автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение новых технологических решений с целью повышения качества непрерывнолитых блюмовых заготовок в условиях комбината ОАО "ОЭМК"

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ БЛЮМОВЫХ ЗАГОТОВОК В УСЛОВИЯХ ОАО "ОЭМК"

Специальность 05 16 02 — Металлургия черных, цветных и редких металлов

ООЗ170630

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

2 9 МАП 2008

003170690

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им И П Бардина»

Научный руководитель

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Айзин Юрий Моисеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор

Стомахин Александр Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Ганкин Владимир Борисович

Ведущее предприятие ОАО «Волжский трубный завод»

00

на заседании

Защита состоится « » 2008 г в 15'

диссертационного совета Д 217 035 02 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им И П Бардина» по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 9/23

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке и на сайте Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им И П Бардина». www ehermet ru

Utfrti'

Автореферат разослан « U» ¡ЛШуч 2008 г

Ученый секретарь // / -

диссертационного совета Д 217 035 02 ^^^r'l Москвина Т П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

ОАО "ОЭМК" является крупнейшим производителем непрерывнолитой заготовки для сортовых станов из низко- и среднелегированной стали Профильный сортамент комбината представлен в основном круглой заготовкой диаметром от 11 до 180 мм В связи с возросшими требованиями к качеству металлургической продукции, особенно к применяемой в изделиях ответственного назначения, весьма актуальной проблемой для ОЭМК является повышение качества непрерывнолитой заготовки Решение этой задачи актуально не только для ОАО "ОЭМК", но и для всех металлургических предприятий - потребителей блюмовой заготовки

Известно, что для непрерывнолитой заготовки из низкоуглеродистой стали характерными дефектами являются паукообразные трещины на поверхности, повышенная ликвация и пористость в осевой зоне Паукообразные трещины необходимо устранять перед прокаткой, а в случае их неполного удаления на данной стадии требуется удаление их остатков на готовом прокате, что приводит к дополнительным трудозатратам и к повышению себестоимости Снижение уровня осевой ликвации позволит расширить номенклатуру выпускаемой продукции

Целью данной работы является повышение качества непрерывнолитой блюмовой заготовки путем разработки и внедрения новых экономичных технологических решений на стадии формирования и охлаждения заготовок из стали трещиночувствительных марок, а также совершенствование серийной технологии путем разработки и внедрения новых рациональных конструкторских решений основных узлов блюмовой MHJI3

Научная новизна:

1 Проведен математический расчет процессов охлаждения и затвердевания блюма

2 Разработан научно обоснованный комплекс технических решений, обеспечивающий равномерное охлаждение оболочки непрерывнолитой заготовки, увеличение стойкости кристаллизатора, улучшение качества поверхности и осевой зоны заготовок из трещиночувствительной мало- и среднелегированной углеродистой стали Разработанный комплекс технических решений включает в себя

- применение нового материала для рабочих стенок кристаллизатора,

- разработку новой формы сечения (трапециевидной) охлаждающих каналов в рабочих стенках кристаллизатора;

- разработку новых режимов равномерного и «мягкого» вторичного охлаждения непрерывнолитых блюмов,

- оптимизацию режимов электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе

3 Установлены закономерности влияния новых технических решений на качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой заготовки

4 Разработаны новые конструкции основных узлов МНЛЗ для вторичного охлаждения, обеспечивающие равномерное и мягкое охлаждение непрерывнолитой заготовки водовоздушным туманом

Практическая значимость

1 Впервые разработан и внедрен на радиальной МНЛЗ ЭСПЦ ОАО "ОЭМК" комплекс технических решений, обеспечивающий повышение качества непрерывнолитых блюмов сечением 300x360 мм

2 Разработан и опробован кристаллизатор с переменной конусностью, позволяющий улучшить дендритную структуру непрерывнолитых заготовок

3 Разработаны новые режимы вторичного охлаждения на радиальной блюмовой МНЛЗ, усовершенствована и внедрена технология отливки блюмов из трещиночуствительной стали, что позволило повысить качество непрерывнолитой заготовки, а также крупно- и мелкосортного проката ответственного назначения

4 Разработан оптимальный режим электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе, позволивший улучшить качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой блюмовой заготовки

5 Разработана конструкция системы водовоздушного охлаждения, позволившая повысить качество поверхности непрерывнолитои заготовки стали широкого сортамента

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена применением аттестованных методик измерений и соответствующей оценки их погрешностей, а также положительными результатами промышленных испытаний на ОАО "ОЭМК"

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции по непрерывной разливке стали (г Тржинец, ЧССР, 1989 г), на научно-технической конференции «Внепечная обработка и непрерывная разливка стали» (г Москва, май 2006 г), на девятом Международном конгрессе сталеплавильщиков (г Старый Оскол, октябрь 2006 г)

На защиту выносится

1 Комплекс научно обоснованных технических решений, включающий

в себя

- разработку новой формы каналов охлаждения кристаллизатора,

- материал кристаллизатора,

- режимы вторичного охлаждения,

- режимы электромагнитного перемешивания

2 Новая конструкция узла вторичного охлаждения

3 Результаты промышленных испытаний и внедрения разработанного

комплекса технических решений

Публикации. По результатам работы опубликованы пять статей и получен патент

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, раздела с выводами и заключениями, библиографического списка из 67 наименований и содержит 140 страниц машинописного текста, 25 таблиц и 84 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении раскрыта актуальность работы, обоснована цель, основные задачи, сформулированы научная новизна работы и ее практическая значимость

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» изучено влияние конструктивных особенностей кристаллизаторов, коллекторов вторичного охлаждения, форсунок, электромагнитного перемешивания и технологии разливки на качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой заготовки (НЛЗ)

Применяемые в настоящее время на блюмовых МНЛЗ кристаллизаторы с различными типами охлаждающих каналов в рабочих стенках условно можно разделить на две группы, со сверлеными отверстиями (круглыми) и со щелевыми Последние имеют все большее применение Щелевидные каналы для охлаждающей воды имеют прямоугольное поперечное сечение, при этом или широкая или узкая сторона обращена к горячей поверхности рабочей стенки кристаллизатора Щели расположены параллельно горячей (рабочей) поверхности стенки, тогда как сверленые каналы располагаются прямо (не параллельно граням большого и малого радиусов). Таким образом, сверленые каналы находятся на разных расстояниях от горячей поверхности стенок большого и малого радиусов, выполненных в продольном сечении в виде части круга с радиусом, равным рабочему радиусу данной МНЛЗ В результате стенки большого и малого радиусов со сверлеными каналами для охлаждающей воды имеют не одинаковый отвод тепла от оболочки слитка по высоте

кристаллизатора Для изготовления рабочих стенок кристаллизаторов со сверлеными каналами требуется заготовка почти в два раза большей толщины, чем для рабочих стенок со щелевыми каналами, которые изготавливаются путем фрезерования рабочей стенки с ее тыльной стороны Сверление водоохлаждающих каналов делается в теле стенки, что требует заготовки для стенки увеличенной толщины Каналы с чисто прямоугольной формой поперечного сечения также не являются оптимальными с точки зрения эффективности теплоотвода

Количество переданного тепла от рабочей стенки к охлаждающей воде зависит от площади их контакта чем больше площадь контакта рабочей стенки с водой, тем больше будет передано тепла Щель для охлаждающей воды должна быть такого поперечного сечения, чтобы поверхность контакта охлаждающей воды и рабочей стенки была бы максимальной Процесс передачи тепла от оболочки НЛЗ к охлаждающей воде проходит в несколько этапов

- передача тепла непосредственно от оболочки НЛЗ к поверхности рабочей стенки кристаллизатора,

- передача тепла в стенке кристаллизатора,

- передача тепла от стенки кристаллизатора к охлаждающей воде

Известно, что усадка стали при переходе из жидкого состояния в твердое приводит к образованию газового зазора между поверхностью слитка и рабочей стенкой кристаллизатора Для стали разных марок величина усадки различная и изменяется по высоте кристаллизатора Газовый зазор имеет низкую теплопроводность Исследование взаимодействия поверхности слитка с рабочей стенкой кристаллизатора с помощью электроконтактного метода показало, что в контакте со стенками кристаллизатора по всей его высоте находится только часть поверхности НЛЗ и ни на одном из горизонтов нет постоянного контакта оболочки НЛЗ со стенкой кристаллизатора Площадь контакта оболочки НЛЗ со стенкой кристаллизатора уменьшается сверху вниз по высоте кристаллизатора от 40 - 50 % (на горизонте мениска расплава) до 10

