автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и совершенствование технологии сифонной разливки стали под шлаком

СТВО ОБРАЗОВАНИЯ У К Р А И II И ГОСЭДАГСТВШШИ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНЭЬТСЭТЙТ

од

На правах рукописи

ГУБЛРЕВ Игорь Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СИФОННОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ ПОЛ ШЛАКОМ

1 М И Н И С Т Е Р

ПРИАЗОВСКИМ

Р Г Б

■ С;- ■

Специальность 05.16.02 Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кащщтат-а, технических наук

.'/ариуполь - 19'М 1

работа ишолшна в Днепродзержинском государственном техническом

университете.

Научяий руководитель доктор технических наук

академик . Огурцов А.Т1.

Официальные оппоненты:

доктор топтичожих паук, профессор Исаев Е.И.

кандидат технических наук, доцент Тарасюк Л.И.

Ведущее предприятие -• Криворожский металлургический комбинат "Криворожсталь"

залита состоится " О^'^Цс/'ЛЪЪЬ г. в е* _часов на заседании специализированного/¿овета (шифр К.068.03.01) при Япиазовскс государственном техническом университете по адресу: 3410СП, г.Мариуполь Донецкая обл., пер.Республики,7. Приазовский государственный технический университет.

С диссертации 1 можно ознакомиться в библиотеке Приазовского государственного технического университета.

Автореферат разослан "3 " ¿с 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор таз.наук профессор

Н.И. Р-.зтов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность i. а бота. Важнейшим этапом стп^бгиаьн.тьпого производства, в значительной мере опре делящим выход гсдаого и качество ¡гроката, является разливка стали. Сдним из основных нзлргв.ла-raiit технического прогресса в этой области является разгаткэ нетггэ-рчсной рзаливкл стали, сгтособствутио^ увеличению выгода годного проката, иовкзешто качества металла, умепыаению зкергбишоских затрат на производство металла.

Однако совершенствование техкологаи разливки стали в кзлск-шщы и кристаллизации слитков такав позволит значительно по^ис:—ь эффективность сталеплавильного производства и улучсить качество металлопродукции без больших капиталлоЕлотеппЛ, тем более, что в блпг.айоше года количестве стали, разливаемой в пзлозшщн, Судет оставаться еще достаточно высоким (металлургические завода Лузины, России и др.), более 70 3S.

В настоящее время в игровой практике наблюдается возврата к елфоннону способу разливки металла, (металлургические фпрш США, некоторые ффглн Японии, практику спеося на получению металла, идущего на издэлия ответственного назначения: толстый бесновныэ трубы, поковки и др.), которкЗ на являясь узш&ре.эль-нш, рассматривается на перспективу как надегиск* средство оСесгго-чения высокого качества конечной шгадлопродукяят.

Езккуп роль при разливке стали сифсном под ¡ыает^рззушимя материалами играет превпльная организация потоког ({еталгп (ос>-бегага в начальный период разливки), псклшашая Саксецкв отдельных частиц мака в корковой зоне нижней части слитка и гш^е " re'-J препятствующая подмыву последней.

Однако, несмотря на множество публикаций. посвавдшых тзхи:-логиа сифонной разливки стали, гидродинамические .особенности от ливки слитков пол шлаком исследованы недостаточно, преад'дэсгЕсн-но на качественном уровне.

Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование ог.о-ft-i!Qb,T;11 гидродинамики спинной разливка стали ггод ¡маком игл получения слитка с висскям качеством поверхности (осоОеыю в лкк-кэй трэти) представляется актуальнии в теоретическое и прок киоском штсяэх.

и .--адачи работа. Создать новую техчогэгг» и сСсрглссь хтт.е /лй рзэотэкп металла сифоном под влакгм, oCpcc3«;iFsxt^:e nc-v-

чошз высокого качества металла, поскольку существующее оборудование й технология били спроектированы и отработшш для разливки мэтэллу без ылака, и теперь при эксплуатации не обеспечивают наоб-уоджого кьчества отливаемых, слитков.

Достаг:огае поставленной и рзботе цепи основано не ресенш комплекса сло/ущих зада' ■

I. Иручопхе особенностей гидродинамики сифонной разливки стаЛ] 1гч ¡¡'лмксм, закономерности образования дефектов разработка мор по их си/г/лмю.

Я. Определение оптимальной формы разливо'щого стакана и ра-цеокшыюго подвода гидкого металла в кзлокшцу, и исследование прл э-1'Огл особенностей поведения шлакообразукцей смеси в начальный период ее заполнения.

3. Исследование процессов образования и роста корки металла

в период исполнения изложницы с использованием различных вярксттов подвода струп и варьировании скорости движения металла на выходе из стакане.

4. Определение оптимальной конструкции разливочного устройства и разработка новой технологии разливки мeтaJiлat обеспечивающих получение металла высокого качества.

5. Освоение разработанных технических решений в промышленности.

Научная новизна. На основании .анализа .преимуществ и недостатков разливки стали сифонным способом под шлакообразупцими смесями, мэтодами физического и математического моделирования определена конструкция разливочного устройства, спроектированная исходя из условия: сочение центровой меньше суммы сечений сифонных проводок, а последняя - меньше суммн сечений концевых стаканов.

