автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Развитие методик расчета и создание элементов системы сталеразливочный ковш-промежуточный ковш-кристаллизатор сортовой МНЛЗ

На правах рукописи

Марочкин Олег Александрович

РАЗВИТИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА И СОЗДАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫЙ КОВШ - ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ -КРИСТАЛЛИЗАТОР СОРТОВОЙ МНЛЗ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия).

Технические науки

диссертации на соискание ученой степени кандидата-технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

005557673

Магнитогорск - 2014

005557673

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре «Проектирование и эксплуатация металлургических машин и оборудования»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Точилкин Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Паршин Валерий Михайлович,

директор Центра непрерывной разливки стали

ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»

кандидат технических наук,

Шахов Сергей Иосифович,

ведущий научный сотрудник

отдела машин непрерывного литья металлов

ОАО «АХК ВНИИМЕТМАШ»

им. академика Целикова А.И.

■ Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский

технологический университет «МИСиС» г. Москва

Защита состоится 27 ноября 2014 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

E-mail: dsovet21211103@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте

http:/www.mag(u.гu/informaczia-o-zasШshheшoj-i-predstavlenoj-k-zashЫte-dissertacii-na-soiskame-ucbenoj-stepeni-kandidata-nauk-na-soiskanie-uchenoj-stepeni-

doktora-nauk-2014/item/3977.html

Автореферат разослан « 26 » сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

«

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающая конкуренция на мировом рынке определяет жесткие и комплексные требования к качеству непрерывно-литой заготовки, которые необходимо обеспечивать на всех стадиях технологической цепочки вы плавки, внепечной обработки и разливки стали. Качество готового проката во многом определяется качеством исходной заготовки, которое обуславливается наличием, либо отсутствием дефектов. В конструкционном плане машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) состоят из механических подсистем. Элементы, детали и узлы (сборочные единицы) этих подсистем выполнены в соответствии с существующими стандартами и требованиями к изготовлению, для дальнейшей компоновки этих подсистем относительно друг друга с точностью необходимой, для получения качественной непрерывно-литой заготовки, имеющей наименьшее значение балла по дефектам. В процессе эксплуатации МНЛЗ при разливке стали, возрастает величина отклонений от заданной точности между элементами и подсистемами, приводящая к увеличению балла дефекта непрерывно-литой заготовки. Поэтому для повышения конкурентоспособности необходимо создание рациональной компоновки подсистем МНЛЗ, позволяющих решить задачу по снижению баллов дефектов заготовки, не снижая при этом базовых (заданных) параметров по стойкости элементов подсистемы. Для создания условий наиболее сбалансированных процессов распределения потоков жидкой стали при компоновке подсистем МНЛЗ, на стадии проектно-конструкторской разработки элементов и узлов, позволяющих обеспечить выполнение этих условий, необходимо проведение анализа всех возможных вариантов с применением физико-математического моделирования.

На стадии конструирования новых элементов, детали и узлы подсистем МНЛЗ, в которых происходит распределение потоков жидкой стали, были объединены в единую систему сталеразливочный ковш - промежуточный ковш (ПК) -кристаллизатор (СПК).

Для создания условий наиболее сбалансированных процессов распределения потоков жидкой стали при компоновке подсистем МНЛЗ, на стадии проектно-конструкторской разработки элементов и узлов, позволяющих обеспечить выполнение этих условий, необходимо проведение анализа всех возможных вариантов с применением физико-математического моделирования. Это позволит определить наиболее эффективный метод решения задач, по развитию условий наиболее сбалансированных процессов распределения потоков жидкой стали с учетом специфики конструкции системы СПК для оптимальной эксплуатации МНЛЗ и получения качественной заготовки.

Для изготовления новых элементов системы СПК создана модель, позволяющая определить рациональное прохождение потоков стали в системе СПК и модель распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора. По результатам моделирования получен технический проект, содержащий чертежную, текстовую и расчетно-графическую информацию, необходимую для создания, совершенствования, конструирования и внедрения новых элементов и узлов обес-

Ч

печивающих снижение величины балла дефекта, и раннего предупреждения образования дефектов непрерывно-литой заготовки.

Решение задач, направленных на стабилизацию процессов распределения потоков жидкой стали, основанных на научной методологии конструирования элементов подсистем МНЛЗ для снижения дефектов, является содержанием данной работы.