- 12 % (у нижней кромки кристаллизатора) Это подтверждает, что постоянного и плотного контакта оболочки НЛЗ со стенкой кристаллизатора нет, а образовавшийся газовый зазор имеет низкую теплопроводность Площадь контакта оболочки НЛЗ со стенкой кристаллизатора изменяется не только по высоте кристаллизатора, но и по ее периметру Участки поверхности НЛЗ, касающиеся медной стенки, интенсивно охлаждаются, а участки поверхности НЛЗ, отошедшие от медной стенки, разогреваются за счет выделяющегося при кристаллизации тепла Неоднородность теплообмена может приводить к образованию дефектов поверхности НЛЗ, таких как паукообразные трещины

Важную роль в передаче тепла от корочки непрерывнолитого слитка к стенке кристаллизатора играют шлакообразующие смеси Защитное шлаковое покрытие в кристаллизаторе выполняет следующие функции защищает мениск металла от окисления, формирует жидкий шлак, который смазывает корочку слитка, образуя шлаковый гарнисаж между корочкой слитка и кристаллизатором, что обеспечивает надлежащий уровень теплопередачи, абсорбирует неметаллические включения из стали Жидкий шлак, проникающий в зазор между корочкой слитка и кристаллизатором, образует два слоя - твердый и жидкий Твердый слой шлака выполняет важную роль, влияя на отвод тепла от корочки непрерывнолитого слитка к стенке кристаллизатора

Следующим этапом в процессе теплообмена является передача тепла стенкой кристаллизатора Кристаллизатор работает в тяжелых теплотехнических условиях, поэтому к материалу стенок кристаллизатора предъявляются высокие требования В качестве материала для изготовления стенки кристаллизатора используется медь или сплавы на ее основе Разность отвода тепла от поверхности НЛЗ по ее высоте и по периметру и разность плотности теплового потока по высоте кристаллизатора приводит к разности температур на поверхности стенки кристаллизатора В местах наибольших температур происходит наибольшее увеличение размеров стенки и снижение твердости материала рабочих стенок кристаллизатора, и, как следствие,

искривление стенок или образование зазора в стыках стенок, величина которого определяется температурой разупрочнения материала стенки кристаллизатора Чем выше температура разупрочнения, тем стойкость кристаллизатора к образованию зазоров выше По ходу эксплуатации кристаллизаторов их износ, а затем ремонт путем съема части рабочей поверхности приводит к уменьшению толщины стенки кристаллизатора и изменению теплопроводности стенки

Последний этап в процессе теплообмена - передача тепла от рабочей стенки к охлаждающей воде Важными факторами в передаче тепла от медной стенки к охлаждающей воде является оптимизация температуры и скорости потока воды в каналах, исключающих образование накипи Накипь, образующаяся при кипении воды в охлаждающих каналах, существенно снижает теплопроводность системы «медная стенка - вода» и тем самым уменьшает отдачу тепла от стенки к воде Заметного образования накипи на стенках каналов при скорости воды, равной 6 м/сек и более, при общей жесткости 5 мг в эквУл не наблюдается

Отвод тепла в наибольшей степени зависит от зазора и толщины шлакового гарнисажа между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора, который является основным лимитирующим звеном в передаче тепла от расплава к охлаждающей воде Все другие участки на пути передачи тепла от расплава к охлаждающей воде оказывают гораздо меньшее влияние, чем зазор между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора

Формирование оболочки НЛЗ определяется взаимодействием ее со стенкой кристаллизатора, где одним из факторов, влияющих на условия взаимодействия, является скорость вытягивания НЛЗ С увеличением скорости вытягивания время нахождения заготовки в кристаллизаторе уменьшается, при этом уменьшается и толщина выходящей из кристаллизатора оболочки Это приводит к увеличению температуры на поверхности, изменяется поле температур поверхности заготовки и уменьшается величина усадки НЛЗ в зоне взаимодействия со стенкой кристаллизатора, и, следовательно, уменьшается

зазор и улучшается контакт корочки слитка со стенкой кристаллизатора Все это проводит к увеличению удельного теплового потока от НЛЗ к охлаждающей воде

Значительное влияние на качество поверхности и внутреннюю структуру заготовки оказывает характер ее формирования в зоне вторичного охлаждения (ЗВО), от интенсивности которого зависит развитие паукообразных трещин При прохождении слитком зоны интенсивного вторичного охлаждения температура его поверхности изменяется циклически в широком интервале Вхождение движущегося участка в зону орошения форсунки сопровождается резким снижением температуры поверхности со скоростью около 390 °С/мин, а выход из зоны - разогревом со скоростью около 120 °С/мин Количество таких теплоциклов для заданной точки поверхности при прохождении через всю зону вторичного охлаждения соответствует числу форсунок, поля орошения которых не перекрываются по направлению движения слитка

Большую роль в образовании поверхностных и подповерхностных трещин играет распределение напряжений в затвердевшей оболочке непрерывнолитого слитка Источником внутренних напряжений являются разные скорости охлаждения по толщине оболочки, а также фазовые превращения, связанные с полиморфизмом железа Расчеты термических напряжений показывают, что при скорости охлаждения поверхности более низкой, чем средняя интегральная скорость охлаждения по толщине оболочки слитка, в поверхностном слое слитка возникают сжимающие напряжения, а в центральных слоях - растягивающие При циклическом охлаждении картина меняется При входе участка поверхности слитка в зону орошения форсунки происходит резкое падение температуры поверхности, приводящее к тому, что на поверхности возникают максимальные растягивающие напряжения, а в подповерхностном слое - сжимающие При выходе из поля действия форсунки и разогреве поверхности картина меняется на противоположную растягивающие напряжения локализуются в подповерхностном слое, а сжимающие - в поверхностном

С целью снижения напряжений и уменьшения эффекта термоциклирования совершенствование системы вторичного охлаждения необходимо осуществлять в направлении снижения расхода воды для получения заготовок с поверхностью высокого качества Для дальнейшего совершенствования системы вторичного охлаждения необходимо обеспечение более равномерного охлаждения по высоте НЛЗ и дальнейшее снижение его интенсивности при разливке трещиночувствительных марок стали

Водовоздушное охлаждение позволяет разливать стали, чувствительные к образованию горячих трещин, и получать при этом хорошее качество поверхности Поскольку диапазон регулирования интенсивности охлаждения от минимального до максимального уровня при двухкомпонентной системе охлаждения составляет 1 - 12 по сравнению с 1 - 3,5 при однокомпонентной системе, то двухкомпонентная система более предпочтительна по сравнению с однокомпонентной и дает возможность для расширения марочного сортамента стали, разливаемой на МНЛЗ

Таким образом, уменьшение уровня напряжений в оболочке слитка и повышение пластичности стали, а, следовательно, повышение качества поверхности НЛЗ, может быть достигнуто снижением эффекта термоциклирования с помощью специальной организации подачи воды на поверхность слитка и особенно применением водовоздушного охлаждения

На основании вышеизложенного были сформулированы задачи настоящей работы

- развитие теоретических основ процессов теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения на основе математической модели,

- оптимизация технологии непрерывной разливки, обеспечивающей повышение качества НЛЗ и проката,

- разработка и внедрение оптимальных конструкций рабочих стенок кристаллизаторов,

- разработка материалов рабочих стенок кристаллизаторов, обеспечивающих равномерное охлаждение оболочки непрерывнолитой заготовки,

- совершенствование конструкции основных узлов блюмовой МНЛЗ

Во второй главе «Теоретический анализ формирования непрерывнолитых заготовок в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения при воздействии электромагнитного перемешивания»

приведено описание используемой в исследованиях математической модели охлаждения и затвердевания металла

Для определения параметров теплового состояния непрерывного слитка в работе использовали дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности, построенное в рамках теории квазиравновесной двухфазной зоны с учетом выделения скрытой теплоты кристаллизации

р СР ^- = (1п(Л8гас1Т)+<281, (1)

ш

где Ср - теплоемкость, р - плотность материала, Л - коэффициент теплопроводности, б^ - функция, характеризующая пространственно распределенный источник тепла фазового перехода Функция <2^ прямо пропорциональна скорости затвердевания расплава и зависит от свойств сплава (в частности, от удельной теплоты фазового перехода С и интервала кристаллизации) Для того, чтобы выразить количественно, обычно вводится в рассмотрение относительное количество твердой фазы 1Н в некотором элементарном объеме расплава в пределах двухфазной зоны Тогда

= —, (2)