Впервые сделан вывод о необходимости перехода от замкнутой я расширяющейся литниковой система.

Создана математическая модель в естостЕ нных переменных, позволяемая анализировать процосс затвердевания слитка па этапе заполнения и^ложшщы. Использование этой модели позволило полу од ть информация но гидродинамике "апочпения излоклицц как при обычной, так и при рш рянччйся литниковой системе.

Предложен и опробован рвциональный соствв клакообраьующ-1 смеси на осиочо шлака металлического марганца для сифонной разлив-К металла с ьовиаеданми скоростями.

Лроктичодкоя ценность и реализация работ)' в промышленности■ Розраоотшсу и внздреш» в производство на Днепровском металлурга-

чоском комбината нопоо усовершенствованное разливочное оборудование (центровые, сифонная проводка, стаканы, изложница) и технология безнапорной разливки стали сифоном, обеспечивающие: существенное снижение скорости входящей в изложницу струи, что уменьшило ее фонтанирование в начальный момент времени и позволило приблизить зону циркуляции к срезу стакана; снижение захвата смеси металлом, вследствие чего уменьшилась загрязненность донной части слитка неметаллическими включениями на 0,37 бала; улучшение качества поверхности трубной и осевой заготовок (количество брака уменьшилось на 0,8 %); возможность отливки металла с повышенными линейными скоростями.

Внедрение новой конструкции глуходонной изложницы С-8А позволило спилить рпоход изложниц ил 3,Т4 кг/т стали, п основном пп счет снижения ее материалоемкости.

Результаты исследований могут быть использованы на металлургических предприятиях, отливающих спокойный металл в уширенные кверху изложницы с прибыльными надставками сифонным способом.

Апробация работы. Основные материалы работы доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов" (г.Тула, 1990 г.), на XI-ой Всесоюзной конференции по проблемам слитка "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов" (г.Волгоград, 1990г.), на II Всесоюзной научно-технической конференции с участием иностранных специалистов "Совершенствование металлургической технологии и мпшимоотрошши" (г. Полгоррпд, П'91г.).

Объем роботы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 133 наименований, приложений, содержит 127 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

I. Современное состояние вопроса сифонной разливки под шлакообразувдими материалами.

В последнее время широкое распространение получила сифонная разливка под шлакообразукхцими смесями различного состава. Сюда следует отнести и быстро плавящиеся экзотермические смеси, и медленно плавящиеся, и теплоизолирующие податлавлящиеся смеси.

Пр/моноии» сифонной рпзлипчи моталлп иод шлином позволило

б

практически полностью ликвидировать ее основной дефект - заворот корки, так как в этом случае корка на зеркале металла обычно не образуется. Кроме того, значительное снижение вторичного окисленш металла (зеркало изолировано), ассимиляция жидким шлаком всплывающих в стали неметаллических включений, снижение термических и усадочных напряжений в корковом слое слитка благодаря наличию шлаковой рубашки привело к существенному повышению качества слитка и, как следствие, производимой из него продукции.

Проведенные широкие исследования новой технологии разливки позволили В.А.Ефимову сформулировать основные требования, предъявляемые к шлакообразуадим смесям и образующемуся из них жидкому расплаву, которые в дальнейшем были расширены и уточнены, но все же и они не могут твердо гарантировать получение качественного слитка.

Вместе с тем эффективность применения новой технологии снижается из-за ухудшения качества донной части слитка, что в значительной мере связано с возрастанием количества неметаллических включений, по соотношению окислов близких к составу шлакообразую-щей смеси. Следствием этого является возрастание величины отсортировки подкатов из донной части слитка (ДМК). Для исключения загрязнения донной части слитка целесообразно уменьшить захват частичек смеси в начальный период разливки.

Многие исследователи, решая эту проблему, идут по пути совершенствования способов ввода смесей в изложницы: применяют подвешивание мешков со шлакообразующей смесью или шлакообразующих плит на расстоянии около 250...300 мм от доньев изложниц предотвращая захват смеси первыми порциями, фонтанирующей струи металла; устанавливают сверху перед разливкой по оси изложницы выплавляемый шлакообразуюций стержень; осуществляют брикетирование смеси; подают теплоизолирующую смесь в пакетах предварительно осуществив присадку на дно изложницы древесных опилок, торфа, пенопластовой крошки (возможна присадка и других дешевых мелкофракционных органических материалов, представляющих собой промышленные отходы) иле укладку прокладок в виде гофрированного картона.

Другая часть исследований направлена на оптимизацию параметров входящей в изложницу струи металла и в связи с этим на регулирование характера и интенсивности циркуляционных потоков стали в изложнице, которые в свою очередь влияют на уменьшение захвата частичек смеси в первые минуты разливки. При этом решают также

попроси местного подмыва корочки (уменьшение скорости се роста), ток как эта опасность повышается при использовании шлакообразую -щих смесей, вследствие наличия шлаковой рубашки (гарнисажа) на слитке и уменьшения при этом интенсивности тпшюотвода.

