автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Анализ, разработка, исследование и оптимизация законов движения кристаллизатора МНЛЗ с целью устранения поверностных дефектов непрерывнолитых слябов

Р Г Б ОД

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

1 ь окт ш

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Но правах рукописи БЕЛЯЕВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

АНАЛИЗ, РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗЛТ-'ГТЮР ДВИЖЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА МНЛЗ С НЕЛЬЮ УСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ НЕПГСШШОЛИТУХ СЛЯБОВ

Специальность 05.04.04 "Мапини и агрегаты

металлургического производстве"

Астсре^ерат диссертации на соискание ученой степени кандидате технических наук

Днепропетровск 1994

Диссертация есть рукописью.

Работа выполнена на кафедре механического оборудования металлургических заводов Запорожского индустриального института.

Научгный руководитель - доктор технических наук,

профессор, %к Анатолий Яковлевич

Официальные оппоненты: Д.0ХГУ1&1о НА У Г

Ямьша/сяД А //_

KaM jf.u4a.n1 техшмских

Смимаб Т7 V_

Ведущая организация - металлургический комбинат

"Залорогсшаль"

Защита состоится " / " ¿/СЙБРЯ ГЭ94 года в /2. Л° часов на заседании Специализированного Совета ( Д. 068. 02. С2 ) в Государственной металлургической академии, по адресу: 320635, г. Днепропетровск, пр. Гагарина,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " 23 " С&оч.хЪрЯ ТЭ94 года.

■Ученый секретарь Специализированного

ученого совета, доктор технических наук,

пробор ^-^РВ.К.Цапко

СБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В плане реконструкции сталеплавильного

пикла на металлургическом комбинате "Запорожсталь" ведется строительство комплекса конверторного передела стали с непрерывной разливкой металла и транзитным горячим прокатом тонкого листа. "Узким" местом получения высококачественного тонколистового высоколегированного и нержавеющего стального листа по указанной схеме является наличие поверхностных дефектов непрерыпнолитого сляба - "следов качания кристаллизатора" ( СКК ) и необходимость холодного адъюстажа поверхности слитка с последующим нагревом перед, станом горячего проката тонкого листа. Это я свою очередь ведет к значительному увеличению удельных энергозатрат и снижению конкурентоспособности готовой продукции.

Практика эксплуатации машин непрерывного литья заготовок ( МНЛЗ ) показывает, что природа образования СКК обусловлена взаимодействием потоков расплава жидкого металла со стенками пермегааюшегося кристаллизатора. Кроме того, известно, что в ходе возвратно - поступательного движения кристаллизатора М5ЛЗ и колебаний уровня металла в полости последнего, на поверхности непрерыпнолитого слитка образуются складки и заливины со следами шлака. Причиной их образования является синхронное качанию кристаллизатора изменение скорости перелива жидкого металле через мениск, уровень которого пульсирует из-зя имеющего место гистерезиса смачивания поверхности стенок кристаллизатора на границе "тляк - металл - кристаллизатор". Следовательно, исключение причин образования СКК может быть достигнуто путем поддержания постоянного уровня мениска жидкого^ металла в полости кристаллизаторе в границах некоторого отдельно взятого закона возвратно - поступательного движения кристаллизатора.

Цель работы. Снижение удельных энергозатрат зв счет исключения холодного адъюстажа поверхности негтрерывнолитого слитка и последующего его нагрева, а так же улучиение качества поверхности слябя путем устранения причин образования СКК в процессе Формирования слитка в кристаллизаторе МНЛЗ.

Научные положения, разработанные лично диссертантом и новизна предлагаемой диссертационной работы:

Т. На основе критического анализа существующих технологий и способов улучшения качества непрервнолитого слитка определены

возможности построения законе движения кристаллизатора МНЛЗ с газоимпульсннм перемешиванием металла исключающего причины образования СНК.

2. Разработан принципиально новый способ непрерывной разливю металлов, в котором отсутствует относительное перемещение мениска жидкого металла в полости кристаллизатора и собственно кристаллизатора, являющееся причиной образования СКК.

