автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Моделирование процессов и совершенствование технологии непрерывной разливки стальных листовых заготовок

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗУККЕР Юрген

УЖ 621.74.047

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГОМ НЕЕРЕШВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛЬНЫХ ЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.16.04 - литейное производство

А в I о р е $ в р а г диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

с ■ . / v v-' . v..

Работа выполнена на кафедре "Теория и технология литейных сплавов" Ленинградского Государственного Технического Университета.

Научный руководитель? доктор технических наук

профессор Б.Б.ГУЛЯЕВ.

Официальный оппоненты: доктор технических наук

профессор В.И.Тутов,

кандидат технических наук А.А.Яценко.

Ведущее предприятие: Новолипецкий металлургический комбинат, г.Липецк.

Защита состоится 21 декабря 1990 г. в 16 часов на заседании специализированного Совета Д 063.38.08 при Ленинградском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая, 29, Химический корпус, ауд.51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Университета.

Автореферат разослан «21« ноября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

А.В.Кузин

ч ' с <-: I

* ' * в f

" ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К настоящему времени накоплен' большой опит эксплуатации машин непрерывного литья стальных листовых заготовок. Установлены основные закономерности влияния отдельных технологических параметров на качество этих заготовок.

Развито средств вычислительной техники и измерений в последние годы создало технические предпосылки для автоматизации ряда звеньев технологического процесса непрерывной разливки. Для разработка математического обеспечения системы автоматического управления процессом возникла необходимость в выявлении наиболее значимых технологических параметров и установления оценок их влияния на" условия формирования п качество заготовок.

В 1984 г. на металлургическом заводе "Айзенхюгтенномбинат Ост" в 1ДР (ныне акционерном общества "ЭКОШТАЛЬ" в ФЕТ) был введен в эксплуатацию кислородно-конверторный цех, построенный по проекту и know-how австрийской фирмы ФЕСТ-АЛЫВШЕ. 3 состав цеха вошло современное оборудование, управляемое ЭВМ. Слябовая машина непрерывной разливки явилась единственной в ГДР, снабжавшей страну литыми стальными листовыми заготовками. В этой ситуации важно было обеспечить не только качество получаемых заготовок и высокую производительность, но и стабильность работы оборудования, в первую очередь, за счет снижения частоты прорывов корки при БЫТягиЬания заготовки из кристаллизатора.

Диссертационная работа Еоала составной частью в комплекс НИР, выполнявшихся в рамках договора менду заводом "Мзенхвттенкомбинат Ост" ШОР) к ЦНИИЧермет (СССР) о проведении работ по разделу 4.3.4.3 комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СНВ "Разработка системы автоматизированного управления технологическим процессом непрерывной разливки стали".

Целью работа является улучшение условий формирования стальных листовых заготовок путем совершенствования технологического процесса непрерывной разливки на основе экспериментального и теоретического исследования процессов охлаждения в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения, а также силового нагружения заготовки при вытягивании ее из кристаллизатора. Для достижения этой шли в работе решались следующие основные задачи:

- экспериментальное исследование влияния химического состава

сталей и условий юс разливки на характер и интвноиклосм. теплообмена в кристаллизаторе,

- определение коэффициента теплоотдачи при форсуно-иом охлаждении в условиях непрерывной разливки,

- экспериментальное определенно усилия вытягивания заготовки из кристаллизатора и анализ влияния условий разливки на этот параметр,

- численное моделирование температурного поля и напряженно-деформированного состояния затвердевающей непрерывной стальной листовой заготовки.

- создание автоматизированной системы предупреждения прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Разработана методика экспериментального определения распределения тепловых потоков по высоте широкой грани кристаллизатора с применением ЭВМ. Определены факторы, влияющие на характер и интенсивность теплообмена в кристаллизаторе, и получены соответствующие регрессионные модели.

- Исследованы гидродинамические параметры плоскофакельных форсунок, применяемых в зоне вторичного охлаждения. С помощью стендовых испытаний определена зависимость среднего по пола орошения коэффициента теплоотдачи при форсуночном охлаждении от плотности орошения и скорости струи. Исследовано дополнительное влияние на интенсивность форсуночного охлаждения угла наклона системы форсунка-орошаемая поверхность.