Данные проблемы, на нош взгляд, возникли из-за использования в новой технологии "старого оборудования", а точнее литниковой системы, которая проектировалась и успешно использовалась для разливки стали с открытым зеркалом, где основное внимание уделялось получению жесткой фонтанирующей струи, задерживающий образование корочки, затвердевшего металла на зеркале расплава и нодопускающей по заворотов. Необходимость в такой струе отпадает при разливке под галакообрпзующими смесями, так как корка отсутствует п связи с хорошей теплоизоляцией зеркала металла. Анализ результатов последних работ по гидродинамике сифонной разливки под шлаком позволяет заключить, что в настоящее время необходимо, но возможности, ликвидировать жесткую фонтанирующую струю в изложнице. Одним из способов ее ликвидации мы видим в необходимости проектирования литниковой системы, исходя из условия: 5ц <. }] о < £ Г>ст .

В этом случае, по-видимому, сечение центровой ( 5ц ) необходимо выбирать таким, чтобы она, а следовательно, и другие элементы литниковой системы (суммы сечоний сифонных проводок ( X! 5 ) и концевых стаконо" . т)) могли свободно пропустить то количество металла, которое вытекает из полного сталоразливочного ковша при полностью открытом стакане. Полтому для повышения зфряктинно-сти процесса разливки и качества конечной металлопродукции, необходимо прежде всего совершенствовать применяемое ныне разливочное оборудование, и вести исследования именно н этом направлении.

2. Физическое моделирование нроц'ч'сп заполнения донной части изложницы под шлпкообразумщой смесью.

Для изучения гидродинамических особенностей процесса заполнения донной части изложницы под шлакообразующей смесью были проведет! исследования на прозрачной модели изложницы С 8, применяемой на Днепровском металлургическом комбинате для отливки трубного металла (сифонная проводка и 50 мм). Исследования проводили с соблюдением условий геометрического и гидродинамического подобия при равенстве в объекте и модели чисел Фрудп (Кг) и Вебсра ('Л'е). Что же касается критерия Рейнольдеа, то при высоких его значениях

(более 2320) в реальном объекте (при разливке стали Re > 2«I(i) соблюдение условия Re = Idem необязательно.

При моделировании металл имитировали водой, а в качестве материала, моделирующего шлакообразующую смесь, взяли пробку прога' тав ее с поверхности керосином. Это позволило повысить плотноcti выбранного материала от 0,20 до 0,32 • 1СР кг/м3 и, кроме того, поскольку каждая частица пробки была покрыта керосином, использс вать величииу его поверхностного натяжения для соблюдения следу» щих соотношении:

Рстали Рсреды, лодель.сталь °ииси<а °nepocwi

Рщлак.слеси Рсреды, лодел.шл.слесъ ' алетал. авоОы

Модель былп выполнена в масштабе 0,6, что обеспечивало вое произведение на ней гидродинамических процессов, определяемых 4i лом Вобера. При изпостном значении последнего из условия ptmni ства критериев Фруда определили значения масштабов скоросто! Му в 0,78 и расходов М^ » 0,28.

Характор и скорость движения жидкости в изложнице холодной модели оценивали по направлениям и длинам трассеров частичек полистирола, отснятых на фотопленке в определенной вертикально! плоскости.

Наблюдение и регистрацию движения шариков полистирола в определенной плоскости позволило применение для освещения (устано! ка помещалась в достаточно темную комнату) узкого светового пучка (использовался бесконтактный метод наблюдения).

Для иоплодопяпии поподпнип ш.плкооПрлпупцой смоги (on П(1" пит), оирпдн.мпнин |||)и0ли:нп'нл1.ми|'() количоепш частиц шлшшоОра ЯуМЦШ'о м!1тн|)11нл!1, ниходшцогосл в жидкости в тот или иной момент времени, производили нутом их счета на фотографиях объема жидкости прозрачной модели изложницы.

Вначале била изучена зависимость линейной скорости заполнения изложницы от давления в магистральном водопроводе, которая позволила установить, что скорость определяется давлением и практически не зависит от способа подвода жидкости в изложницу. В дальнейшем исследовали влияние способа подвода жидкости в изложницу на величину скорости восходящего потока на различных расстояниях от среза стакана (h) и разных скоростях заполнения изложниц (v' ), а также на поведение шлакообразующей смеси в начальные момонтн наполнения модели. При использовании всех опыт-

них вариантов стаканов их диаметр на входе в изложницу втрое превышал диаметр сифонной проводки, и реализовалась раоширякщанся литш1Ковая система.

Подтверждено, что скорость восходящего потока прежде всего зависит от сечения стакана, давления в подводящем водопроводе (ли, нейной скорости разливки), удаления от среза стакана.

Установлено, что лучшей конструкций стаканов в плане снижения интенсивности циркуляции расплава в изложнице и уменьшения захвата смеси в объеме металла, при применении расширяющейся литниковой системы, следует считать стакан» увеличенного сечения (Ю(,г З-с^ ), причем выход металла (жидкости) должен происходить через перфорированную решетку с расширяющимися по ходу движения металла отверстиями (табл. 2.1). Полое равномерное распределение скоростей потоков по сечению изложницы и меньшая их величина, вероятно, позволяет нам вдвое и более повысить скорость сифонной разливки под шлаком. Ограничение величины екороети разливки металла, по-видимому, будет ставить лишь скорость Формирования ш.па-

Та^лица 2.1.