Параметр 1Р для жидкой фазы равен нулю, для полностью затвердевшей части слитка равен единице и для двухфазной зоны изменяется от нуля до единицы В дальнейшем будем рассматривать процесс затвердевания в равновесной постановке (считать, что диффузионные процессы в элементарном объеме материала успевают пройти достаточно полно за время фазового перехода в этом объеме) Равновесная модель затвердевания слитка позволяет с достаточной точностью исследовать кинетику поля температур при промышленных скоростях непрерывной разливки Таким образом,

температурная зависимость функции Ч* известна из равновесной диаграммы состояния сплава и определяется «правилом рычага» Используя подстановку

ЭГ

Э/ " ЭГ Э» ' 1 ;

перепишем уравнение теплопроводности в следующем виде

р с,Дг) = (4)

Где

С,ДТ) =

С,(Г) при Т> П,

при т5<т<п,

с5(т) при Г <7^,

здесь Т$пТ[.- соответственно температуры равновесного солидуса и ликвидуса сплава Таким образом, учет выделения тепла в двухфазной зоне сводится к соответствующему заданию зависимости эффективной удельной теплоемкости сплава от температуры С:)ф = С,,ДТ)

Для решения уравнения (4) необходимо сформулировать начальные и граничные условия В качестве начального условия в окрестности менисковой поверхности в момент времени г=0 примем для всей расчетной области

Т=Тн,Т(х,1=0)=Т1+АТ (5)

где Т„ - начальная температура заливки металла в кристаллизатор, ДГ- величина начального перегрева металла над ликвидусом В качестве граничного условия на боковой поверхности заготовки примем

= (Тп-Тв) + ^ {П-Гв), (6)

где п - нормаль к поверхности; Тв - температура окружающей среды, Тп -температура поверхности слитка, а - коэффициент теплоотдачи, -коэффициент теплообмена излучением На поверхностях, совпадающих с осями симметрии поперечного сечения, достаточно задать условие

Теплообмен между слитком и кристаллизатором осуществляется двумя механизмами молекулярной теплопроводностью в зонах контакта и излучением в промежутках между ними

<1 = <Р «кот (Тс-Тк) + (1-<р) с

Щ Л 100 ) 1100

(В)

где д - плотность теплового потока, С = (4 2 - 3 5) . - приведенный

м К

коэффициент теплообмена излучением, <р = (0,25 - 0 35) - относительная площадь контакта слитка с кристаллизатором, Тс - температура поверхности

слитка, Тк - температура стенок кристаллизатора, ак0нт ~ 2000

м К

коэффициент теплоотдачи контактной проводимости

Теплообмен в зоне вторичного охлаждения зависит от конструктивного оформления этой зоны Теплообмен на поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения определяется законами излучения Стефана-Больцмана и естественной конвекцией Ньютона

Я = с

юо; иоо

+ав (Тс-Тв), (9)

где Тв - температура окружающего воздуха, ав = (20 - 40) В.т -

м К

коэффициент теплоотдачи при скорости воздуха, омывающего поверхность слитка, не более 2-3 м/с

Расчет коэффициента теплоотдачи а(тх) в зависимости от координаты точки на поверхности слитка и от расхода воды бд = м3/ч проводился на основе результатов теплофизических исследований двухщелевых форсунок на специальном стенде Экспериментально было изучено распределение коэффициента теплоотдачи по ширине блюма для трех областей

«1» - область шириной 360 мм и высотой 100 мм под верхним роликом, «2» - область (360x120) мм2 в центральной части блюма, «3» - область (360x100) мм2 над нижним роликом для различных расходов воды на форсунку (рис 1, 2)

-1ЯО -reo -СО ° «о lio У,ми

Ширина факела

Рис 1 Распределение коэффициента теплоотдачи по ширине факела форсунки при расходе воды на форсунку - 0,1 м3/ч

./»'А"

i е0°

й

е soo

%

И ¿оо

-rao -J20 - ео о 60 его У

Ширина факела

Рис 2 Распределение коэффициента теплоотдачи по ширине факела форсунки при значении расхода воды на форсунку QB = 0,17 м3/ч

Для аппроксимации коэффициента теплоотдачи в шаге роликов и по ширине непрерывнолитого слитка кубическая и параболическая зависимости представляют собой

а(1)=^Кр (10)

1=0

г=0

а(х) = К4-К8Х2,

где К, - коэффициенты, зависящие от расхода воды и определяемые по экспериментальным данным, г - координата по длине, х - координата по ширине

В третьей главе «Разработка и промышленное испытание конструкций кристаллизаторов, систем вторичного охлаждения и режимов электромагнитного перемешивания» приведены практические результаты проведенных испытаний отдельных конструктивных элементов и технологических решений

Разработана и опробована новая конструкция рабочих стенок кристаллизатора с водоохлаждаемыми каналами трапециевидной формы Разработана технология изготовления каналов новой геометрии методом строжки вместо сверления отверстий Для стенок со сверлеными каналами использовались заготовки толщиной 75 мм и в них просверливали каналы для охлаждающей воды Затем одну грань заготовки выстрагивали по радиусу 12 ООО мм, если это грань кристаллизатора большого радиуса, и по радиусу 11 694 мм, если это грань малого радиуса. Для изготовления рабочей стенки с трапециевидными каналами использовались заготовки толщиной 45 мм, в которых с задней стороны стенки выстрагивали трапециевидные каналы для охлаждающей воды, расположенные параллельно рабочей (горячей) стороне стенки После этого рабочую стенку на прессе загибали по соответствующему радиусу, большому или малому Затем рабочую стенку при помощи шпилек крепили на стальном основании, и после этого производили чистовую обработку рабочей поверхности стенки кристаллизатора Таким образом, новая технология изготовления стенок кристаллизатора и изменение их конструкции позволили снизить расход меди на 40% за счет уменьшения толщины исходной заготовки Расположение трапециевидных каналов параллельно рабочей поверхности стенки в продольном направлении и уменьшение расстояния

между каналами в поперечном позволило сформировать более равномерное температурное поле по сравнению с кристаллизатором со сверлеными стенками и увеличить срок службы рабочих стенок кристаллизаторов

С целью повышения качества поверхности НЛЗ на основании ранее проведенных исследований и расчетов был опробован кристаллизатор с переменной конусностью В целях облегчения конструкторского решения задачи получения переменной конусности был изготовлен трехконусный кристаллизатор Переменная конусность была рассчитана для стали марки 20 Были произведены опытные разливки, отобраны пробы для металлографического исследования от НЛЗ, отлитых через опытный и сравнительный (с прямой конусностью) кристаллизаторы Металлографические исследования макроструктуры НЛЗ показали, что на сравнительных образцах после зоны мелких равноосных кристаллов до расстояния 7,1 мм от поверхности располагается зона столбчатых кристаллов, далее (от 7,1 до 21,1 мм) располагается зона разориентированных по направлению роста столбчатых кристаллов, после которой опять идет зона столбчатых кристаллов, и уже в центральной зоне располагается зона крупных равноосных кристаллов Наличие зоны разориентированных по направлению роста столбчатых кристаллов в макроструктуре НЛЗ, отлитой через обычный кристаллизатор с прямой конусностью, говорит о том, что оболочка слитка отошла от стенки кристаллизатора, в результате чего изменился теплоотвод Затем оболочка вновь прикоснулась к стенке кристаллизатора, теплоотвод восстановился, и продолжилось формирование зоны столбчатых кристаллов С использованием данных по толщине оболочки до зоны разориентированных по направлению роста столбчатых кристаллов по скорости кристаллизации при различной скорости вытягивания НЛЗ, был произведен расчет расстояния от мениска металла до того места по высоте кристаллизатора, где образуются разориентированные по направлению роста столбчатые кристаллы Это расстояние составило 100 - 120 мм от мениска металла в кристаллизаторе В макроструктуре НЛЗ, отлитой через опытный кристаллизатор,

разориентированных по направлению роста столбчатых кристаллов не обнаружено Это дает основание сделать вывод о том, что оболочка опытного слитка сохраняет более плотный контакт со стенкой кристаллизатора, чем на обычном кристаллизаторе с прямой конусностью На рис 3 представлены кривые изменения скорости кристаллизации затвердевающей стальной оболочки металла в зависимости от расстояния до мениска

Рис 3 Изменение скорости кристаллизации затвердевающей стальной оболочки в зависимости от расстояния до мениска металла в кристаллизаторе