Объектом исследования в диссертации являются элементы, узлы, устройства системы СПК сортовых МНЛЗ, оказывающие влияние на срок эксплуатации гильз кристаллизатора без ухудшения показателя качества заготовки.

Предметом исследования являются методики конструирования, модель прохождения потоков жидкой стали, модель распределения тепла по периметру гильзы кристаллизатора и способы снижения балла дефектов заготовки.

Цель диссертационного исследования: развитие методик расчета и создание на их основе усовершенствованных конструкций кристаллизатора и сопутствующих элементов системы сталеразливочный ковш - промежуточный ковш -кристаллизатор сортовой МНЛЗ для улучшения качества сортовой непрерывно-литой заготовки.

Задачи исследований. Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель процесса прохождения стали в системе сталеразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой МНЛЗ, для определения проблемных мест этой системы и путей их решений.

2. Развить методику расчета гильз кристаллизатора на основе математической модели процесса прохождения стали в системе СПК и создать на её основе конструкции гильз кристаллизаторов сортовых МНЛЗ, с новыми геометрическими параметрами, для обеспечения стабильности процесса непрерывной разливки стали.

3. Развить методику расчета на основе математической модели процесса прохождения стали в системе СПК и создать элементы системы СПК, основанные на исключении проникновения воздуха в соединения элементов, выполненных из огнеупорных материалов, и по требуемым осевым отклонениям потока жидкой стали в подсистеме ПК-кристаллизатор от 0..5 мм.

4. Провести опытно-промышленные опробования, созданных конструкций кристаллизатора сортовой МНЛЗ и сопутствующих элементов системы СПК для оценки эффективности их работы и внедрения в производство.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованная методика расчета геометрических параметров гильз кристаллизатора с новым внутренним профилем, который позволяет обеспечить стабильность функционирования процесса непрерывной разливки стали и улучшить качество сортовой непрерывно-литой заготовки.

2. Дополнена методика расчета и конструирования геометрических параметров гильз кристаллизатора на основе на исключения проникновения воздуха в соединения элементов, выполненных из огнеупорных материалов, и соблюдения требуемых осевых отклонений потока жидкой стали в подсистеме ПК-кристаллизатор в пределах от 0..5 мм.

Научная новизна:

1. Развита методика проектирования гильзовых кристаллизаторов, позволяющая определять геометрические параметры внутренних углов гильз кристаллизаторов сортовых МНЛЗ, выполненных в виде фаски, способствующих снижению длины контакта жидкой стали с углами и стенками гильзы, что обеспечило уменьшение дефекта ромбичность.

2. Усовершенствована методика проектирования рациональных конструкций пластичных огнеупоров, которые обеспечивают защиту струи жидкой стали от воздуха и получение остаточного содержания азота ниже 0.0005%.

3. Экспериментально определена величина отклонения осей сталеразли-вочных отверстий промежуточного ковша относительно технологических осей МНЛЗ от 0 до 5 мм, что увеличивает серийность ПК.

Теоретическая значимость исследований обоснована тем, что:

- изложена методика проектирования внутреннего профиля гильз кристаллизаторов, предложены технические решения, позволяющие увеличить срок эксплуатации;

- раскрыты проблемы при проектировании сортовых МНЛЗ, связанные с компоновкой механических подсистем относительно друг друга;

- выявлена предельная величина, при которой неэффективна эксплуатация элементов промежуточных ковшей системы СПК, при разливке стали.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанных методик и конструкций в системе СПК на всех современных сортовых МНЛЗ.

1. Разработаны математические модели процесса прохождения стали в системе сталеразливочный ковш - промежуточный ковш - кристаллизатор сортовой МНЛЗ, на базе гильзы кристаллизатора с новым внутренним профилем, способствующей улучшению качества непрерывно-литой сортовой заготовки.

2. Разработана методика для проектирования элементов системы СПК, позволяющая конструировать:

- гильзы кристаллизаторов с улучшенным внутренним профилем;

- устройства для защиты струи жидкой стали;

- устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали при выставке элементов промежуточного ковша относительно оси разливки с требуемым нормальным условием работы огнеупорных материалов.