-Разработан способ измерения усилия вытягивания заготовки'из кристаллизатора, основанный на выделении двух огибающих переменного сигнала, пропорционального силам трения в кристаллизаторе. Для различных режимов разливки определены значения максимального и минимального усилия вытягивания.

- Разработана и внедрена автоматизированная система предупреждения прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора.

Практическая ценность работы. Установлены закономерности влияния технологических параметров процесса непрерывной разливки на теплообмен в кристаллизаторе и получена зависимости для определения коэффициента теплоотдачи при форсуночном охлаждении", позволяющие усовершенствовать технологию процесса путем улучиения условий формирования заготовки.

Разработан электронно-аналоговый прибор, позволяющий осуществить .с высокой надежностью непрерывный по ход:/ разливки контроль за макся-2

мальным я минимальным усилием вытягивания заготовки из кристаллизатора.

Внедрена автоматизированная система предупреждения прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора, с помощью которой частоту прорывов удалось снизить на 50%. Годовой экономический эффект составил 7.7 млн марок ДР.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации до-лояены и обсуздены на научно-технических семинарах "Повышение эффективности литейного производства" (Ленинград, I9S8, IS90) и на семинарах кафедры "Теория и технология литейных сплавов" .ПТУ.

Публикации. По тема диссертации опубликованы 3 работы и получены в ДР 5 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит пз введения, шести глав, выводов и списка литературы из 180 наименований. Работа изложена на 147 с. машинописного текста, содержит 84 рисунка и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, научная новизна и практическое значение работы.

В главе I проведен анализ научно-технической литературы, посвященной теплообмену в водоохладаемом кристаллизаторе, при ороленип поверхности заготовки водой форсунками, энергосиловым параметрам процесса непрерывной разливки и напрякенно-деформированному состоянию затвердевающей непрерывной заготовки.

Показано, что среднекнтегральный тепловой поток через стенки кристаллизатора возрастает с увеличением скорости разливки вследствие уменьзения зазора между заготовкой и станками. Увеличение теплосъема, однако, не компенсирует упенъиение времени пребывания заготовки в кристаллизаторе, и поэтому толщина еа корки на выхода из кристаллизатора монотонно убывает по маре увеличения скорости разливки.

Интенсивность теплообмена в кристаллизаторе в значительной мерз зависит от вязкости применяемого шгака, которая определяется исходным составом илакэобразувдой смеси.

При разлирке сталей с различном марочным составом обнаружено, что отеплоеъем в кристаллизатора зависит от их химического соо тана. Блиянне углооода заключается в тон, что мшимачыше значения теплового потока нобждаатся при разливке сталей с содержанием (0.Г-

3

-0.2)%, а максимальные - при содержании (0.4-0.6)$. Различия в интенсивности теплоотвода при разных содержаниях. углерода многие исследователи связывают с положением сплава на фазовой диаграмме Ре-С .

Тепловой поток в кристаллизаторе повивается при увелпчешп^содер-кания марганца, фосфора я серы в разливаемой стали, функциональные зависимости теплового потока от содержания в разливаемой стали этих элементов и углерода в литературе не приводятся.

Для охлаждения затвердевающей заготовки за пределами кристаллизатора применяются форсунки. В результате многочисленных исследовании установлено, что конвективный коэффициент теплоотдачи при форсуночном охлаждении определяется плотностью орошения и, по данним некоторых исследователей, скоростью струи. Опубликованные расчетные зависимости дают, однако, значительный разброс в значениях коэффициента теплоотдачи.

Обнаружено, что при одинаковой плотности орошения горизонтально расположенной плоской заготовки поверхность, обращенная вверх, охлаждается интенсивнее, чем поверхность, обращенная вниз. Сведения о различиях в интенсивности форсуночного теплообмена у поверхностей большого и малого радиусов заготовки с учетом меняющегося по мере продвижения угла ее наклона отсутствуют.