3. Теоретическими исследованиями определены условия выполнения и установление функциональная зависимость параметров газо-

а

импульсного перемптивания и кинематики движения кристаллизатор» в новом способе непрерывного литья.

4. Экспериментальными исследованиями на гидравлической моде* установлен характер движения уровня ряпплввя в кристаллизаторе при газоимпульсном перемешивании жидкого металла.

5. Экспериментальными исследованиями ня лабораторной установ ке полунепрерывного литья, путем статистической обработки рез^-л тагов планируемых трехФакторных экспериментов, предполагающих минимизацию поверхностных дефектов, определены оптимальные параметры закона движения кристаллизатора по новому способу непре рывной разливки металлов.

6. Разработана инженерная методика расчета и выбора оптималь ных параметров закона движения кристаллизатора по новому способ непрерывной разливки металлов как для существующих, так и для вноЬъ проектируемых МНЛЗ.

Разработана новая методика исследований зависимости периметров законов качания кристаллизатора и качества поверхности слитка на оригинальной лабораторной установке полунепрерывного литья.

Лостоверность научных положений. Результаты работы, полученные аналитически, а также численно, базируются на известныу и апробированных практикой положениях:

- математической статистики;

- дифференциального исчисления;

- положений теории подобия, приближенных методов и анализе размерностей в механике;

- построения планов и планирования зкеперименотов.

Экспериментальна® результаты получены с использованием совр*

менной видеоанпературы и виз.уальномор^ологического описания натурных образцов слитков. Объем проведеннх экспериментов дубл1 ровался и удовлетворительно укладывается в доверительный интер

вал для 5 % уровня значимости.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Предложенный и работе принципиально новый способ непрерывной раз-липки металлов, рекомендагтии, методика расчета и выбора его ппрпметроп могут быть испольяованны практически для любой МНЛЗ. Реализация разработанных предложений не требуют каких - либо изменений конструкции МНЛЗ и собственно технологии непрерывного литья, я исползовяние нового способа обеспечивается разработкой режима качания кристаллизатора и подачи импульса на основе предложенной инженерной методики расчета и выбора параметров я аконя движения кристаллизатора.

Результата работы использованы при рабочем проектировании 'ЛиК: конверторного цеха металлургического комбината "Запорожсталь". Ожидаемый экономический е^ект в результате улучшения качества поверхности н^прерывнолитого сляба и возможности транзитной горячей прокатки без холодного адъпстажа даст около 30 _ АС "Г снижения удельного расхода энергозатрат.

Апробация работы. СЬновные результаты работы доложены на заседании научно - технического Совета металлургического комбината "Запорожсталь" и расширенном заседании кафедры МСШ Запорожского индустриального института.

Публикации. '-о результатам работы одна статья опубликована, получен один иностранный патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, ч^тыг^х глав, выводов, библиографического списка и приложений. Рп^ота изложена на П4 страницах машинописного текста, содержит рисунков, библиографический список из 104 наименований, исходные данные и результаты экспериментов в приложении ни "4 странинех.

СОДЕРЖАНИЕ РАБ OD J

!. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕНДЕНЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА НЕПРЕШШОЛИТОГО СЛИТКА

О5ощая результаты работ Делиново A.A., Знгояна A.M. и %сто-ровича В.М. (ШИИметмаш ); Левина П.Л. и Дидкина Д.А.; Платонова Б. В. и Ефимова В. А. ( Институт проблем литья АН Украины) и других, а также опираясь на независимые экспериментальные выводы Щормана Э. и Кайзера Х.П. ( Крупп ЛГ ) и Коте Д. ( М0н-несман Демаг хюттентехник ) сформулирована единая по природе концепция образования СКК при непрерывном литье слитков.