3. Разработана, апробирована и защищена патентами на полезные модели конструкция гильзы кристаллизатора с новыми геометрическими параметрами, которая позволила увеличить срок эксплуатации кристаллизаторов, и рекомендована для внедрения в промышленное производство; новая конструкция вставки из пластичного огнеупора защитной трубы сталеразливочных ковшей, которая внедрена в промышленное производство.

4. Спроектирована и защищена патентом на полезную модель новая конструкция устройства для снижения осевых отклонений потока жидкой стали для уменьшения асимметрии технологических отверстий промежуточных ковшей относительно технологических осей МНЛЗ по каждому из пяти ручьев.

5. Получен экономический эффект от применения гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем на 1 570 ООО рублей.

6. Снижена себестоимость сортовой заготовки на 7,74 руб./т от применения новых вставок из пластичного огнеупора.

Методы исследований. Применительно к диссертации, наряду с получением обладающих новизной результатов, использованы базовые исследования:

- теория теплопроводности;

- математическое моделирование;

- методы экспериментальных (промышленных) исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы излагались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях Магнитогорского государственного технического университета 2007-2008 гг., IV, VII, VIII, X международных научно-технических конференциях молодых специалистов (Магнитогорск, 2004-2010), Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Азовсталь-2007» (Мариуполь, 2007), 10 конгрессе сталеплавильщиков (Выкса, 2012), Международной конференции огнеупорщиков и металлургов (Москва, 2014).

Достоверность работы основана на выполнении экспериментов в производственных условиях на действующем оборудовании, использовании современной аттестованной аналитической аппаратуры при анализе материалов, соответствии результатов расчетов известным закономерностям, внедрении в производство с положительным эффектом. Достоверность проводимых исследований подтверждается применением аттестованных приборов для измерений. Измерение химического состава стали производилось при помощи устройства для отбора проб - пробоотборника ПН-900 SARBNOSSN0900 Р300 103.964.71. Проба металла отправлялась в лабораторию экспресс анализа, где обрабатывалась на станке НВ-3000. Химический анализ пробы осуществлялся при помощи оптического эмиссионного спектрометра APL 4460, точность измерения по содержанию элементов ± 0,000001 %. При анализе баллов темплетов сортовых заготовок использовались: рентгеновский спектрометр ARL-8660, эмиссионный спектрометр «Спектролаб М-8, оптический микроскоп Олимпус GX-51, сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA II-LMU с рентгеноспектральным микроанализатором INCA ENERGY. Измерение температуры жидкой стали производилось при помощи одноразового устройства-термопары ПТПР-900, точность измерения ±1,5°С.

Публикации. По теме работы опубликовано 11 печатных работ в научно-технических изданиях, 8 из которых рекомендованы ВАК (в т.ч. 1 статья без соавторов), 3 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения. Объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, в том числе 51 рисунок, 16 таблиц, 3 приложения. Список литературы включает 123 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность темы диссертационной работы, кратко изложены особенности конструкции сортовой МНЛЗ, рассмотрены проблемы качества непрерывно-литых заготовок.

В первой главе рассмотрены конструктивные особенности машин непрерывного литья заготовок, представлены основные преимущества непрерывного литья стали. Рассмотрены системы дифференциальных уравнений Новье-Стокса, теплового баланса для исследования процессов разливки стали и решения задач математического моделирования, движения потоков стали. После проведения анализа конструкционных особенностей системы СПК сформулирована цель и задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрены основные положения конструирования оборудования системы СПК сортовой МНЛЗ. Разработан алгоритм проведения исследований проблемных мест системы СПК. На первом этапе алгоритма осуществляется изучение существующего оборудования с целью определения проблемных мест для решения задач, направленных на увеличение ресурсов сортовых МНЛЗ при минимальных затратах. На втором этапе алгоритма изучение процессов происходящих при разливке стали, влияющих на образование дефектов получаемой продукции, с целью снижения этих дефектов на стадии их образования. Рассмотрены особенности функционирования оборудования системы СПК для построения задач математического моделирования при создании элементов кристаллизатора и сопутствующих устройств.

Определены условия математического моделирования процесса непрерывной разливки жидкой стали в системе СПК. Рассмотрены методы конечных элементов при описании влияния компоновки оборудования СПК на температуру металла. Применяется уравнение теплового баланса

рср=^+(й-ут)=(уке/^т). (1)

гДе Ср - удельная теплоемкость жидкой стали; Т - температура жидкой стали в системе СПК;

ке/ =к + к, - эффективная удельная теплопроводность, равная сумме молекулярной теплопроводности к и турбулентной компоненте теплопроводности к,.