Величины скоростей, восходящих потоков )

на разных горизонтах модели.

Конструкция

концевого

стакана

Высота (горизонт модели) от среза стакана, мм

100

200

2.0!)

400

500

1. Цилиндрический, 0,875* 0,724 0,651 0,539 0,462

V, - 250 ""/мин. 0,850** 0,712 0,632 0,527 0,455

2. Дырчатый а ) стакан (отвер стия конические 0,183 0, [ 48 0,104 0,043 0,005

о, 177 0,137 0,097 0,(340 0,005

0 12; 16 мм. Vл : б) а) "250 н"/мин.; 0,340 0,271 Г|, 178 0,110 0,039

0,341 0,205 0. 174 0,091 0,038

б) 400 ""/мин.

*, *« • соответственно верхний и нижний пределы измеряемой

величины .

КОБОГО рГ.СТШ'.РЛ П изложница.

Вместе с тем, на основами анализа полученных дашшх. и исходя из простоты изготовления ставят, позмозаюсти цонтрировшшя излозяшци с тагам стаканом над концевым отверстием спешной проводки и других технологических требований, для практики рокоман-довали короткий расширяющийся кверху стакан (<1 = 100 мм, В = НО юл, Ь/(! « Т. где с1Г)и 0 - диаметры входного и выходного сечения внутренней полости стакана, Ь - высота стакана). При использовании такого стакана с односторонним центральным подводом жидкости, количество "смеси", увлекаемое в "металл", как показали лабораторный исследования, втрое меньше, чем у цилиндрического стакана, и "моталл" быстро очищается от захваченных потоками частичек.

3. Численные исследования процессов образования корки металла при разливке стали.

Для математического моделирования процесс образования корки в период заполнения изложницы достаточно сложен, но и но менее важен, поскольку он в значительной степени определяет качество поверхности слитка.

В этой связи била разработана математическая модель, в которой определение скорости роста коркового слоя в период заполнения изложницы выполнено в изменяющейся расчетной области с учетом гидродинамики и тоилопероноса в расплаве.

Движение жидкой фазы металла описывали уравнениями Гойнольд-са. Условия носкимаомости жидкой стали в нашем случае (постоянной плотности) представляло собой условие солиноидалыюсти вектора

скорости (v V = О). Граничные условия для составляющих скорости ш оси симметрия и свободной поверхности выбирались условиями свободного скольжения, а твердой поверхности - условиями частичного прилипания (однопараметрическоо условие торможэнпя расплава о поверхность ). Граничные условия для давления получались проектированием уравнения движения (уравнений Рейнольдса) на нормаль к поверхности.

Отметим, что границы гидродинамического расчета в нашей модели подвижны. Более того, одна из границ - поверхность корки металла - определялось в процессе вычислений. Это соодяло слокюс-ти в расстановке граничных условий, ироодолоште которых достигалось за счет того, что гидродинамическая часть рассматриваемой задачи решалась в естественных переменных V, р (скорость, дав-

а

ление) методом расщепления по физическим факторам явно учитывая подвижность границ.

В соответствии о этим метолом числпиноо решение упдачи гидродинамики осуществляли в три этапа. На нервом этапе жидкость считали сжимаемой и ее движение определяли церемонной и вязкой составляющими.

Из закона изг.тпегшя импульса находили составляющие промажу-

точной скорости V - и1 4 V,]. На втором этапе из условия несжи-

маемосги жидкости V V - О находили поле давлений. И, наконец, на третьем этапн уточняли поле скоростей.

Тепловая обстановка б изложнице п процессе ее заполнения определялась общим уравнением конвективного теплоиерпнооа, учи -тывающим процессы кристаллизации (пли плавления) жидкой стали. На границе изложниц» со средой это уравнение дополнялось граничными условиями 3-го рода. На внутренних поверхностях использовались условия сопряжения. Тепловой ноток с поверхности отсутствовал (заливка под шлак). Уравнения гидродинамики и теплогшреноса решались численно методом конечных разностей.

Алгоритм решения задачи заполнения изложницы реализовали в виде пакета программ на языке Паскаль. При обработке числовой информации часть программ осуществляет графическую обработку информации. В комплексе весь пакет позволяет дать достаточно полную и многообразную информацию об изменении гидродинамических и тепло-физических процессов, протекающих при заполнении изложницы сифоном.

Для установления адекватности гидродинамической части математической модели било проведено сопоставление результатов расчетов с данными физического моделирования, ('равнение экспериментальных и расчетных данных показало, что различие их лежит в продолах 10 % от исходных скоростей вхождения струи /V) на всех уровнях заполнения, что вполне удовлетворительно для практических целей, и говорит о правильной постановке решаемой задачи. Гезуль-таты этого моделирования могут бить использованы как при проектировании параметров литниковой системы, так и при разработке тех -нологии разливки в полом. Адекватность по тепловой части модели установлена для реального слитка в соответствии с данными полученными Ефимовым В.А. по температуре стенок изложницы и толщине сформировавшейся корочки слитка, образующейся в процессе наполнения ИЗЛОЖНИЦ)].