При осмотре поверхности опытных и сравнительных НЛЗ стали марки 20 паукообразных трещин обнаружено не было Как уже отмечалось ранее, паукообразными трещинами поражены в основном НЛЗ из стали перитектических марок, то есть стали с содержанием углерода от 0,08 до 0,15% Для оценки влияния переменного конуса рабочей полости кристаллизатора на качество поверхности НЛЗ из такой стали была произведена разливка стали марки 10 с различными скоростями вытягивания (0,6, 0,65, 0,7 м/мин) Результаты осмотра показали, что на поверхности опытных НЛЗ, отлитых со скоростью 0,6 м/мин, паукообразных трещин меньше, чем на сравнительных При увеличении скорости вытягивания количество паукообразных трещин на поверхности НЛЗ уменьшается как на опытных, так и на сравнительных

Необходимо отметить, что при увеличении скорости вытягивания НЛЗ ухудшается качество ее макроструктуры Так, при скорости вытягивания 0,7 м/мин появились трещины в осевой зоне НЛЗ

В результате можно сделать вывод о том, что кристаллизатор с переменной конусностью рабочей полости обеспечивает повышение качества поверхности НЛЗ при разливке стали трещиночувствительных марок, увеличение скорости кристаллизации, а, следовательно, увеличение скорости вытягивания НЛЗ При этом необходима реконструкция МНЛЗ из радиальной в криволинейную, чтобы не допустить образования трещин в центральной части НЛЗ

Проведены испытания кристаллизаторов с покрытием рабочих стенок Рабочие стенки двух кристаллизаторов, изготовленные из меди марки МЗРЖ, были покрыты хромоникелевым защитным слоем, нанесенным гальваническим методом на Белорусском металлургическом заводе Покрытие состояло из трех слоев первый слой (непосредственно примыкающий к меди) - никель, второй слой (переходный) - полинит, третий слой (наружный) - хром Испытания опытных кристаллизаторов производили на МНЛЗ ЭСПЦ ОЭМК в условиях действующего производства Проведенные исследования показали, что на поверхности опытных НЛЗ паукообразных трещин не обнаружено На поверхности НЛЗ из стали марки 10 появление первых паукообразных трещин обнаружено только в одном месте - на грани малого радиуса на расстоянии 50 мм от угла, образованного гранью малого радиуса и правой узкой гранью, где они располагались в виде полосы вдоль этого угла

После обнаружения паукообразных трещин опытный кристаллизатор был разобран и осмотрен В результате осмотра установлено, что на рабочей стенке малого радиуса в 50 мм от угла с правой гранью хромоникелевое покрытие изношено до меди в виде полосы шириной 30-50 мм Расстояние от верха кристаллизатора до появления меди в этом месте составляло 360 мм (от мениска 260 мм) Износ покрытия в других (соседних) областях на этой и других стенках кристаллизатора был 700-800 мм от верха кристаллизатора

Установлена область кристаллизатора, в которой зарождаются паукообразные трещины и причиной их зарождения является разность температур на поверхности оболочки НЛЗ

На основании проведенных исследований и испытаний установлено, что для уменьшения вероятности образования паукообразных трещин необходимо повысить температуру стенок кристаллизатора или обеспечить равномерный контакт оболочки слитка и стенок кристаллизатора С этой целью были проведены исследования по поиску такого материала рабочих стенок кристаллизаторов, который бы имел меньшую теплопроводность, чем у меди, более высокую твердость, в том числе и при высоких температурах, и более высокую температуру разупрочнения Такие требования обеспечивает бронза марки БрХНДр Экспериментальные разливки стали перитектического класса через кристаллизаторы с рабочими стенками из бронзы марки БрХЩр показали существенное снижение количества паукообразных трещин на поверхности НЛЗ

Следующим этапом работы было промышленное опробование кристаллизаторов с рабочими стенками из бронзы со щелевыми охлаждающими каналами Кристаллизаторы с рабочими стенками из бронзы и со щелевыми каналами для охлаждающей воды, при промышленной их эксплуатации, достигли стойкости 450-520 плавок или 16 875-19 500 т разлитого металла в межремонтный период Общая наработка комплекта стенок кристаллизаторов новой конструкции составила 2 925-3 380 плавок или 109 687,5-126 750 т стали При этом уменьшилась дефектность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами их количество уменьшилось в 2 раза

Проведенные расчеты теплового состояния непрерывнолитого слитка показали необходимость пересмотра и оптимизации как режимов вторичного охлаждения, так и совершенствования конструкции основных узлов оборудования - коллекторов водовоздушного вторичного охлаждения Технической сутью реконструкции коллекторов водовоздушного вторичного охлаждения явилось равномерное распределение расхода воды по высоте

коллектора, а также снижение минимального расхода воды на коллектор без ухудшения качества распыления охладителя (воды) Эту задачу удалось решить за счет применения дросселирующих отверстий в распылителях воды и расчета их диаметров по высоте коллектора Коллекторами новой конструкции был оборудован вначале один ручей с опробованием новых режимов вторичного охлаждения Новые удельные расходы воды составили 0,12-0,2 л/кг против прежних 0,2-0,36 л/кг Реконструкция коллекторов и уменьшение расходов воды на вторичное охлаждение позволили повысить качество поверхности НЛЗ и проката на всем сортаменте, и, что особенно важно, добиться исключения брака по раскатанным трещинам круглого проката диам 180 мм из трещиночувствительных марок стали типа 15Г2Ф, 10Г2Ф (до реконструкции вторичного охлаждения брак составлял 0,02%) Объем доработки этого проката по раскатанным трещинам уменьшился более чем в 2 раза (с 31 до 14%)

Проведены исследования влияния различных режимов электромагнитного перемешивания, конструкции оборудования ЭМП и его расположения (в трех зонах в кристаллизаторе, в зоне вторичного охлаждения и в конце жидкой лунки) на качество НЛЗ и проката Наилучшие результаты по качеству макроструктуры и, в особенности, по качеству поверхности получены при применении ЭМП в кристаллизаторе ЭМП в зоне вторичного охлаждения позволяет несколько снизить подусадочную ликвацию, но при этом появляется белый контур отрицательной ликвации Использование реверсирования магнитного поля позволило несколько снизить интенсивность светлой полосы, но при этом эффект от ЭМП уменьшился Электромагнитное перемешивание в конце жидкой лунки лишь незначительно уменьшает подусадочную ликвацию

В качестве оптимальной схемы ЭМП было принято перемешивание в кристаллизаторе, для которого рассчитывали оптимальные режимы работы оборудования ЭМП при минимальном, среднем и максимальном токе индуктора Установлено, что эффект воздействия ЭМП на макроструктуру литой заготовки проявляется при всех опробованных режимах Протяженность

зоны столбчатых дендритов и размеры самих дендритов резко уменьшаются, а при силе тока 146 А столбчатые дендриты практически не выявляются Заметно возрастают величина зоны разориентированных дендритов и степень осевой химической неоднородности, особенно при максимальной силе тока По другим видам дефектов разницы между сравнительными и опытными ручьями не выявлено В макроструктуре трубной заготовки диам 110 мм, прокатанной из сравнительных и опытных ручьев, различия в структуре осевой зоны сохраняются Подусадочная ликвация на образцах с ЭМП (по среднему и максимальному баллам) в 1,5-4,0 раза ниже, а центральная пористость и протяженность осевой неоднородности в 1,5-2,5 раза больше, чем на ручьях без ЭМП

Применение оптимальной технологии электромагнитного перемешивания позволило улучшить качество макроструктуры по дефекту подусадочной ликвации, в стали всех групп марок Наибольший эффект по снижению балла подусадочной ликвации получен на прокате стали группы марок с содержанием углерода 0,46-0,65% При разливке подшипниковых сталей с применением ЭМП, работающем на новых оптимальных режимах, получено снижение подусадочной ликвации углерода с 0,14% до 0,1%, хрома с 0,21% до 0,14% по диаметру проката

Применение предложенных в данной работе технологических и конструктивных решений позволило повысить качество макроструктуры и поверхности НЛЗ и проката

В четвертой главе «Разработка технологии непрерывной разливки стали трещиночувствительных марок» представлены результаты разработки требований к технологии по оптимизации температурно-скоростного режима разливки и режимов качания кристаллизатора

Для оптимизации температурно-скоростного режима разливки стали исследовали влияние увеличения скорости вытягивания заготовки на качество поверхности и макроструктуры НЛЗ При увеличении скорости вытягивания НЛЗ время нахождения данного сечения в кристаллизаторе уменьшается, следовательно, от непрерывнолитого слитка будет отведено меньшее количество теплоты При этом температура корочки непрерывнолитого слитка