Анализ выявленных технологий улучшения качества непрерывно-литых заготовок и способов непрерывного литья, предполагающих минимизацию поверхностных дефектов слиткоп, позволяет сделать заключение, что:

- на данный момент нет каких - либо приемлемых, простых и в то же время относительно дешевых способов непрерывного литья на МНЛЗ или технологий обработки жидкого металла в полости кристаллизатора, дашшх гарантированное снижение или полное исключение причин поражения СКК поверхности слитка;

- установлено, что достигнутое в некоторых случаях улучшение качества поверхности было косвенным и получено параллельно с основными эффектами улучшения внутренней микро - и макрострук туры непрерывнолитого слитка;

- улучшение качества поверхности достигалось при разрушении Фронта кристаллизации у поверхности мениска на границе "слиток - кристаллизатор" путем вибрационного, электромагнитного или электрогидравлического воздействия на расплав и ( или ) кристаллизатор, а также поддержанием постоянного уровня металла в полости кристаллизатора при движении последнего вниз.

Такям образом целесообразно разработать способ непрерывной разливки металлов на МНЛЗЭ в котором в ходе возвратно - поступательного движения кристаллизатора не будет относительного перемещения мениска жидкого металла в полости кристаллизатора и собственно кристаллизатора в границах отдельно взятого ттиклп качания, следствием чего будет устранение причин образования поверхностных дефектов непрерывнолитых заготовок и значительно улучшено качество поверхности слитка.

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВСГО ЦИКЛА КАЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

Рассмотрений сущности нопого цикла качания кристаллизатора некоторой слябовой МНЛЗ предложено в виде определения взаимосвязи некоторого трапециедального возвратно - поступательного закона движения кристаллизатора, гаэоимпульсного перемешивания расплава в *азе возвратного хода кристаллизатора вверх и без-импульсной подачи металла в полость кристаллизатора в Фазе поступательного движения последнего вниз. Функциональная зависимость параметров рассмотрена отдельно для каждой из Фаз.

Принципиально новый цикл качания кристаллизатора - это цикл двухфазного возвратно - поступательного движения кристаллизатора I ( см. рис. I ) МНЛЗ, в котором в фазе поступательного движения кристаллизатора I вниз, безимпульсную подачу жидкого металла в полость кристаллизатора I осуществляет со скоростью

, величина которой равна разности скоростей вытягивания У слитка 2 и перемещения кристаллизатора I , а в Фазе возвратного движения кристаллизатора I подачу порций жидкого металла осуществляют со скоростью, при которой скорость изменения уровня жидкого металла в полости кристаллизатора I равна скорости его возвратного движения вниз.

Закон движения кристаллизатора в новом способе непрерывного литья представлен в виде:

Ун= /сл(1- < 1*т » S^fi-W 2^>/> S^fi »

УгГУп/с, ^mVitASrJ» z .

гДе П2 ~ параметр цикла; о^кр - сечение слитка, м ; JQ - плотность жидкого металла, кг/и ; Ç^ - порция металла, кг; Д - амплитуда качания, xf.

^аза поступательного движения вниз. Но условию нового цикла скорость изменения уровня расплава жидкого металла в кристаллизаторе равна ( см. рис. 2 );

где у =9,81 м/с ; /7 - высота металла в промежуточном ковше, м«*5>ст ~ площадь поперечного-сечения стакана, м .

Фаза возвратного движения вверх. По условию нового цикла кв-чания кристаллизатора имеем: из промежуточного ковша I, через

К построении нового цикла качания кристаллизатора

Схема принципиальная гидроимпульсноЯ подачи неталла в полость кристаллизатора

•V)

-с?

е

ф-

Рис. 2.

Инертный газ

РМПа

погружной стакан заглубленный на глубину fy под давлением Р , Па, инертного газа нагнетаемого через вставку 2, со скоростью ^j, м/с, выталкивается порция жидкого металла в кристаллизатор из которого вытягивается слиток 5 со ско-ростып Усл. Используя уравнение Д.Бернулли и условие неразрывности потока, получим искомое давление Р в виде:

О,5((|/"сл(т+Т//77))2(1+^2)) + />втн.

где /(" = S^S ст ~ некоторой коэффициент.

Рассмотрены условия выполнения и постоянства нового цикла качания кристаллизатора с иель*> установления характера изменения параметров нового цикля качания кристаллизатора для различных пенимой работы МНЛЗ и возможности регулирования прогвсса непрерывного литья. Условие постоянства получено из равенства

в виде

т =( УЪф-рд^-Р^ TM)/y?^2+D))0'5-

-Гсл -const.