После проверки адекватности математической модели, численно исследовала процесс заполнения изложницы металлом сифошшм способом.

Расчет проводился с использованием двух наборов геометрических параметров изложницы и стакана, один из которых относился к базовому, а другой - разработанному.

Анализировались и сравнивались три варианта заполнения изложницы: в) быстрое безнапорное заполнение - заполнение через ста кал с большим углом раскрытия диффузора (широкий стакан) за время г » 4,5 мил.; б) медленное безнапорное заполнение изложницы с широким стаканом за т - 7,0 мин.: и) обычное (базовое) заполнение через стакан с малым углом раскрытия диффузора (цилиндрический стакан) за время т - 7,0 мин.. Для этих вариантов на разных уров нях изложницы были найдены зависимости толщины намерзшей корки ме твлла от времени в процессе заполнения изложницы. Анализ расчетны: данных показал, что в начальный период времени скорость образования корки металла при обычном способе заполнения изложницы замети шяэ, чем при безнапорном способе заполнения, причем при безнапор ном заполнении скорость роста корки мало зависит от времони запал нокия (в пределах 4,Г>___7,0 мин.).

Установлено, что скорость роста корочки определяется прежде всего характером движения металла в изложнице при разливке, толщина закристаллизовавшегося слоя при этом определяется оформлением ввода струи в изложницу. К повышению скорости роста корочки слитка приводит снижение глубины проникновения стуи в толщу металла. Наиболее действенным средством в этом плане является уыень сопне выходной скорости струи с сохранением прежней, или даже уво-.гаченной, скорости наполнения изложницы.

Анализ результатов численных исследований показал, что параметры разливочного стакана, выбранные на основе результатов физического моделирования, приемлемы и могут быть использованы для проииалрнного огтролово1гия.

4. Опытно-цромытленныв испытания новой технологии сифонной разливки металла под шлаком.

В соответствии с результатами исследований (физическое и математическое моделирование) процессов, протекающих при разливке стали силоном пол шлакообразупцими смесями, определили основные параметры рисииряпдпйгя литниковой системы применительно к усло-шяы Днепровского металлургического комбината. Реконструирован-

и

ная литниковая с,'истома в дальнейшим яыла ши^чсо испытана на прак тике.

Подготовка составов под разливку осуществлялась в цехе подготовки составов (Ш1С) по принятий па комбинате технологии.

Исследования проводились нп четырехместных и восьмимостннх поддонах с шириной ручья 140 мм (на комбинате используются с шириной 120 мм). На оти поддоны, оборудованные центовой, звездочкой марго! С-ЗП, сиропным кирпичом марки i; 71 (канал и СО), с измененной конструкцией концевой си^ммпой трубки. и концевым дт!» фузорным стаканом со следу «ними параметрами: И - Ж) мм, 1) -130 мм, h - loo мм. устанавливались изложницы '! И усонершенотпо -ванной конструкции (толщина днп мп мм с увеличенным отверстием под разливочный стакан: <1^ 195 мм, ln.'i мм, где ti и D диаметры сечений сукгшцогося в сторону полости изложницы отвор-стия, расположенного в донной части последней).

Разливка металла осуществлялась в разливочных пролетах мартеновского и кислородно конвертерного цехов через стакан-коллок■-тор 0 60 мм. Линейную скорость наполнения тела слитка варьи[ю-вали в Интерполе 270...вда мм/мин., определил при зтом оптимальную скорость наполнения изложниц дли различных групп марок стали (легированные, низкоуглеро. истые, ореднеуглеродиотне ).

Высота наполнения 1грибыли и утепление аернала металла, издержка состава в разливочном пролета, отригшеропание, подача и нагрев металла ь нагревательных колодцах, прокат на плшингн и на трубозаготов ■ пюм стане произодили но технологии, существую щей на комбинате.

Уже первое исследование п мартеновском цехе на ?'.', плавках в присутствии на составе одного четырехместного поддона с опытным оборудованием показали, что выполнение литниковой системы

? 9

близкой к оптимальным параметрам: S - .'(,14 • í>0 - 70Ь0 мм"; Е S = 4 - 3,14 - 302 - ИЗО мм2; }] !',(,т 4 • 3,14 • MI2 -31400 мм2, позволяет снизить брак по трудной заготовке па l),2í>'i. При ЭТОМ отмечено, ЧТО о увеличением скорости разливки лаке вдвое, ухудшения качества заготовок не наблюдается. Полученные результаты явились достаточным основанием для проведения широких промыгалешшх исследований. Отлито около :íiíiki т трубной стали, используя на разливочном составе дна опытных четырехместных подло на. Установлено, что слитки, полученные при скоростной разливке (длительность наполнения тела слитка изменили от !> мин. 40 с до 3 МИН. 15 С) по опытной технологии, всегда ИМеДИ меньше Ирака,

чем сравнительные (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Сравнение качества металла трубных марок сталей, осмотренного на участке отделки ТЗС в зависимости от применяемой технологии.