будет выше, а усадка ее (корочки) - меньше, следовательно, контакт корочки слитка со стенкой кристаллизатора будет более стабильным и более плотным, а газовый зазор уменьшится, что приведет к уменьшению градиента температур на поверхности НЛЗ в кристаллизаторе Это обстоятельство позволит снизить пораженность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами В зоне вторичного охлаждения при увеличенной скорости вытягивания данное сечение или данный участок поверхности НЛЗ будет меньшее время находиться в зоне действия каждой форсунки, следовательно, будет меньше переохлаждаться и, как следствие, напряжения на поверхности заготовки будут меньше, чем при меньшей скорости вытягивания Это приведет к уменьшению развития в глубину имеющихся на поверхности НЛЗ трещин

Для оценки влияния скорости вытягивания слитка на качество поверхности и макроструктуры НЛЗ было решено увеличить скорость с 0,6 до 0,7 м/мин Эксперимент проводили при разливке, стали марки 10 В табл 1 представлены полученные результаты

Таблица 1 Качество металла, полученного на опытных и сравнительных ручьях

Наименование показателей Опытный ручей Сравнительные ручьи

Скорость разливки, м/мин 0,7 0,6

Количество паукообразных

трещин на один погонный метр 2 9

НЛЗ

Макроструктура НЛЗ, балл

-центральная пористость 2 1

-осевая химическая 3 2-3/2,5

неоднородность

Ликвационные полоски и 0 0

трещины 1 0,5-1/0,75

-в промежуточной зоне

-в осевой зоне

Макрострутура проката, балл

-центральная пористость 0,5-2/0,9 0,5-3/1,6

-поду садочная ликвация 1-2/1,5 0,5-2/1,4

-ликвационные полоски и 1-3/2 0-2/0,9

трещины

Как видно из табл 1, дефектность поверхности НЛЗ, отлитой со скоростью вытягивания 0,7 м/мин меньше, чем НЛЗ, отлитой со скоростью

вытягивания 0,6 м/мин (2 и 9 шт/1погм соответственно) Макроструктура опытного металла, как НЛЗ, так и проката, характеризуется большим баллом по дефекту «ликвационные полоски и трещины» в осевой зоне, чем сравнительного Исходя из полученных результатов эксперимента, можно сказать что, увеличение скорости вытягивания позволяет снизить пораженность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами, но приводит к ухудшению макроструктуры

Для оптимизации температурно-скоростного режима разливки стали, использовали понятие теплосодержания - это произведение перегрева металла (температуры металла в промежуточном ковше (ПК)) над температурой ликвидус на скорость вытягивания (массовую) НЛЗ Эта величина позволяет определять взаимосвязь температуры металла в ПК и скорости вытягивания НЛЗ, с учетом химического состава стали Экспериментально определено оптимальное теплосодержание для стали различных групп марок Так, для стали трещиночувствительных марок опытным путем определили оптимальное теплосодержание, оно составило 13-15 Дж/с, а для нетрещиночувствительных, предназначенных для производства сортового проката 10-13 Дж/с Теплосодержание влияет на температуру поверхности непрерывнолитой заготовки, снижая тем самым влияние местных переохлаждений на процесс образования паукообразных и других трещин, а также уменьшает значение непредвиденных, случайных отклонений в работе охлаждающего оборудования Оптимизация теплосодержания в сочетании с новыми режимами вторичного водовоздушного охлаждения позволили уменьшить напряжения на поверхности НЛЗ, убрав тем самым условия для возникновения новых и развития в глубину уже зародившихся трещин

С целью оптимизации технологии разливки уже с новым (реконструированным) кристаллизатором и новым водовоздушным вторичным охлаждением было исследовано влияние различной частоты качания кристаллизатора на дефектность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами При разливке стали марки 10 на разных ручьях была установлена

различная частота качания кристаллизатора, а именно 60, 90, 120 качаний в минуту В табл 2 представлены основные технологические параметры разливки опытных плавок

Таблица 2 Основные технические параметры разливки опытных плавок

Скорость вытягивани я НЛЗ, м/мин Ход кристаллизатора мм Частота качания кристаллизатора » мин 1 Время опережени я кристаллизатором НЛЗ, с Доля времени опережения кристаллизатором НЛЗ от продолжительност и одного качания, % Средняя скорость кристаллизатора , м/мин

0,6 10 120 0,22 44,9 2,4

0,6 10 90 0,29 43,2 1,8

0,6 10 60 0,40 39,7 1,2

Время опережения кристаллизатором непрерывнолитого слитка определяли по известной формуле

( 60 Í1000 vO

, = - arceos-- ,

U /) U f s)

(11)

где /- частота качания, мин

УР- скорость вытягивания НЛЗ, м/мин, 5 - ход кристаллизатора, мм

После опытной разливки оценили дефектность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами по следующей методике- поверхность опытной НЛЗ «светлили змейкой» и в отраженном свете производили осмотр светленной поверхности с подсчетом обнаруженных паукообразных трещин Их общее число делили на длину НЛЗ в метрах Таким образом получали удельное количество паукообразных трещин на погонный метр НЛЗ (табл 3)

Таблица 3 Дефектность поверхности НЛЗ в зависимости от времени опережения

Время опережения кристаллизатором НЛЗ, с Доля времени опережения кристаллизатором НЛЗ от продолжительности одного качания, % Средняя скорость кристаллизатора, м/мин Количество паукообразных трещин на один погонный метр НЛЗ Примечание

0,22 44,9 2,4 9,4 На поверхности НЛЗ газовых пузырей и пористости нет

0,29 43,2 1,8 0,12 На поверхности НЛЗ присутствуют газовые пузыри и поры

0,40 39,7 1,2 0 На поверхности НЛЗ много газовых пузырей и пор

Как видно из табл 3, с уменьшением средней скорости кристаллизатора и

с приближением ее к скорости вытягивания НЛЗ, а также с уменьшением доли времени опережения кристаллизатором непрерывного слитка в продолжительности одного качания кристаллизатора происходит снижение дефектности поверхности НЛЗ паукообразными трещинами и одновременно увеличение дефектности поверхности газовыми пузырями и порами Для оценки возможности улучшения качества поверхности НЛЗ с помощью вышеуказанной формулы провели анализ возможности дальнейшего снижения средней скорости движения кристаллизатора и уменьшения доли времени опережения, оставаясь в пределах технических возможностей данного механизма качания по его частоте качания Было определено, что для достижения этих целей необходимо уменьшить длину хода кристаллизатора до 4 мм

Для этого на МНЛЗ № 2 ЭСПЦ ОАО "ОЭМК" с уже реконструированной зоной вторичного охлаждения и кристаллизатором были установлены новые эксцентрики механизма качания, обеспечивающие ход кристаллизатора 4 мм. На МНЛЗ № 3, имеющей кристаллизаторы новой конструкции и нереконструированную ЗВО были установлены такие же эксцентрики. МНЛЗ № 1 и № 4 оставались с величиной хода кристаллизатора 10 мм, нереконструированной ЗВО, но кристаллизаторы были новой конструкции. В табл. 4 представлены исходные данные для проведения эксперимента.

Таблица 4. Исходные данные для проведения эксперимента

МНЛЗ МНЛЗ МНЛЗ

№2 №3 № 1 и №4

Конструкция кристаллизатора. новая новая новая

Конструкция ЗВО новая старая старая

Ход кристаллизатора, мм 4 4 10

Частота качания, мин"1 120 120 120

Скорость вытягивания НЛЗ, м/мин 0,6 0,6 0,6

Время опережения, с 0,18 0,18 0,22

Доля времени опережения кристаллизатором НЛЗ от времени одного качания, % 36,97 36,97 44,9

Средняя скорость кристаллизатора, м/мин 0,96 0,96 2,4

Эксперимент производили при разливке стали перетектического класса марок 09Г2С, 12Х1МФ, 10. Качество поверхности опытных и сравнительных НЛЗ оценивали при визуальном осмотре после светления поверхности граней, подсчитывая количество паукообразных трещин (рис. 4).