При моделировании процесса приняты следующие допущения: процесс разливки жидкой стали осуществляется закрытой струей; в качестве уравнений, описывающих движение жидкого металла в области моделирования, приняты уравнения Навье-Стокса; жидкий металл является вязким и несжимаемым; вязкость жидкой стали остается постоянной; расход жидкого металла из промежуточного ковша в кристаллизаторы равен расходу стали из сталеразливочного ковша в ПК; тепловые потоки определены для сталевыпускного отверстия с максимальной скоростью истечения металла в кристаллизатор; скорость истечения металла из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш постоянна и задана;

объемы СК, ПК и кристаллизатора изначально заполнены металлом; металл распространяется по всем элементам системы СПК сортовых МНЛЗ. Заданы начальные условиям модели СПК (таблица 1).

Таблица 1 - Начальные условия модели СПК

Название константы Обозначение Значение

Плотность жидкого металла, кг/м3 Рс 7000

Динамическая вязкость стали, Па-с Мс 0,006

Коэффициент теплопроводности, Вт/м-К к 30

Теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг-К ср 656

Построена модель, позволяющая определить направления и скорости потоков жидкой стали при прохождении через элементы системы СПК (рисунок 1).

Заданы граничные условия в виде дифференциальных уравнений, представленных в таблице 2.

Таблица 2 - Граничные условия, принятые при анализе системы СПК__

Граничные условия дифференциальных уравнений_

Навье-Стокса

Входной поток и = -и= -3

Плоскость симметрии п-и= О

Свободная граница П-й = О

Непроницаемость

и = О

Выходной поток Р = Ро=°

теплового баланса

Температура входного потока Т = 1823 К

Непроницаемость

п • д = О

Тепловой поток -п-д = д0=- 6

Тепловой поток -п-д = да =-6 Конвективный теплообмен

п-(-кЧТ) = 0

По полученной модели на рисунке 1 очевидно, что в гильзе кристаллизатора (потоки стали на выходе из системы СПК) скорости потока стали в её центре выше, чем на боковых поверхностях, а скорости потоков при боковых поверхностях выше, чем в угловых зонах.

Это позволяет утверждать, что угловые зоны имеют более низкую скорость потоков и температуру стали, поэтому для удовлетворения условий равномерности распределения тепловых потоков по периметру гильз кристаллизаторов необхо-

димо снижение теплоотдачи через её стенку. Это достигается при изменении формы внутреннего угла. Для подтверждения этого при помощи программы Solid Works смоделированы распределения температур по периметру гильзы кристаллизатора с внутренним углом, выполнены в виде радиуса (рисунке 2, а); и внутренним углом, выполнены в виде фаски (рисунке 2, б).

Ширина, м

Рисунок 1 - Распределение потоков стали в системе СПК

Из полученной модели видно, что при распределении температур по наружным станкам кристаллизатора гильза с внутренним профилем, выполненным в виде фаски, имеет более сбалансированные угловую и приугловую зоны, в которых происходит более равномерное распределение температуры по сравнению с гильзой с внутренним профилем, выполненным в виде радиуса.

Равномерное распределение тепла по наружным станкам гильзы кристаллизатора улучшает условия теплопереноса, снижая при этом внутренние термические нагрузки и вероятность образования газового зазора в угловой зоне между стенкой гильзы и корочкой непрерывно-литой заготовки.

Полученные результаты позволяют утверждать о необходимости изменения угловой внутренней формы медной гильзы кристаллизатора и определения её рациональной величины.

При применении новой внутренней формы гильзы кристаллизатора в условиях современных сортовых МНЛЗ необходимо учесть, что гарантированный эффект будет достигнут при условии отсутствия сопутствующих несоответствий, влияющих на условие теплопереноса через стенку этой гильзы:

отсутствия осевого смещения потока стали в подсистеме

ПК-кристаллизатор;

- отсутствия насыщения стали (повышенным содержанием) газами [14, Н, О].