.Нарушение сплошности металла в процесса его затвердевания и охлаждения в условиях непрерывной разливки происходит под действием сложной комбинации термических и механических напряжений. При этом начальная стадия формирования непрерывной заготовки имеет свои особенности, так как развитие термических дапряжений в корке связано с меняющейся по высоте кристаллизатора интенсивностью теплоотвода" на внешней поверхности заготовки и ее сильным разогревом в первой секции зоны вторичного охлаждения, а уровень механических напряжений, помимо переменного по высоте заготовки гидростатического давления расплава, определяется величиной усилия вытягивания на преодоление сил трения при извлечении заготовки из кристаллизатора и точностью настройки поддерживающих заготовку под кристаллизатором роликов.

Поскольку кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение относительно равномерно движущейся заготовки и опережает ее при опускании, усилив вытягивания является периодической знакопеременной величиной. Так как наиболее опасные напряжения в корке в смысле нарушения ее сплошности за время одного цикла качания возникают в момент, когда приложенное к заготовке усилие достигает наибольшее значение при

подъеме кристаллизатора, принято считать, что усилие вытягивания есть 4

совокупность этих значений мнояества циклов качания.

Ввиду необходимости выделения огибающей максимальных значений приложенного п заготовко усилия, невысокой надежности работы тензодат-чпков и несдоз, эксплуатируемых в механизме качания при высокой влажности и значительных колебаниях температура, а также наличия в измеряемом сигнало паразитных составляющих, пропорциональных сила?,! инерции движущихся частей механизма и силам трения в ого сарнирах, задача надод-ного я точного измерения усилия вытягивания заготовки из кристаллизатора остается пока нерешенной, о чем свидетельствует отсутствие соответствующей измерительной оснастки в качестве стандариого звена контрольно-измерительного комплекса машин непрерывной разливки, введенных в строй в последние годы.

К настоящему времени разработаны разные подходы к репению задача о напряженно-деформированном состоянии, в которых корна затвердевающей заготовки рассматривается как балка, пластина или оболочка. Учитывается. что при температурах, близких к температуре затвердевания металла, сказываются эффекты неупругого поведения материала корки. Показано, что распределение термических наполнений по толщине корки характеризуется наличием снимающих напряжений у фронта кристаллизации и растягивающих напряжений в поверхностных слоях затвердевающей заготовки.

В главе 2 приведено численное решение одноморного дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности методом конечных разностей с использованием явной схемы. Учитывается выделение скрытой теплоты кристаллизация в пределах двухфазной зоны и зависимость теплофизических свойств затвердевающей стали от температуры. Особенностью численного решения является определение на качдом временном паге пространственной координаты точек с температурой ликвидус й солидус в межузловом пространстве с применением граничного условия Стефана для фронта ликвидус я солидус соответственно.

Fía внеаизЛ поверхности заготовки задаются граничные условия второго (в пределах кристаллизатора) и третьего (для зоны вторичного охлаждения) рода, то есть решается обратная задача теплопроводности. При восстановлении температуры поверхности отказались от выражения теплового потока через градиент температуры у поверхности и воспользовались условием сохранения теплового баланса при переходе от одного временного слоя сотки к другому. Это позволяет использовать более грубую сетку и, ^ с ледова только, сокращает время расчетов на ЭВМ. О

По разработанному алгоритму численного решения создана Фортран-программа для эксплуатации на ЭВМ ВЗ IOSI.

В главе 3 с учетом известных методов исоледовашш тепловой работы кристаллизатора предложена методика экспериментального доследования теплообмена в кристачлизаторо, работающем в промышленных условиях. Она основывается на непрерывном измерения температур с помощью термопар, заложенных в среднюю дорожку плиты широкой грани (рис.1). Тепловой поток через эту плиту можно определить с помощью уравнения стационарной теплопроводности:

^»»тг^т-тЛ^) (1)

и по формуле Ньютона^:

описывающей теплообмен у поверхности плиты, обращенной к воде. Здесь Асг~ коэффициент теплопроводности материала шшты, Вт/м-К и Тв =-= 0.5(ТВХ + ТЕЫХ) - температура охлаждающей воды, °С. С учетом закономерностей теплообмена при обтекании поверхности жидкостью в турбулентном режиме подсчитано, что наибольшее расхождение между значениями коэффициента теплоотдачи ос на различных горизонтах |' . обусловленное зависимостью физических свойств воды от ее температуры, во время разливки не превышает 13.5$, что представляется не олнаком большим. Поэтому можно считать, .что коэффициент теплоотдачи на обращенной к воде поверхности плиты для каждого момента X имеет одно и то же значение Сч(т) по всей высоте кристаллизатора. Можно показать, что:

cZ.it) =

Т,(г)*2Тг(Т)ч-...+ гТп-1(т) + Tf.it) - 2(п-1)Т«(г) ь

2[п-1)Ч,ср(т;) Л

ст

(3)