25

э

а

20

Я

^

• я"

2 10

ч

й 5

•V 0

3

-я

•О

I I Е(? 1 ё ' 4

I I ЕС 3

I I ЕС1

Рис. 4. Паукообразные трещины на поверхности НЛЗ, разлитых в ЭСПЦ ОАО "ОЭМК"

Полученные данные показывают, что новые ЗВО и режим качания кристаллизатора позволили получить наименьшую дефектность поверхности НЛЗ паукообразными трещинами Необходимо отметить отсутствие газовых пузырей и пор на поверхности НЛЗ

В результате проведенных экспериментов определены оптимальные режим качания кристаллизатора и соотношение частоты качания и скорости вытягивания НЛЗ (/=(150-200) Vp), обеспечившие наилучшее качество поверхности НЛЗ

Внедрение новых технологических разработок по оптимизации температурно-скоростного режима разливки стали трещиночувствительных марок, внедрение новых режимов качания кристаллизатора позволили существенно улучшить качество поверхности НЛЗ и проката

В пятой главе «Экономическая эффективность процесса» приведена экономическая эффективность предложенных в данной работе и внедренных в производство технологических и конструктивных решений Годовой экономический эффект от внедрения технологии, усовершенствованной новыми научно обоснованными технологическими и конструкторскими разработками, в условиях комбината ОАО "ОЭМК" составил 21 008 108,13 руб

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Проведено комплексное исследование влияния технологических режимов разливки, водовоздушного охлаждения и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, особенностей конструкции основных узлов блюмовой машины непрерывной разливки (МНЛЗ) на структуру и качество поверхностной и осевой зон, на выход годного непрерывнолитой блюмовой заготовки из трещиночувствительной стали Разработаны и внедрены экономичные технологические решения, позволяющие усовершенствовать серийную технологию производства блюмовой заготовки и повысить ее качество в условиях ОАО "ОЭМК"

2 Проведен математический анализ теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения Предложен научно обоснованный комплекс мероприятий, обеспечивающих равномерное охлаждение оболочки, улучшение качества поверхности НЛЗ и увеличение стойкости кристаллизатора Установлено, что для точного расчета температурного состояния слитка в математической модели необходимо учитывать конструктивные и технологические особенности МЛНЗ

3 Разработана новая конструкция (геометрия сечения и порядок расположения) водоохлаждаемых каналов в стенке кристаллизатора Установлено, что оптимальной формой каналов является трапецеидальная, обеспечивающая равномерное и эффективное охлаждение оболочки слитка при снижении расхода меди на 40% Новая конструкция водовоздушных коллекторов с применением дросселирования воды позволила получить равномерное распределение воды по высоте коллектора и снизить удельный расход воды на вторичное охлаждение НЛЗ (с 0,2-0,36 до 0,12-0,2 л/кг стали).

4 Исследовано влияние формы рабочей полости кристаллизатора на скорость кристаллизации слитка, на расположение по сечению и размер структурных зон, морфологию дендритов структурных зон, качество поверхности НЛЗ Показано, что применение трехконусного кристаллизатора создает условия для увеличения скорости вытягивания НЛЗ, что способствует измельчению дендритной структуры и уменьшению количества паукообразных трещин на поверхности блюмов

5 На основе анализа работы кристаллизатора с рабочими стенками, изготовленными из различных материалов (меди и ее сплавов, с защитными гальваническими покрытиями и без покрытий), разработан и внедрен новый материал для рабочих стенок кристаллизатора - бронза марки БрХЩр, применение которого позволило уменьшить количество отбраковки проката по раскатанным трещинам на 43%, увеличить стойкость кристаллизаторов со 123 до 520 плавок и общую наработку комплекта стенок с 986 до 3380 плавок или

увеличить количество разливаемого металла через один кристаллизатор с 36 975 до 126 750 т

6 На основании проведенных расчетов и экспериментально полученных данных испытаний объемнофакельных форсунок, проведенных на специальном стенде, разработаны режимы вторичного охлаждения для всего марочного сортамента ЭСПЦ ОАО "ОЭМК" Новые режимы охлаждения обеспечивают повышение качества трещиночувствительной стали и снижение брака по раскатанным трещинам с 0,02 до 0%, снижение доработки поверхности с 31 до 14%, что позволило снизить себестоимость продукции и трудозатраты не только в условиях ОАО "ОЭМК"

7 Разработаны оптимальные режимы работы оборудования электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, позволившие существенно улучшить макроструктуру непрерывнолитых заготовок всех групп марок по дефекту «подусадочная ликвация» в 1,5-4 раза, по центральной пористости и протяженности осевой неоднородности в 1,5 - 2,5 раза, снизить количество брака по прокату на 30%

8 Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии и конструкции блюмовой MHJ13 составил 21 008 108, 13 руб

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 Баккал А Р , Шифрин И Н , Жарков В М , Бокарев С П , Грачев В Г Электромагнитное перемешивание жидкой фазы при непрерывном литье блюмовых заготовок из подшипниковой стали // Сб тр Междунар научно-техн конф Трыжинец ЧССР, 1989 С 177-184

2 Бокарев С П , Айзин Ю М , Гонтарук Е И , Кондратюк В А , Суров А В Влияние узлов оборудования МНЛЗ на качество поверхности непрерывнолитых блюмов // Сб тр IX конгресса сталеплавильщиков М Металлургиздат, 2007 С 682-685

3 Шляхов Н А , Гонтарук Е И , Бокарев и др. Модернизация блюмовой MHJI3 № 2 на Оскольском электрометаллургическом комбинате // Металлургическое производство и технология металлургических процессов 2005 № 1 С 16-21

4 Гонтарук Е И, Бокарев С П Опыт реконструкции блюмовых MHJ13 в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК»//Сталь 2006 №5 С 41

5 Бокарев С П , Айзин Ю М , Угаров А А Гонтарук Е И Влияние узлов оборудования на качество поверхности блюмов//Сталь 2007 №6 С 16-18

6. Куклев А В , Бокарев С П , Айзин Ю М Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок // Пат. России № 62848, опубл 10 05 2007 Бюл №23

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Влияние конструктивных особенностей кристаллизатора и технологии разливки на качество непрерывнолитых заготовок

1.2 Анализ конструкции коллекторов, форсунок и типов систем вторичного охлаждения, а также режимов их работы на качество поверхности, макроструктуру непрерывнолитых блюмов 18 1.3.Анализ влияния электромагнитного перемешивания на формирование непрерывнолитых слитков 21 1.4 Выводы к разделу и задачи исследования

2 Теоретический анализ формирования непрерывнолитых блюмов в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения при воздействии электромагнитного перемешивания

2.1 Исследование формирования оболочки слитка в кристаллизаторе.

Расчет оптимальной формы каналов охлаждения рабочих стенок кристаллизаторов

2.2 Расчетные исследования режимов охлаждения затвердевающих блюмов. Расчет режимов вторичного охлаждения блюмов водовоздушным туманом. Опробование и корректировка методики расчёта охлаждения непрерывнолитых блюмов

2.3 Теоретический анализ влияния электромагнитного перемешивания на качество макроструктуры и поверхности непрерывнолитого слитка

2.4 Выводы к главе

3 Разработка и промышленное испытание конструкций кристаллизаторов, систем вторичного охлаждения и режимов электромагнитного перемешивания

3.1 Испытание рабочих стенок кристаллизаторов из нового материала с покрытием и с оптимальной формой каналов охлаждения

3.2 Испытание коллекторов, форсунок вторичного охлаждения новой конструкции и расчетных режимов их работы

3.3 Промышленные испытания электромагнитного перемешивания жидкой фазы непрерывнолитой заготовки

3.4 Выводы к главе

4 Разработка технологии непрерывной разливки стали трещиночуствительных марок

4.1 Оптимизация температурно-скоростного режима разливки стали

4.2 Разработка и испытание режимов качания кристаллизатора, обеспечивающих повышение качества поверхности непрерывнолитого слитка

5 Экономическая эффективность процесса Выводы

Основные тенденции современного развития метода непрерывной разливки стали, как в нашей стране, так и за рубежом, определяются все возрастающими требованиями к качеству непрерывнолитой заготовки и конечной продукции; к ее конкурентноспособности как на внутреннем, так и мировом рынке; к расширению сортамента разливаемых сталей. Решение этих задач актуально не только для ОАО «ОЭМК», который является крупнейшим производителем непрерывно литой заготовки (в основном круглой диметром от 11 до 180 мм) для сортовых станов из низко- и среднеуглеродистых сталей, применяемых в изделиях ответственного назначения, но и для всех металлургических предприятий - потребителей блюмовой заготовки. Актуальность данной работы определяется необходимостью решения всего комплекса требований, который может быть обеспечен за счет совершенствования серийной технологии, за счет разработки новых перспективных технологических и конструкторских решений.

Известно, что для непрерывнолитой заготовки из низкоуглеродистой стали характерными дефектами являются паукообразные трещины на поверхности, повышенная ликвация и пористость в осевой зоне. Удаление паукообразных трещин перед прокаткой, а в случае их неполного удаления на данной стадии удаление их остатков на готовом прокате, приводит к дополнительным трудозатратам и к повышению себестоимости. Снижение уровня осевой ликвации позволит расширить номенклатуру выпускаемой продукции.