Технология разливки Время наполнения тела слитка, мин. Всего осмотрено, т Брак

т %

Опытная Базовая 3,25...5.70 6,0...8,0 1744,8 6379,8 36,63 1,87 162,05 2,54

Эсперименталышм путом найден оптимум допускаемых скоростей для различных групп марок стали, который составляет для низкоуглер< дистых - 540+560 мм/мин., для сроднеуглеродистых - 540+580 мм/мин. для легированных - 560+600 мм/мин..

Преимущества новой технологии разливки показаны при тщательног анализе (с применением ультразвукового контроля) качества металла марки ОС, отлитого в мартеновском цехе, а именно осей и их заготовок (табл. 4.2).

Таблица 4.2 Сравнение качества осевой заготовки.

Технология разливки Количество получегашх кратей, шт. Крати, нуждающиеся в зачистке Брак по металлу Брак при УЗК

шт. % шт. % шт. %

Опытная Л45 104 71,7 - - - -

Базовая 902 504 64,8 4 0,4 3 0,33

Повышение скорости разливки металла под шлакообразующей смесь: требует пересмотра состава, и, следовательно, физико-химических свойств последней. Предложен и опробован рациональный состав легко плавкой шлакообразующей смеси для сифонной разливки металла на основе шлака производства металлического марганца: шлак металлическо го марганца - 70%, алюминиевая стружка - 15...20Х, плавиковый шпат

8___10%. Смесь itm^ot следун'ию щокмущо.тьг»: мгчилая ».'ор:>'.:?1!осгь

выхода из эвтектического состоишя (n силои присутствуют грк компонента); легкоплавкая (время полного расплавления 1,5...2,0 чин); обеспечивается быстро«? разрушение шлакового гарниоахп на глутроп-nott поверхности изложниц (расплавленный шлак, с достаточно высокой основностью (~2,0)); понижена на <! % массовая доля плавикового шпата, способного при расплавлении выделять токсичные соединения; низкая стоимость смеси, меньше затраты па помол и смешивание компонентов.

12000 т трубтх марок стали было отлито при проведении исследований с использованием опытного разливочного оборудования на составе, оборудованном восьмиместными ппдломг.мн. Бремя наполнения изложниц соответствовало времени наполнения, определенного в технологической инструкции комбината для вооьмиместных поддонов (7...II мин.). Малый диаметр (00 мм) коллектора в ковпе, рассш-тэнный на существующую на комбинат" литниковую систему, и посьми-меепшй поддон, на котором две изложницы (О-в) находятся на одном ручье не позволили вести разливку с невиновными скоростями.

Результаты по выходу годного и брака, полученные на отделке трубозаготовочного стана показали уменьшение па I,03 % брака проката на опытных плавках в сравнении о данными по браку текущего производства.

Установлено, что улучшение качества поверхности заготовок при испольпопяшш расширяющейся литниковой системы вызвано, презде всего, изменением характера циркуляционных потоков в излеотшцо, существенно влинэтиих па процесс: формирования корочки. Выравниванием скорости потока по сечению изложницы (осОешга в нижней трети) предлагаемая т" галогия способствует .уменьшению захвата илакообра-зующей смеси в начальный период разливки (подтверждено результатами холодного моделирования). Р. связи с зтим отмечено снижение загрязненности донной части слитка неметаллическими включениями оксидного происхождения в среднем цП о, 37 балла. Качество макроструктуры трубной заготовки из опытных слитков но уступает сравнительным.

В условиях кислородно конвертерного цеха 1гропедопа отливка осевого металла с использованием опытного оборудования. Количество кратей, нуждающихся в зачистке, снизилось на 7,22 % (абс.). На 0,92 % возросло количество удовлетворительных кратей. При УГ.К все осевые заготовки, полученные методом безнапорной разливки, имели

качественные характеристики значительно више, чем у металла, от литого с использованием базовой литниковой системы: брак по зату ханию (качество оплошностей металла контролирующееся УЗК) соста вил 0,19% против 0,79%; импульсов от нарушения оплошностей в от личие от сравниваемых заготовок, не обнаружено; брак по горизон там составил 0,76%, что на 0,68% ниже, чем у сравниваемого метал ла.

Количество прокатанных годных осой в опытной партии, на 4,8 (абс.) било выше, чем в сравнительной. При УЗК брак осей отс'/тст вовал (из числа осой, полученных из слитков, отлитых по Оазовс технологии, при УЗК забраковано 0,78%). Выход годного металл (опытная партия) составил 79,2%, что на 6,3% выше, чем у парти сравнительных слитков.

На значительном объеме отлитого трубного металла (10000 т показан один из путей постепенного перехода на комбинате к новс технолога« разливки, позволяющий сохранить на время перехода урс вонь качества получаемого при этом мотолла.