если принимать, что распределение теплового потока через плиту между ■двумя термопарами является линейным, а расстояния между термопарами одинаковы и равны { . Средний тепловой поток цср подсчитываете« по расходу воды и ее нагреву с учетом активной площади плиты.

Используя формулы (2) и (Б), можно рассчитать текущие значения топлобого потока на всех горизонтах =1, 2, .... п , зная средний тепловой поток через плиту и одну'температуру плиты на каждом из горизонтов.

Наличие в длите пазов для прохода воды (рис.2) заставляет рассматривать задачу о переносе тепла через плиту кристаллизатора как двумор-6

?::c.I. Плита кристаллизатора в разрезе. У

Рт:с.2. Участок плкти с пазом для прохода води.

Рис.З.

Схема определения тепловнх потоков на различных горизонта?; кристаллизатора: I - плита кристаллизатора, 2 - спап .М'|Сг-Ш термопар, 3 - провсда термопар в стальном когухе, 4 - разъемы, 5 - компенсационные провода, 6 - преобразователи "э.д.с. теп,:опары-ток", 7 - аналого-цифровые преобразователи, 8 - управляющая процессом разливки ЭК.?, 9 -шестЕканалъныГ! самописец, 10 - монитор, II - клавиатура, 12 - датчик расхода воды, 13 - датчики температуры водь\

ную в плоскости, перпендикулярной направлению вытягивания заготовки. Б работе показано, что вызванное наличием пазов уволиче»ие теплового потока на каждом горизонта в точке, в которой производится замер температуры, можно учитывать некоторым уменьшенным по отношению к размеру Ь фиктивным размером И* (рисунки I и 2), дающим для этих точек плиты удовлетворительное совпадение реальных температур двумерного поля со значениями, рассчитанными для одномерного поля. Равенство температур, рассчитанных по уравнениям одномерного и двумерного стационарного температурного поля, для точки (.0 . Ь ) (рис.2) имеет место, если:

Согласно этой формула, фиктивный размер И* для конкретной плиты с заданными конструктивными размерами зависит только от коэффициента теплоотдачи ы. у водоохлсЬздаемой поверхности. Если принять среднее для всех горизонтов значение Ь* = 0,8И , то разброс значений теплового потока, вызванный этим усреднением, от значений теплового потока, удовлетворяющих равенству температур одномерного и двумерного температурного поля в точках (О,Ь ), не превышает 6.5$ для диапазона реальных значений коэффициента теплоотдачи (20000-30000) Вт/м% и указанных на рис.2 конструктивных размеров плиты.

Для проведения по разработанной методике промышленного эксперимента был реализован способ передачи и обработки полученных от установленных в плите термопар сигналов с последующей записью на самописец суть которого отражена на рис.3. Применение ЭВМ с хранящейся в ее памяти программой позволило осуществлять расчеты непосредственно по ходу разливки и получать диаграммные ленты с записью линии тепловых потоков на шести горизонтах кристаллизатора. Для этих расчетов использовались сигналы, поступающие в ЭВМ от термопар, заложенных в среднюю дорокку плиты.

Сравнение диаграммных лент, полученных в рекиме записи этих температур, с лентами записи температур, измеренных на тех же горизонтах на дороже, удаленной от средней на 0,525 м, показало, что интенсивность теплообмена и характер распределения тепловых потоков по высоте кристаллизатора на этих дорожках практически не различаются.