Целью данной работы является повышение качества непрерывнолитой блюмовой заготовки путём разработки и внедрения новых экономичных технологических решений на стадии формирования и охлаждения заготовок из стали трещиночувствительных марок, а также совершенствование серийной технологии путём разработки и внедрения новых рациональных конструкторских решений основных узлов блюмовой МНЛЗ.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: - проведено комплексное исследование влияния режимов разливки, водовоздушного охлаждения и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, особенностей конструкции основных узлов блюмовой машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), (кристаллизатора, коллекторов, форсунок) на структуру и качество поверхности и осевой зоны, а также на выход годного;

- проведен теоретический анализ и развиты научные положения теории процессов теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения на основе используемой математической модели; разработан научно обоснованный комплекс технических решений, обеспечивающих равномерное охлаждение при формировании оболочки в кристаллизаторе, увеличение стойкости кристаллизатора, улучшение качества поверхности непрерывнолитых блюмов;

- разработана и прошла промышленные испытания новая конструкция каналов охлаждения в рабочих стенках кристаллизатора (геометрия сечения, порядок расположения); установлена оптимальная форма каналов - трапециевидная, обеспечивающая равномерное охлаждение оболочки слитка, равномерное распределение воды по высоте коллектора, снижение расхода материала стенок на 40%;

- проведено исследование по оптимизации геометрии рабочей полости кристаллизатора, по влиянию формы на кинетику и морфологию структуры, качество поверхности непрерывнолитых заготовок;

- впервые применен для рабочих стенок кристаллизатора новый материал (БрХ1Цр), что позволило уменьшить отбраковку проката по раскатанным трещинам и увеличить стойкость кристаллизатора;

- разработана технология непрерывной разливки .трещинночуствительных сталей: оптимизирован температурно-скоростной режим разливки; разработан и прошел промышленное испытание режим качания кристаллизатора, обеспечивший повышение качества поверхности непрерывнолитого слитка; разработаны режимы вторичного охлаждения для всего марочного состава ЭСПЦ ОАО «ОЭМК»; разработаны режимы электромагнитного перемешивания; проведен расчет экономической эффективности усовершенствованного технологического процесса.

Научная новизна: проведен расчет процессов охлаждения и затвердевания блюма с применением математической модели; разработан научно обоснованный комплекс новых технических решений и установлены закономерности их влияния на качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой заготовки; разработаны новые конструкции основных узлов MHJI3 для вторичного охлаждения, обеспечивающие равномерное и мягкое охлаждение непрерывнолитой заготовки водовоздушным туманом; установлены закономерности влияния новых технических решений на качество поверхности й макроструктуры непрерывнолитой заготовки.

Практическая значимость:

1. Впервые разработан и внедрен на "радиальной MHJ13 ЭСПЦ ОАО "ОЭМК" комплекс технических решений (технологических и конструкторских) обеспечивающий повышение качества непрерывнолитых блюмов сечением 300x360 мм.

2. Разработан и опробован кристаллизатор с переменной конусностью, позволяющий улучшить дендритную структуру непрерывнолитых заготовок.

3. Разработаны новые режимы вторичного охлаждения на радиальной блюмовой MHJ13; усовершенствована и внедрена технология отливки блюмов из трещиночуствительной стали, что позволило повысить качество непрерывнолитой заготовки, а также крупно- и мелкосортного проката ответственного назначения.

4. Разработан оптимальный режим электромагнитного перемешивания металла, в кристаллизаторе, позволивший улучшить качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой блюмовой заготовки.

5. Разработана конструкция системы водовоздушного охлаждения, позволившая повысить качество поверхности непрерывнолитой заготовки стали широкого сортамента.

На защиту выносится:

1. Комплекс научно обоснованных технических, решений, включающий в себя: разработку новой формы каналов охлаждения кристаллизатора; материал кристаллизатора; режимы вторичного охлаждения; режимы электромагнитного перемешивания.

2. Новая конструкция узла вторичного охлаждения.

3. Результаты промышленных испытаний и внедрения разработанного комплекса технических решений.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена применением аттестованных методик измерений и соответствующей оценки их погрешностей, а также положительными результатами промышленных испытаний на ОАО "ОЭМК".

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции по непрерывной разливке стали (г. Тржинец, ЧССР, 1989 г.), на научно-технической конференции «Внепечная обработка и непрерывная разливка стали» (г. Москва, май 2006 г.), на девятом Международном конгрессе сталеплавильщиков (г. Старый Оскол, октябрь 2006 г.).

По результатам работы опубликованы пять статей и получен патент.

выводы

1. Проведено комплексное исследование влияния технологических режимов разливки, водовоздушного охлаждения и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, особенностей конструкции основных узлов блюмовой машины непрерывного литья заготовок (MHJI3) на структуру и качество поверхностной и осевой зон непрерывнолитой блюмовой заготовки (НЛЗ), на выход годного из трещиночувствительных сталей. Разработаны и внедрены экономичные технологические решения, позволяющие усовершенствовать серийную технологию производства блюмовой заготовки и повысить ее качество в условиях комбината ОАО «ОЭМК».

2. Развиты научные положения теории процессов теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения на основе разработанной математической модели. Разработан научно обоснованный комплекс мероприятий, обеспечивающих i равномерное охлаждение, < улучшение качества поверхности НЛЗ, • увеличение стойкости кристаллизатора. Установлено, что для точного расчета температурного состояния слитка необходимо учитывать в математической модели как конструктивные и технологические особенности МЛНЗ в целом, так и особенности конструктивного оформления кристаллизатора и зоны вторичного водовоздушного охлаждения.

3. Разработана новая конструкция (геометрия сечения и порядок расположения) водоохлаждающих каналов в стенке кристаллизатора. Установлено, что оптимальной формой каналов является трапециевидная, обеспечивающая равномерное и эффективное охлаждение оболочки слитка при снижении расхода материала стенок на 40%. Новая конструкция водовоздушных коллекторов с применением дросселирования воды позволила получить равномерное распределение воды по высоте коллектора.

4. Проведено исследование влияния формы рабочей полости кристаллизатора на скорость кристаллизации, на расположение по сечению дендритных зон, на кинетику и морфологию их структуры, а также качество поверхности НЛЗ.

Показано, что применение трехконусного кристаллизатора создает условия для увеличения скорости вытягивания непрерывнолитой заготовки.

5. На основе анализа работы кристаллизатора с рабочими стенками, изготовленными из различных материалов (меди и ее сплавов, с защитными гальваническими покрытиями и без покрытий), внедрен новый материал для рабочих стенок кристаллизатора - бронза марки БрХ1Цр, применение которой позволило уменьшить отбраковку проката по раскатанным трещинам на 43%, увеличить стойкость кристаллизаторов со 123 до 520 плавок и общую наработку комплекта стенок с 986 до 3000 плавок.

6. На основании проведенных расчетов и экспериментально полученных данных испытаний на специальном стенде объемно-факельных форсунок разработаны режимы вторичного охлаждения для всего марочного сортамента ЭСПЦ ОАО «ОЭМК». Новые режимы охлаждения .обеспечивают повышение качества трещиночувствительных сталей и снижение брака по раскатанным трещинам с " 0,02 до 0%, снижение доработки поверхности с 31 до 14%, что позволило снизить себестоимость продукции и трудозатраты в условиях комбината ОАО «ОЭМК».

7. Разработаны оптимальные режимы работы системы электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, позволившее существенно улучшить макроструктуру сталей всех групп марок: по дефекту «подусадочная ликвация» в 1,5-4 раза; по центральной пористости и протяженности осевой неоднородности в 1,5 - 2,5 раза; повысить качество проката и снизить брак на 30%.

8. Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии и конструкции блюмовой МНЛЗ составил 21 миллион рублей в год.

1. Самойпович Ю.А. Тепловые процессы при непрерывной разливке стали. М.: Металлургия, 1982. - 152 с.

2. Рудой JI.C. Изв. вузов. Черная металлургия. 1962. № 2. С. 51-55.

3. Рудой Л.С., Майоров Н.П., Кушнарев И.Т. Сталь. 1966. № 12. С. 1093-1095.

4. Акименко А.Д., Григорьев Д.К., Гирский В. Е., Перминов В.П. В сб. Проблемы стального слитка. М.: Металлургия. 1976. Стр. 352-355.