^явленно, что:

- выполнение условий нового цикла обеспечивается при значении избыточного давления импульса инертного газа

- для регулирования процесса непрерывного литья по новому способу при

р' const,

достаточно регулирования высоты столба металла п промежуточном ковше.

3. ЭКЖИй'ЕНТАДЬШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОГО ЦИКЛА 3.Т. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Изучение характера и закономерностей изменения уровня мениска расплава жидкого металла п полости кристаллизатора при • газоимпульсном перемешивании металла на реальном "объекте" -МНЛЗ, врядли представляется возможным. Моделирование данного процесса может быть вполне оправдано возможностью получения достоверной и исчерпывающей информации об "объекте" с миниму-

моыо затрат времени и средств. Исходя из положений теории подобия, приближенных методов и анализа размерностей нормализовано дифференциальное уравнение количества движения на некоторых контрольных поверхностях. Эксперименты проведены по двум схемам: проточный кристаллизатор с постоянным уровнем и закрытый кристаллизатор с линейным подъемом уровня.

Результаты экспериментов представления таблицами и графиками перемещения уровня жидкости ( см. рис. 3 ) и графиком скорости изменения уровня жидкости ( см. рис. 4). Счисление доверительного интервала проведены для 5 1 уровня значимости. ГраФик премещения уровня жидкости построен в относительных координатах, где А /Дд— отношение максимального и текущего значения высоты подъема жидкости и 7"„ - отношение текущего значения времени ко времени подачи импульса. Установлено, что:

- начало перемещения уровня жидкости происходит с запаздыванием от момента подачи импульса;

- в промежутках ускорения Ъ и торможения ~Ьт перемщения уровня происходит явно нелинейно, по сравнению с привалирувдим линейным характером изменения уровня.

ГраФик скорости изменения уровня приведен также в относительных координатах, ^/^э ~ отношение расчетного значения величины скорости к экспериментальному, ^лтвлено, что изменение ск( рости происходит по некоторому трапециедальному закону -А&С1) , где - участок ускорения;участок нелинейного установившегося истечения; - участок торможения. Некоторое отнлоне-ник участка ¿¡С от горизонтального и куполообразность полученного графика можно объяснить изменением высоты столба жидкости в контрольном объеме модели. Отклонений в изменении скорости при двух, различных схемах эксперимента не выяленно.

3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ ПСЛУНЕПРЕНШСГО ЛИТЬЯ

Целью исследований является определение параметров закона качания кристаллизатора по принципиально новому циклу, путем статистической обработки результатов экспериментов, предполагающих минимизации поверхностных дефектов слитков, а также доказа тельство преимущества предлагаемого способа непрерывного литья.

Термодинамическая адекватность модели рассмотрена на основе

График изменения Уро^ид .жидкости

Рис. 3 -

График изменения скорости уровня жидкости

Шэ

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Рис. 4.

к

нормализации дифференциального уравнения распределения температурного поля в остываемом теле с применением метода масштабны преобразований критериев подобия Рио и %рье. Эксперимент про— водился по методике полного Факторного яскперимента 2". Существенными для изучения приняты аффекты трех Факторов: параметра цикла (А), частоты качания кристаллизатора (В) и амплитуды качания (С). Откликом принят номер группы слитков с°п рированный из обшей совокупности с использованием визуально -морфологического описания. Принято деление на количество групп равное количеству экспериментов, исходя из предположения, что изначально а*Фекты всех факторов равны.

Установленно, что лучшее качество поверхности слитка может быть получено:

- нп верхнем уровне Фактора А, соответственно значении паря-метра пикла /77 = 7;

- нижнем уровне Факторе С, соответственно минимальном значении амплитуды качания;

- эФФект от Фактора В не выявлен.

Для доказательства преимущества предлагаемого способа непрерывного литья были получены образны слитков с гармоническим законом качания кристаллизатора ( см. рис. 5 а ) и предлагаемы!.! ( см. рис. 5 б ). 05разец "а" имеет складчатую структуру поверхности, шаг складок равен амплитуде качания кристаллизатора, в складках наблюдается остатки шлаке - смеси "шлак - парафин", проФиль складок по периметру поверхности чешуйчатый. Описанные дефекты аналогичны-реальным. 05разец "б" указанных дефектов не имеет.