Цель статистической обработки экспериментального материала заключалась в выявлении значимых факторов, влияющих на тепловой поток на каждом горизонте и его среднее по плите значение. К кссдедуежм пара-

п = 1

(4)

метрем била отнесены скорость разливки, ширина отливаемой заготовка, содержание в разливаемой стали углерода, кремни, марганца, фосфора, сори, алюминия, меди и перегрев расплава над температурой ликвидус при поступлении в кристаллизатор. С учетом результатов корреляционного анализа бил проведен I -упорядоченный поиск для построения регрессионных моделей, в хода которого установлено, что при добавлении и изъятия одного или нескольких членов и сохранении одинаковой структуры характер измонония статистических показателей регрессионных уравнений, описывающих тепловые потоки на горизонтах, всегда совпадает с характером изменения (улучшением или ухудшением) статистических показателей регрессионного уравнения, описывающего средний по плите твплоеой поток. Полученные в итоге поиска регрессионные модели с наилучшими характеристиками, описывающие зависимость тепловых потоков на горизонтах и среднего по плите значения от скорости разливки ур и концентрации отдельных химических элементов в разливаемой стали имеют вид:

- для нелегированных сталей типа стали 08:

П = Оо + а^Ур + а г. С С1 + азШпЗ + оц С Р1 + +

г (5)

+ а5уР ♦ а,УрСС] + а8УР[Мп] + а9уР[Р] а-юУр^],

- для конструкционных углеродистых сталей типа ст.З:

4= Мр + Ьг[Мп] + Ьз [С]2 + ЬцУрСС] + Ь5УР[Мп1+ Ь6УРСС][Мп], (6)

- для конструкционных марганцовых сталей типа 0ЭГ2С, 10Г2С, 17ИС:

4= с0 ♦ с.,У,,[Мп] ♦ сгСС] + с3[С]1 ♦ цСС]5. (7)

На основе этих статистических моделей в работе проведен подробный анализ влияния химического состава разливаемой стали и скорости разливки на характер и интенсивность теплообмена в кристаллизаторе. Он показал, что для объяснения особенностей влияния углерода, фосфора и сер! на характер изменения тепловых потоков с успехом могут быть использоЕа-ны известные из технической литературы механизмы воздействия каадого и: этих элементов на механические свойства корки формирующейся непрерывной заготовки, то есть на условия контактирования между заготовкой и кристаллизатором.

Анализ также показал, что при фиксированной скорости раз;, вки обнаруживаются существенные различия в теилосъеме, достигающие 25% и обусловленные колебаниями химического состава в пределах одной и той же марки стали. Следовательно, химический состав разливаемого металла слодуот рассматривать лк вахииП чехналогически" параметр процесса но.-

прерывной разливки стали, управление которым позволяет сократить количество прорывов корки заготовки при вытягивании ее из кристаллизатора. Т^кой вывод подкрепляется тем, что основная часть плавок из разлитых за первые 47 месяцев эксплуатации машины и окончившихся прорывом, сосредоточена в концентрационных областях, для которых по полученным экспериментальным данным характерен пониженный теплоеъем в кристаллизатора,

В работе выполнены численные расчеты температурного поля затвердевающей заготовки. Результаты представлены в виде кривых изменения температуры поверхности заготовки при заданном распределении тепловых потоков по высоте кристаллизатора и соответствующем среднем по плите значении теплового потока. Построена номограмма для определения толщины корки заготовки на выходе из кристаллизатора б зависимости от среднего теплового потока и температуры перегрева расплава над температурой ликвидус при различных скоростях разливки.

| В главе 4 исследуется процесс затвердевания и охлаждения непрерывной заготовки при форсуночном орошении в зоне вторичного охлатэдения. Для этого проведены стендовые испытания плоскофакелышх форсунок с различным углом раскрытия факела и различными значениями эквивалентного диаметра выходного отверстия. Определены гидродинамические показатели этих форсунок: расходная характеристика, углы раскрытия по большой и малой оси, контур и площадь поля орошения.

Методика определения конвективного коэффициента теплоотдачи на стенде основана на измерении затрачиваемой мощности при орошении водой с заданной интенсивностью из исследуемой форсунки нихромовой пластики с размерами рабочего участка (10x30) мм^ при постоянстве ее температуры (Ю00°С), которое поддерживается путем пропускания регулируемого электрического тока. Так как площадь образца составляет всего лишь сотые и тысячные доли создаваемого форсункой поля орошения, замеры производятся во множестве точек в пределах этого поля. С учетом нелинейного распределения локальных значений среднее по пола орошения значение конвективного коэффициента теплоотдачи в работе определялось с применением формулы Симпсона.