5. Лейтес А.В. Защита стали в процессе непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1984. - 200 с.

6. Вюнненберг К. Возможности и пределы теплопередачи в кристаллизаторах МНЛЗ // Черные металлы. 2000. № 12. С. 35-41.

7. Kumaee Е.М. Затвердевание стальных слитков. М.: Металлургия, 1982. - 167 с.

8. Николаев А.К. Материалы для кристаллизатора непрерывного литья слитка // Цветные металлы. 1983. - № 12. - С. 51-55.

9. Шестаков Н.И., Шичков А.Н. Расчет термического сопротивления • рабочей стенки кристаллизатора с цилиндрическимиводоохлаждаемыми каналами // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1990. - № 3. - С. 70-72.

10. Акименко А.Д., Kumaee Е.М., Скворцов A.M. Тепловые расчеты машин непрерывного литья стальных заготовок. Горький: Горьковский политехнический институт имени А.А.Жданова, 1979.

11. Шестаков Н.И., Шичков А.Н. Расчет теплообмена в кристаллизаторе // Изв. вузов. Черная металлургия. 1984. - № 5. - С. 129-132.

12. Вольф Манфред М. О контроле затвердевания сталей в формах непрерывной разливки посредствам измерения теплового потока. // Trans, of Iron and Steel Inst. 1980. Vol. 20. No 10. P. 718-724.

13. Pymec B.C., Куклин H.H., Евтеев Д.П. Непрерывная разливка стали в сортовые заготовки. М.: Металлургия, 1967. - 144 с.

14. Данилов B.JI., Зарубин С.В., Сивак Б.А., и др./ Взаимодействие слитка с кристаллизатором при непрерывном литье тонких слябов // Изв. вузов. Черная металлургия. 1997. - № 6. - С. 11-13.

15. Виноградов В.В., Тяжелъникова И.Л. Теория двухфазной зоны кристаллизующегося сплава и ее приложение к затвердеванию непрерывнолитого слитка//Электрометаллургия. 2001. № 11. С. 15-21.

16. Борисов В.Т. Виноградов В.В. В сб. ЦНИИчермет им. И.П.Бардина на рубеже столетий. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. С. 85-93.

17. Целиков А.А., Смоляков А. С., Ганкин В.Б. и др. Кристаллизаторы блюмовых и сортовых МНЛЗ. Сб. тр. междунар. конф. по непрерывной разливке. ЧССР. Тржинец, 1989. С. 75-79.

18. Дождиков В.И., Горяинов В.А., Емельянов В.А., Емельянова Е.И. Математическое моделирование форсуночного охлаждения непрерывного слитка. В кн. «Непрерывное литье стали». М.: Металлургия. 1978. № 5. С. 20-25.

19. Емельянова Е.И., Урбанович Л.И., Угарова С.П. и др. / О механизме образования трещин на поверхности непрерывнолитых слитков // Изв. АН СССР. Металлы.1981.-№ 1.- С. 91-94.

20. Поживанов A.M., Горяинов В.А., Дождиков В.И. и др. / Исследование охлаждения крупных слябов, отливаемых на вертикальных MHJI3 // Сталь. -1979,-№9.-С. 664-666.

21. Бровман М.Я. / Напряжённое состояние слитка в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок// Сталь. 1976. - № 2. - С. 124-129.

22. Самойлович Ю.А., Крулевецкий С.А., Горяинов В.А., Кабанов З.К Тепловые процессы при непрерывном литье стали. М.: Металлургия, 1982. - 150 с.

23. Сладкоштеев В.Т., Потанин Р.В., Суладзе О.Н., Рутес B.C. Непрерывная разливка стали на радиальных установках. М.: Металлургия, 1974. - 245 с.

24. Непрерывное литье стали. Тр. междунар. конф.: Пер. с англ. / Под ред. И.Н. Колыбалова и Б.Е. Гуревича. ~ М.: Металлургия,1982.-480 с.

25. Коасин Д., Мерони У. Гибкая машина для непрерывного литья тонких слябов // Металлургическое производство и технология металлургических процессов(МТР). 1995. С. 40-53.

26. ЪЪ.Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. М.:, Элиз, 2002.-208 с.

27. Грачев В.Г., Солодовник Ф.С., Кузмина Л.И. и др. Оптимальная конструкция статоров ЭМП для сортовых и блюмовых МНЛЗ. // Тр. VI Конгресса сталеплавильщиков. М.: ОАО «Черметинформация», 2001. С. 525-529.

28. Kyung S. Macrosegregation behavior in continuously cast high carbon steel blooms and billets // ISIJ. 1995. Vol. 35. No 7. P. 866-875.

29. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. М.: Металлургия, 1987. - 224 с.

30. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / под ред. Ю.А. Самойловича. М.: Металлургия, 1982. - 152 с.

31. Емельянов В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

32. Рудой JI.C, Баптизманский В.И. Производительность машин непрерывного литья заготовок. Киев: Техника, 1982. - 263 с.

33. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 175 с.

34. Бойцов Ю.И., Данилов B.JI. Высокотемпературная ползучесть и разрушение непрерывнолитой стали // Сб. трудов МЭИ. — 1986. № 83.

35. Nelder J.A., Mead R. A Simplex Method for Function Minimization // Computer Journal. 1965. - No 7. 23-39 P.

36. АЪ.Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 399 с.

37. АА.Бровман М.Я. Экспериментальное исследование ползучести при высоких температурах //Проблемы прочности. 1979. № 8. С. 77-79.

38. Программное обеспечение проектирования ШЛЗ / В.Н. Нисковских, С.Е.

39. Карлинский, Т.В. Дружинина и др. Свердловск: 1988. — 183 с.

40. Отчет по договору № 466 от 13.06.1996 "Создание математической модели . охлаждения и затвердевания блюмов". — Москва. ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П. Бардина.

41. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. / Под ред.

42. Б.Е. Неймарк М. - Л.: Энергия, 1967. - 239 с.

43. Самойлович Ю.А., Тимошпольский В.И. Нагрев стали: Справ.пособие. — Мн.: Выш. мк., 1990.-314 с.

44. Tzavaras А.А. andBrody H.D. II J. Metals. No 3. 1984. P. 31-37.

45. Jackson K. A. et al. IITMS-AIME. 1966. P. 149-236.

46. FlemingsM.С. //Met. Trans. No 5. 1974. P. 2121-2134.

47. Tzavaras A.A. Solidification Control by Electromagnetic Stirring State of the Art. // Steelmaking Proceedings. - 1983. - No 4. P. 112-131.

48. Ревтов Н.И., Мосюра JT.K, Шкирмонтов А.П. и др. Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке стали. Черметинформация. Обзор, инф. Сер. Сталеплавильное производство. 1989. 22с.

49. BiratJ.P. and Chone J.J. Continuous Casting 3 // ISS-AIME. 1984. - P. 21-34.

50. Shah N.A. and Moore J.J. Continuous Casting 3 // ISS-AIME. 1984. - P. 35-45.

51. Moore T.T. Review of Axial Segregation in Continuously Cast Steel // Iron and Steel Maker. 1980. No 16. P. 89-94.

52. Ревтов Н.И., Казачков E.А., Носоченко O.B. и др. Совершенствование процессов непрерывной разливки стали. Киев, ИПЛ АН УССР, 1985. - С. 52-57.

53. Alberng R, Birat Т.Р. Continuous Casting of Steel. «The Metals Society of IRSID» Biarrits. 1977. P. 116-184.61 .Нисковских B.M., Карлинский C.E., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. М.: Металлургия, 1991. - 274 с.

54. Патент на полезную модель № 62848, Российская Федерация. МПК B22D 11/124. Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок. / Куклев

55. А.В., Бокарев С.П., Айзин Ю.М.; заявитель и патентообладатель ООО «Корад». № 2006126554; заявл. 21.07.2006; опубликован 10.05.2007. Бюл. № 23.

56. Баккал А.Р., Шифрин И.Н., Жарков В.М. и др. Электромагнитное перемешивание жидкой фазы при непрерывном литье блюмовых заготовок из подшипноковой стали // Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Тржинец. ЧССР. 1989. С. 177-184.

57. Гонтарук Е.И., Бокарев С.П. Опыт реконструкции блюмовых МНЛЗ в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» // Сталь. 2006. - № 5. - С. 41.

58. Шляхов Н.А., Гонтарук Е.И., Бокарев С.П. и др. Модернизация блюмовой МНЛЗ № 2 на Оскольском электрометаллургическом комбинате // Металлургическое производство и технология металлургических процессов. — 2005. № 1. - С. 16-21.