В связи с тем, что новая технология разливки предусматривав значительное снижение скорости потоков вдоль корочки слитка, а это вероятно должно было отразиться на стойкости изложниц, их р? ходе. Основное сокращение расхода изложниц ожидали получить всле ствие уменьшения толщины их донной части, а значит и веса. Нове изложница (С-8А) на 810 кг легче обычной (С-8). В процессе экс плуатации была доказана эффективность применения изложницы С--8А, учитывая положительное влияние на ход ее наполнения расширяющей литниковой системы, что позволило снизить расход изложниц в сре; нем на 3,4 кг/т. Если снижение расхода изложниц около 2 кг/т мол но объясш!ть исключительно только уменьшением веса изложницы С-£ на 9% за счет реконструкции донной части, то остальные 1,4 кг/т связаны, по всей видимости, с изменением гидродинамики в полос-: изложницу (отсутствует четко выраженная зона интенсивной циркул5 ции металла, в связи с чем размыватацэе действие струи на изложш цу сказывается слабее). Бытовавшее представление, что при умены нии толщины дна изложницы снизится ео стойкость и ухудшится кач< ство металла лонной части слитка из-за снижения скорости криста. лизации, в процессе работу не подтвердилось.

Анализ результатов промышленных исследований показал сущее ветше преимущества разработанной новой технологии сифонной раз

L7

липки металла под шлаком перед псе еще существующим классическим способом отливки слитков и дает основание для широкого использования ее и на других металлургических предприятиях страны.

3 Л К Л Ю Ч К Н И К

1. На оснопашпт анализа преимуществ и недостатков разливки стали сифонным способом под шлакообразующими смесями, методами физического и математического моделирования определена конструкция разливочного устройства: у. 5Пр: Т. к;ж т : 1,5 : 5, причем

£ SCT- это сумма выходных (в сторону внутренней полости изложницы) сечений стаканов.

2. Исследование гидродинамики епфчиг'Л отливьи слитков под шла -кообразующей смесью на физической модели с применением расширяющейся ЛИТНИКОВОЙ системы, И используя на Последнем ее зтапе как обычных конических, увеличенного исходного, ОИ'ИЧШП (около WJ...13U ММ) и уменьшенной высоты (ГСЮ...НО мм), так и особенно "дырчатых" (перфорированная решетка с коническими отверстиями) стаканов,, показало: существенное уменьшение циркуляции металла в изложнице, вызываемой струей подаваемого расплава; получение практически по всей высоте изложницы только восходящих потоков малой скорости (включая и потоки у коркового слоя), снижение до минимума захвата смеси в объем "металла"; возможность увеличения скорости разливки металла сифоном.

3. Разработана математическая модель гидродинамики процесса сифонной разливки стали С использованием естественных переменных.

проверено и llolUIOMIIM ни ; | i|i ■ к 11: fl м< >cti . с | и) т; п'опп физического

моделирования. При |)ешении гидродипамичепе >¡1 зм.цлчи В естествен ных переменных ни вызывает трудностей расстановка граничных условий на твердых поверхностях, особенно если они подвижны при затвердевании. Большая простота анализа полученных результатов для инжинера, так как для описания Физики гидродинамических и теплофизических процессов используются физически" (естественные) переменные: скорость и даплрии»». IIf«',i"\.4f,4 расчет поля скоростей, полей температур расплава и затвердевшей корки при различных способах сифонной разливки напорной и лкшмпири.-й. Иши1°н резерв повышения скорости наполнения изложницы, при использовании расширяющейся литниковой системы, приблизительно п дьо роза.

4. Разработана М"'' млтическал модель и]■■ мit ,j> .рмпроваппя (Зат

1:3

вердевания) слитка в период заполнения изложницы металлом. Ons деление скорости роста коркового слоя выполнено в изменяющейся | счетной области с учетом гидродинамической обстановки и теплопе{ носа. На процессе формирования коркового слоя в период заполнен! изложницы металлом (его скорости) показаны преимущества новой тс нологаи разливки (выполнена конструкция литниковой системы пс принципу расширяющейся), перед существующим методом разливки, ис пользуемом на комбинате.

5. Определены основные параметры расширяющейся литниковой сис темы (размеры ее частей) применительно к условиям Днепровского металлургического комбината: центровая, литниковая система, рас ливочнпй стакан, изложница. Показаны технологические особенное! подготовки составов с использованием реконструируемого оборудовЕ ния. Внесены изменения в порядок проведения технологических one раций на разливочном пролете и в период разливки металла.

6. Разработана и гаю дрена новая технология скоростной разливк спокойного металла сифоном на четырехместных поддонах в услови? мартеновского цеха комбината с использованном изложницы С~8 с ре конструированной донной частью. Достигнуто снижение брака по Tpj ной заготовке на 0,67 %. Время наполнения опытных поддонов (те* слитка) составляло 3 мин 15 с...5 мин 30 с, а сравнительных (суп ствумаая технология на комбинате) 6...8 мин. Экспериментальны путем найден оптимум скоростей для различных груггп марок стале

который составляет: для низкоуглеродистых - 540___560 мм/мин; д.г

среднеуглеродистых -МО...580 мм/мин; для легированных - 560...f мм/мин.