Проведены две серии опытов. В первой серии исследовался теплообмен при орошении вертикально расположенного образца для 54 различных режимов охлаадония. При этом, помимо типа форсунок, варьировались избыточное давление воды перед форсункой и ее расстояние до образца. Из различных статистических; моделей наилучшей оказалась: 10

е< к = - ? ♦ 197 Vs + 5.3б W, (8)

которая выражает зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи cík(Bt/m¿K) от плотности орошения Vs и скорости струя W п применима, если 0.214 Vs ¿3.42 л/t^c я 9.6íV/¿23.5 м/с.

Во второй серии опытов исследовалось дополнительное влияние на интенсивность форсуночного теплообмена угла наклона системы форсунка-орошаемая поверхность о . Для этого над образцом был размещен экран, имитирующий поверхность заготовки. Замеры осуществлялись при 105 различных режимах охлаждения, отличающихся,, помимо названных для первой серии опытов параметров, значениями угла $ . В результате статистической обработки получено регрессионное уравнение:

с<к: -19 ♦ mvs ♦ 5.42W ♦ 0.363* О)

для 0.216 VsáI.S6 л/м2с, 9.8íW<23.5 м/с и -60°г^60°.

Сравнение дисперсий двух выборок, включающих соответственно замеры пзреой и второй серии опытов, осуществленных при ¡f = О, 0.21 í Vs ^1.96 лД^с и 9.6éWí23.5 м/с. с табулированными значениями критерия Фишера, установлено, что наличие экрана, имитирующего поверхность заготовки, является значимым фактором, влияющим на интенсивность форсуночного теплообмена.

Численное моделирование температурного поля заготовки для различных режимов охлаждения ее поверхности показало, что меняющийся по мере продвижения заготовки угол наклона ¡Г приводит в соответствии с формулой (9) к разной интенсивности охлаждения граней большого и малого радиусов. В работе показано, что для достижения одинаковой теплоотдачи на этих гранях требуется наличие в каздой секции зоны вторичного охлаждения линейной взаимосвязи между разностью значений расходов воды (л/с) на большом (Vj)'h малом (Vj ) радиусе и меняющимся углом наклона заготовки:

</¡ - v[ = K(F0¡S}|Í|, (Ю)

где константа K(F0;S ) для каждой секции определяется площадью выходного отверстия форсунок F0 и площадью поля орошения S , создаваемого одной форсункой.

Численные расчеты показали, что время полного затвердевания заготовки* при наиболее интенсивном режиме охлаждения сокращается но более, чем на 8% по сравнению с наименее интенсивным режимом охлак-дения.

Разработана методика и проведены замеры'температуры поверхности заготовки с помощью.термопары, прикрепленной к головке цепи затравки, ¿.роведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных температурных кривых.

В главе S исследованы условия нагрузкения заготовки при вытягивании ее из кристаллизатора. Для измерения усилия вытягивания создан электронно-аналоговый прибор, который, как показано на рис.4, состоит из двух каналов, каждый из которых включает в себя две последовательно включенные усилительные ступени VS1 , VS3 и VS2, VS4 соответствен. но-. На вход прибора подается напряжение, снимаемое с шунта RSH в цо-пи якоря двигателя механизма качания кристаллизатора. Первые усилительные ступени VS1 nVS2 усиливают входной сигнал и преобразовывают его в однополярный положительный и отрицательный сигнал соответственно. Для выделения огибающих входного сигнала к выходам первых усилительных ступеней подключены конденсаторы С1 и С2 , которые подзаряжаются за каждый цикл качания. Диоды VD1 и VD2 предотвращают разрядку через выходы первых ступеней, которая регулируется резисторами R1 и R2 . Напряжение на обкладках конденсаторов подается на .входы вторых усилительных ступеней VSBfl VSí». В них осуществляется выделенио и усиление сигналов огибающих соответственно максимального и минимального усилия вытягивания, в которых отсутствуют паразитные составляющие, вызванные подъемом и опусканием массы кристаллизатора и других узлов механизма качания, а также силами трения в шарнирах механизма.