4. ПРИНЦИПИАЛЬНО НОШЙ СПОСОБ НЕПГОЪ'ШСГО ЛИТЬЯ И ЗАКОН' ДЕИШИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

Принимаем, что по А. А.Целикову максимальное ускорение о. „ выходного звена механизма, в данном случае кристаллизатора, для приводов механизмов качания должно удовлетворять условию:

9 ■

Используя данное ограничение определен» максимальная частота качания кристаллизатора по новому способу непрерывного литья:

И

Аналитически установлен интервал изменения частоты качания кристаллизатора в виде:

У- 2 Ув ... 2,5 , Гц.

По результатам экспериментальных исследований и аналитическ расчетов разработан алгоритм расчета параметров движения кристаллизатора по новому способу непрерывного литья. По результат расчетов на ПЗШ построены номограммы ( см. рис. 6 ).

ШВОДЫ

1. Критический анализ состояния тенденций и технологий улуч тения качества непрерывнолитых слитков показал, что на данный момент нет каких - либо приемлемых, простых и в то же время относительно дешевых и надежных способов непрерывного литья

или технологий обработки жидкого металла в полости кристаллизатора, дающих гарантированное снижение или полное исключение по ражения поверхности слитка "сиедами качания кристаллизатора".

2. На основе практического опыте применения газоимпульсного перемешивания жидкого металла и преимуществ трапециедальньгх

законов движения кристаллизатора МНЛЗ разработан принципиально новый способ непрерывного литья, предполагающий исключение причин образования "следов качания кристаллизатора" на поверхности слитка путем поддержания постоянного уровня мениска жидкого металла в полости кристаллизатора в границах отдельно взятого цикла качания кристаллизатора.

3. Теоритическими исследяваниями установлена Функциональная зависимость параметров газоимульсного перемешивания жидкого

металла и кинематики движения кристаллизатора, обеспечивающих выполнение условий непрерывного литья по новому способу непре рывной разливки.

4. Путем экспериментальных исследований на гидравлической модели кристаллизатора устаневлен характер движения уровня расплава в кристаллизаторе при газоимпульсном перемтивании расплава жидкого металла.

5. Экспериментальными исследованиями на лабораторной установке полунепрерывного литья определены оптимальные законы

движения кристаллизатора по новому циклу качания, датщие гарантированное улучшение качества поверхности слитка. Параметры законов движения кристаллизатора получены путем статистической обработки результатов экспериментов по минимизации поверхностных де*нктов слитков.

6. С учетом технологичсеких параметров реальных МНЛЗ и ограничений динамики нагрузок привода механизма качания кристаллизатора оптимизировании параметры закона движения кристали затора по новому способу непрерывного литья металлов.

7. Разработана схема и алгоритм расчета на ЭШ оптимального закона движения кристаллизатора и пврметров газоимпульсного перемшивания жидкого металла по условиям нового способа непрерывного литья. Установлены условия постоянства цикла югеяния кристаллизатора по новому способу непрерывного питья.

8. Результаты данной работы использованы для построения закона качания кристаллизатора и расчета газоимпульсного перемешивания расплава по новому способу непрерывного литья для МНЛЗ, проектируемой для конверторного комплекса металлургического комбината "Запопожсталь".

Перечень работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Патент ¥ 2000164, Россия. МКИ 5П22 17/00. Способ непрерывной разливки металлов/ С.Ю.Беляев, А.Я.Жук, И.Ы.Сальнике Р.И.Жаворонков и О.М.Клевцов. По заявке на изобретение ; 5010387 /СЕ / ОР7780 от 05.05.92 г. Опубликование 27.06.93 г. Бил. № 33. ':

2. Беляев / Анализ возможностей оптимизации кинематика кристаллизатора МНЛЗ с газоимпульсной обработкой жидкого металла // Известия вузов. Черная металлургия. 1992. Р 70. С.

44 _ 45.

I