7. Но качестве осевой заготовки показано снижение возможное возникновения брака металла по "вине" разливки на 0,4 %, уменьше ние количества брака из-за наличия носплошностей в металле (прис ствие неметаллических включений) на 0,3 %. Получено снижение рас да изложиц на 3,7 кг-'т. Сокращение расхода объясняется следуют при реконструкции донной части изложницы с-8 произошло уменьшен веса изложшшы на У % (стойкость при этом не снизилась); значите но снижена скорость потоков у стен изложницы (влияние расширяюще ся литниковой системы), размывающее действие которых на изложи сказывается слабее; разливка с высокой скоростью предполагает ум шение развития тормонапряжений в изложнице (отсутствует длительн перепад температур по пыстоте изложницы, имеющий место при обич

(медленном) заполнении.

8. Определен рациональный состав шлакообразующей смеси для скоростной разливки стали: шлак металлического марганца - 70 %; алюминиевая стружка - 15...20 %; плавиковый шпат - 8...10 %. Смесь легкоплавкая (время полного расплавления 1,5...2,0 мин) с пониженной, в сравнении с базовой, на 4 % массовой долей плавикового шпата, обеспечивает за счет высокой основности (2,0) быстрое разрушение шлакового гарнисажа, обладает низкой стоимостью, малыми затратами на помол и смешивание компонентов.

9. Освоена разливка конвертерных сталей с использованием усовершенствованного разливочного оборудования на восьмиместных поддонах с сохранением существующих на комбинате скоростей наполнения тела слитка. Снижено на 1,03 % количество брака проката, выявленного на отделке трубозаготовочного стана. Сравнение на загрязненность металла неметаллическими включениями образцов донной части слитка марки 20К сравниваемых технологий (новой и базовой).показало преимущество предлагаемой технологии, при использовании которой наблюдается уменьшение загрязненности на 0,37 балла (снижение получено за счет оксидов по составу, близким к составу шлака), что полностью подтвердило результаты физического моделирования, отмочено снижение расхода изложниц с реконструированной донной частью на 3,16 кг/т. Выданы рекомендации по изменению некоторых параметров разливочного оборудования для ведения разливки ускоренно.

10. Разработана и внедрена технология разливки осевого металла в условиях конвертерного цеха комбината. Получено снижение на 7,32 % количества кратей, нуждающихся в зачистке. Увеличен выход годного металла на 6,3 %. Практически сведены до минимума, как показал УЗК, возможности появления несплошностей в металле.

11. Реальный экономический эффект, полученный при внедрении на комбинате составил: 250680 руб. (по ценам на 1991 г.) на тонну отлитой стали.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. A.c. 1662742 СССР, МКИ В 22 Д 7/12. Устройсто для сифонной раз-разливки стали /А.П.Огурцов, М.А.Кащеев, Ю.М.Ковалев и др.(СССР). -* 4606721; заявл.17.10.88; опубл.15.07.91. Бюл. * 26.

2. Математическая модель процесса образования корки металла в перид

заполнения изложницы /А.П.Огурцов, O.E.Самохвалов, В.П.Полетаев и др. //Наука-производству:С(3.статей/ДИИ.-К.,1991.-С.12-15.

3. Губарев И.В., Букреев В.Ф., Огурцов А.П. Скоростная сифонная разливка: качество металла и стойкость изложниц. / Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металла и сплавов.: Тез. докл.Всесоюз.научн.-техн.конф. молодых ученых и специалистов.-Тула,I990.-С.36,37.

4. Огурцов А.П., Губарев И.В. Отливка стали различных марок черег расширяющуюся литниковую систему.// Чер.металлургия. Бюл.НТИ,-I993.-*2.-С.28-29.

5. Технология сифонной разливки стали с использованием расширяющеГ ся литниковой системы / И.В.Губарев, В.П.Полетаев, М.А.Кащеев/ /Наука-производству.:Сб.статей / ДОИ.-К..1991.-С.20-23.

6. Математическая модель гидродинамики начального заполнения излок ницы сифоном /А.П.Огурцов, И.А.Миленький, С.Е.Самохвалов и др./ /Изв.вузов.Чер.металлургия.-1993.-Л7.-С.23-26.

7. Огурцов А.П., Губарев И.В., Кащеев М.А. Новая технология разлш ки стали сифоном под шлаком // Совершенствование металлургичес кой технологии в машиностроении.:Тез.докл. 2 Всесоюз.науч.-toxi конф. с участием иностран. специалистов.- Волгоград,!991.-СЛ9'

8. Технология скоростной разливки стали сифоном /А.П.Огурцов,И.В.] барев, В.П.Полетаев и др.// Процессы разливки, модифицирования кристаллизации стали и сплавов.:Тез.докл. XI Всесоюзной конферн рвнции по проблемам слитка.-Волгоград.1990.-С.178,179.

9. Усовершенствованная тохнология сифонной разливки стали /А.П.Ог; цов, И.В.Губарев, С.С.Бродский, и др.// Чер.металлургия.:Бюл.Н -I992.-*8.-С.23-24.

10. Повышение качества металлопродукции при сифонной разливке п< шлаком через расширяющуюся литниковую систему / А.П.Огурц» И.В.Губарев, М.А.Кащеев и др.// Сталь.-1994.-*!.-С.27-29.

195

/ /

/