Выполнена серия замеров усилия вытягивания при различных режимах . разливки. Путем статистической обработки экспериментального материала установлено, что величины максимального и минимального усилия вытягивания не зависят от химического состава разливаемой стали к при заданном тиле применяемой шлакообразующей смеси определяются скоростью разливки. Приведены соответствующие аппроксимирующие зависимости.

В работе показано, что при разливке под шлаком отношение максимального к минимальному усилию вытягивания с теоретических позиций но может быть произвольным и при синусоидальном законе качания кристаллизатора находится в пределах от (1 ♦ 2krrA)/(1 - 2ктТА) при идеально жидкостном до -I при идеально сухом режиме трения между заготовкой и кристаллизатором, где А - амплитуда качания кристаллизатора, м, и К' -коэффициент пропорциональности месту частотой качания кристаллизатора и скоростью разливки, 1/ы. Однако замечено, что отношение максимального к минимальному усилию вытягивания, определенное по результатам замеров, может выходить за теоретически возможные пределы. Установле-12

VS1

>

VD1

VS 3

т

>

J"-0

Umax

VS2

>

VD2

VS 4

C2

X1

Tri

>

Umin

Piic.4. Блок-схема прибора для измерения максимального и минимального усилия вытягивания заготовки из кристаллизатора.

1800

1700

1600

1500

КОО

ь сО 1300

с 'с 1200

о* 1100

1000

900

800

700

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1Д 1,5 1,6 vp , m/muh

Гис.5. Номограмма для определения предельного значения теплового потока через плиту кристаллизатора при заданной скорости разлилки vP г. температуре перегрева расплава лТп. J3

но, что это происходит, если конус узких стенок кристаллизатора провы-паэт значение, необходимое для компенсации усадки заготовки в кристаллизаторе.

С применением пакета программ для численного решения задачи термо-упругопластичноста в работе определены напряжения и деформации корки при термическом нагружешш заготовки для разных режимов ее охлаждения в кристаллизаторе и при дополнительном силовом нагруяения усилием вытягивания и гидростатическим давлением расплава,

■ Глава 6 посвящена решению задачи предотвращения прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора. Проведен анализ известных подходов к проблема предотвращения прорывов, с учетом которого разработана и внедрена автоматизированная система предупреждения прорывов. Ее работа основана на непрерывном подсчете на управляющей процессом разливки ЭВМ теплового потока через каждую из четырех рабочих плит кристаллизатора по соответствующим значениям расхода воды и ее нагрева с учетом активной площади этих плит. Тепловые потоки сравниваются с некоторым предельным значением, которое зависит от скорости разливки и температуры перегрева расплава над температурой" ликвидус и определяется из номограммы, хранящейся в памяти ЭВМ в табличном виде. В случае, если текущие значения теплового потока хотя бы для одной плита оказываются меньше предельного для заданных условий разливки, на экраны мониторов, подключенных к управляющей ЭВМ, выдается соответствующая информация и инициируется акустический сигнал, после чего скорость разливки снижают. Если улучшение теплообмена в кристаллизаторе не происходит, процесс разливки на данном ручье прекращают.

Установлено, что наиболее частой причиной активизации сигнала прз-* дупреждения является неточная настройка кристаллизатора и поддерживающих заготовку роликов относительно технологической оси ручья, которая ухудшает условия контактирования меаду заготовкой и одной или несколькими рабочими плитами кристаллизатора.

\Номограмма предельных значений среднего теплового потока в кристаллизаторе построена на основе результатов численного моделирования температурного поля затвердевающей стальной заготовки и представлена на рис.5. Кривые на ней соответствуют режимам разливки, при которых толщина корки заготовки на выходе из кристаллизатора составляет 13 мл. Это значение минимально необходимой толщины корки определялось путем заморов на чулках, полученных в результате прорывов, и в дальнейшем уточнялось с учетом эффективности работы системы в стадии ее внедрения.

Промышленная эксплуатация автоматизированной системы предупрекдо-

нпя просшзсв позволила сократить на 60$ пх частоту при стабильных условиях разливки и отсутствии очевидных нарушений технологии разливки.

