термопара представляет собой константаноЕЫЙ электрод диаметром I мм, зачеканенный в медную стенку кристаллизатора, конструкция которого рассмотрена Е главе 2. Вторым электродом служит медная стенка. При большом количестве термопар данная конструкция наиболее удобна в работе. Независимо от формы поперечного сечения кристаллизатора и конструкции стенок, температура стенок в каждой точке изменяется ЕО времени в широком интервале. На рисунке 3.3 представлен характер колебаний температуры медной стенки в четырех точках по высоте кристаллизатора, расположенных по одной вертикали. Линия И0Н показывает колебания температур в точке, находящейся ЕНШЄ уровня металла на 15 мм, а линии 2, 4, 6 - для точек, находящих ся ниже уровня металла на 40, 200, 360 мм соответственно. Максимальное и минимальное значение температуры стенки, как следует из рис. 3.3, зависит главным образом от положения данной точки по отношению к уровню зеркала металла. Постоянные колебания тем пературы стенок на различных уровнях можно объяснить изменяющи мися условиями контакта поверхности слитка со стенкой кристаллизатора. Изменение температуры в отдельных точках стенок кристал лизатора не оказывают существенного влияния на характер распре деления температур по площади стенок, так как колебания происходят около какой-то средней температуры.
Исследование теплообмена между слитком и кристаллизатором было проведено на опытном сборном круглом кристаллизаторе, сос тоящем из четырех секций конструкция которого рассмотрена в главе 3.1г"Три секции кристаллизатора оборудовали 46-ю термопарами. На рис. 3.4 приведена схема расположения термопар на одной из трех секций. Всего по высоте кристаллизатора располагали шесть уровней по семь термопар на каждом уровне секции. Четыре термопары на каждой секции располагали по ее углам. Термопары располагали между водоохлаждаемыми каналами на расстоянии 15 мм от внутренней стенки кристаллизатора. Учитывая, что для расчета тепловых ПОТОКОЕ ОТ слитка к кристаллизатору необходимо знать градиент температур в поперечном направлении медной стенки кристаллизатора и имея в ЕИДУ искривление температурного поля в области водоохлаждаемых каналов, четвертую секцию кристаллизатора оборудовали дополнительными термопарами. Эти термопары устанавлїйалй между водоохлаждаемыми каналами на расстоянии 5 мм от внутренней поверхности стенки, а также непосредственно против водоохлаждаемых каналов на расстоянии 5 и 15 мм от внутренней поверхности стенки (рис. 3.5) /115/. Таким образом, измеряли температуру стенки в четырех точках: располагали непосредственно одна под другой на расстоянии, равном диаметру просверливаемого отверстия, а термопары, установленные Е продольном направлении медной ствнки (точки т, - L3 ; "t-z. - -Ь ) располагали в одних плоскостях поперечного сечения кристаллизатора. Это позволило с достаточной точностью определить градиенты температур Е поперечном и продольном направлениях. Дополнительные термопары устанавливали на тех же шести уровнях, что и остальные, в ДЕУХ продольных сечениях кристаллизатора (между и напротиЕ водоохлаждаемых каналов). Таким образом, одна из секций кристаллизатора имела 64 термопары (18 дополнительных). Общее количество термопар на опытном кристаллизаторе составило 202 штуки. Зачеканенные термопары изолировали полихлорвиниловой и стеклотканевой оболочкой и заливали термостойкой смолой. Применение большого количества термопар потребовало разработки многоканального коммутатора сигналов напряжения, блок-схема которого приведена на рис. 3.6. Сигнал с термопар поступает на магнитоуправляемые герметизированные контакты. Возбуждаемая в катушке э.д.с. замыкает контакты и сигнал поступает на регистрирующее устройство - световой осциллограф Н-700. Коммутатор ламелей шагового искателя управляет переключением герметизированных контактов (герконов). Питание катушек герконоЕ и схемы управления работой шаговых искателей осуществляется посредством подачи постоянного напряжения с регулируемой величиной напряжения и тока. Полученные данные по изменению температуры Е четырех точках медной стенки ( с, , -Ьі , Ь3 и -Lif. ) обрабатывали с целью определения градиентов Е продольном и поперечном направлениях. На рис. 3.7; 3.8 представлены результаты обработки. Как видно из этих рисунков отмечается линейная зависимость между температурами стенки " -/ и г и перепадами температур лі$-і - з- 4- й л 4--2= 2. в продольном направлении.
Установлена также корреляционная связь между перепадами температур в продольном и поперечном направлениях (рис. 3.9 - 3.10). Эти зависимости позволили определить необходимые для расчета тепловых потоков градиенты температур. На всех шести уровнях по окружности кристаллизатора температуру " щ. " определяли по показаниям 184 термопар. По ИЗЕЄСТНОЙ температуре " Ь и и при допущении о справедливости установленных зависимостей для перепадов температур на данном уровне по ЕСЄЙ окружности кристаллизатора, устанавливали перепад температуры " Д с ", который использовали для последующих расчетов тепловых потоков. При этом перепад " Л " находили как среднее арифметическое: Использование для расчетов усредненного градиента температур п ль " позволяет более точно определить тепловой поток от слитка к кристаллизатору на данном уровне по высоте кристаллизатора. Температуру внутренней поверхности медной стенки кристаллизатора определяли линейной экстраполяцией известных данных о температурах в поперечном направлении. Полученные данные о температурах стенки кристаллизатора представлены в приложении (таблица 3 ).
Экспериментальные исследования кинетики формирования оболочки непрерывного слитка
Кинетика формирования оболочки слитка является важнвм фактором, существенно влияющим на стабильность процесса разливки, качество стали и производительность УНРС. Условия формирования непрерывного слитка такоЕЫ, что имеется возможность получения высокой скорости нарастания оболочки слитка (до 100 мм/мин). Однако на практике эта скорость не реализуется и слиток затвердевает значительно медленнее. Это вызвано действием различных факторов: перегревом стали, условиями подвода металла, наличием зазора и т.д. Исследования процесса роста оболочки производили с помощью метода ввода индикатора. В качестве индикатора применяли элементарную серу. Ввод серы производили в медной трубке на всю глубину жидкой лунки. Толщину оболочки определяли по серным отпечаткам, на которых четко была зафиксирована граница раздела фаз в момент Евода индикатора. Измерения толщины оболочки проводили Е точках по периметру слитка на 6 уровнях по высоте кристаллизатора. Данные по толщине оболочки приведены в приложении (таблица 7 ). Для оценки неравномерности толщины оболочки на разных уровнях по высоте слитка, применительно к различным условиям ПОДЕО-да металла в кристаллизатор, экспериментальные данные были подвергнуты статистической обработке, результаты которой приведены в таблице 4.2. Оценку неравномерности нарастания оболочки определяли по тем же показателям, что и при обработке расчетных данных, т.е. по величине абсолютной разнотолщинности ло , среднеквадра-тичному отклонению S и величине дисперсии S . На рис. 4.3-4.4 приведены экспериментальные и расчетные значения толщины оболочки во времени для каждой секции кристаллизатора.
Время затвердевания 1,1 мин соответствует тому моменту, когда слиток выходит из основной части кристаллизатора длиной 450 мм. При подводе металла в кристаллизатор погружаемым стаканом с донным отверстием экспериментальные и расчетные значения толщины оболочки слитка хорошо согласуются до времени затвердевания 0,6 мин. В дальнейшем (при С 0,6 мин) по экспериментальным данным отмечено резкое снижение темпов роста толщины оболочки, что вероятно вызвано действием струи перегретого металла ( рис. 4.3а). Средние значения толщины по секциям отличаются на небольшую величину Еюдичипз). Толщина оболочки на выходе из кристаллизатора составляет в среднем 18-20 мм. При подводе металла открытой струей (опыт Л 3) выявлен наибольший разброс экспериментальных данных (рис. 4.36).
Значение толщины оболочки по отдельным секциям ДОЕОЛЬНО значительно отличаются друг от друга. В целом результаты эксперимента удовлетворительно совпадают с расчетнФ й кривой. Толщина оболочки на выводе из кристаллизатора колеблется в пределах 20-25 мм. Однако, как при ПОДЕОДЄ металла затопленной, так и открытой струей, толщина оболочки по периметру слитка неравномерна. Среднеквадратичное отклонение в разных точках по периметру достигает ЕЄЛИЧЙН в обоих случаях подвода металла 1,47 мм и 1,98 мм, значения дисперсии - 2,16 ммс и 3,93 мм соответственно.