Для повышения эффективности работы системы разработана методика определения предельных значений теплового потока в кристаллизаторе, основанная на численном моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки и применении в качестве критерия растрескивания величины максимальной относительной деформации, зависящей от температуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана принципиально новая методика исследования тепловой работы кристаллизатора в промышленных условиях с применением ЭВМ. Исследовано влияние условий разливки и химического состава разливаемой ста1!!! на характер и интенсивность теплообмена в кристаллизаторе. Установлено, что химический состав разливаемой стали является важным.технологическим параметром процесса непрерывной разливки, управление которым позволяет сократить количество прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора.

2. проведены стендовые испытания плоскофакельных форсунок, применяемых в зоне вторичного охлаждения. Определены гидродинамические показатели этих форсунок и определена, зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи от плотности орошения и скорости струи. Исследовано дополнительное влияние на интенсивность форсуночного теплообмена угла наклона системы форсунка-орошаемая поверхность и сформулировано условие для обеспечения одинаковой интенсивности охлаждения на гранях большого и малого радиусов заготовки,

3. Осуществлено численное решение методом конечных разностей одномерного двфференшального уравнения нестационарной теплопроводности и разработано соэтветстзушее программное обеспечение. Выполнены численные расчета затвердевания и охлаждения непрерывной стальной листовой заготовки для различных релизов охлаждения в кристаллизаторе л зоне вторичного охлаждения, подтвержденные опытами.

4. Создан электронно-аналоговый прибор для измерения усилия вытягивания заготовки из кристаллизатора, отличавшийся высокой надежностью в работе и возможностью измерения не только максимального значения усилия при^подъеме кристаллизатора, но и минимального усилия при его опускании. Установлено, что отношение максимального к минимальному усилию вытягивания зависит от конуса узких стенок кристаллизатора.

5. Разработана и внедрена ав-ог.атизирояанная система :оэгупре:~де-

15

ния прорывов корки при вытягивании заготовки из кристаллизатора, основанная на непрерывном контроле тепловой работы кристаллизатора с гтомощью управляющей процессом разливки ЭВМ и позволившая снизить частоту прорывов на 60%. Для повышения эффективности работы системы разработана методика определения предельных значений теплового потока в кристаллизаторе путем численного моделирования напрякенно-деформиро-ванного состояния заготовки.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. L.Hering,W.Jockel,J.Sucker Das Durchbruchwarnsystem der Brammenslranggunanloge (Technische Informationen 1967, № 1 ,.S. 22- 23.

2. Зуккер'Ю., Гуляев Б.Б. Исследование тепловой работы кристаллизатора с целью увеличения производительности процесса непрерывной разливки // Повышение эффективности литейного производства.--Л.: ЛДНТП, 1988. - С.86-90.

3. Зуккер Ю. Создание автоматизированной системы предупреждения прорывов корки под кристаллизатором ШЛЗ на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния // Повышение эффективности литейного производства. - Л.: ЛДНТП, 1990. - С.51-53.

4. Зуккер Ю., Херинг Л., Зуккер ГЛ. и др. A.c. 266291 ГДР, Ш1 B22D 11/16. Способ измерения температуры поверхности непрерывной заготовки.

5. Зуккер Ю, A.c. 274370 ГДР, Г.КИ B22D II/I6. Способ предотвращения прорывов корки непрерывной заготовки.

6. Зуккер Ю. A.c. 276636 ГДР, Ш1 Б220 11/20. Устройство для измерения, максимального растягивающего и минимального сжимающего усилия вытягивания при извлечении заготовки из качающегося кристаллизатора ШЛЗ. ' ;

7. Зуккер Ю., Зуккер Ы. A.c. 278074 ГДР, МКИ B22D 11/14. Способ настройки технологической оси ШЛЗ.

8. Зуккер Ю., Зуккер М., Херинг Л. и др. A.c. 280707 ГДР. МКИ B22D 11/16. Способ повышения надежности предотвращения прорывов на МШ13.

Подписано к печати 19.11.90. Тираж 100.

Заказ 669. Бесплатно,

Ol печатано на ротапринте ЛГТУ, 19 5251 ,Лет*инградгПолято хш<ческая,2 9,