О

о

£ о. и с

и н н

Ьз

а. и

Рисунок 2 - Распределение температур на стенках медных гильз кристаллизатора при различных внутренних углах:

а- с внутренним углом в виде радиуса; 6- с внутренним углом в виде фаски

Для решения условий несоответствий разработан алгоритм исследования оборудования СПК для проектирования гильз кристаллизаторов сортовых МНЛЗ и сопутствующих устройств этой системы.

Третья глава посвящена рассмотрению основного показателя работы гильзы кристаллизатора, её ресурсу - стойкости. Выявлено, что при снижении показателя качества сортовой заготовки, увеличение ресурса гильзы кристаллизатора нецелесообразно, при этом качество заготовки, выраженное в баллах по различным дефектам, является косвенным показателем при определении максимальной стойкости гильз. Для развития методики конструирования гильз кристаллизаторов проведено исследование образования дефектов заготовок по их характеру и типу, относительно напряжений, возникающих внутри квадратного сечения гильзы кристаллизатора.

Рассмотрены дефекты сортовой заготовки, возникающие в процессе разливки стали на сортовых МНЛЗ в зависимости от расположения ручьев, способа разливки и химического состава стали.

Рассмотрено расхождение температур ликвидус при различных методиках расчета, определено, что это расхождение для различных групп марок стали,

тождественно величине, наиболее распространенного дефекта заготовки - ром-бичности и отражено на сводном графике (рисунок 3).

15

(0«

г' 9,

М

а

О

О

А Б В Г Д Е Ж 3

Группы сталей, объединенных по химическому составу Рисунок 3 - Сводный график расхождения температур ликвидус и количества баллов по дефекту ромбичность заготовки

Выведена зависимость влияния температур ликвидус в угловых зонах гильз кристаллизатора, при различном химическом составе сталей на величину образования дефекта ромбичность. Максимальное значение Тша , имеют группы Е, 3.

АТ1 _ т^тах _гр ^

11 ~1 шкв 1 воды, величина дефекта ромбичность - ¿>, < [5\

= Т™"в - ТводЬ1 , величина дефекта ромбичность -д2>\§\, (2)

где [8]$Амм., - допустимая величина дефекта ромбичность для разливки стали

закрытой струей.

Определено, что при увеличении температуры ликвидус, снижением теплопроводности, изменением внутреннего профиля (величины и формы) в угловых зонах гильз кристаллизаторов возможно уменьшение величины ромбичности.

Рассмотрены работы А.Н. Смирнова, Б.А. Сивака, В.Б. Ганкина, Г.И. Николаева, Е.В. Штепана, И.В. Лейриха, в которых описаны процессы возникновения внутренних напряжений при образовании корочки непрерывно-литой заготовки в процессе разливки стали и внутренние напряжения в углах заготовок при величине радиуса сопряжения граней гильзы от 3-5 мм. В этих работах, предложенная форма внутреннего профиля гильзы кристаллизатора, не достаточно широко рассмотрена с точки зрения, получения формы внутренней угловой зоны, обеспечивающей условия, при которых происходит рациональное распределение теплового потока во внутренних углах этих гильз.

Рассмотрены потоки стали внутри квадратного сечения с точки зрени

энергетических констант. __

Задана величина как значение, препятствующая свободному потоку к свое?

энергетической константе, относительно стороны квадрата а.

х = Я-г = 0,207 а, (3)

где Я - радиус окружности, описывающей квадрат, м; г - радиус окружности, вписанной в квадрат, м. Выявлена зависимость отклонения потоков от а до 0,207а, которая показы вает, что при уменьшении величины потока стали в углах квадрата создаются условия, препятствующие равномерному теплопереносу жидкой стали по его пе риметру.

Путем геометрических построений, удалось определить размер внутреннего профиля квадрата, выполненного в виде радиуса гугд, для условия снижения возникновения газового зазора:

г =

_ X

0,207а

= 0,051а (4)

угл

где кугл - количество углов правильного равностороннего многоугольника, для квадрата кугл=4.

Решены условия, при которых происходит уменьшение либо исключени | возникновения газового зазора, - это увеличение поверхностного усилия трения, зг; счет увеличения плоскости соприкосновения жидкой стали и внутренней по верхности гильзы кристаллизатора. Для углов квадрата при большей длине соприкосновения с жидкой сталью в менисковой зоне уменьшается сила трения. Эту величину можно выразить, как взаимодействие по длине контакта.

Определено отношение, характеризующее улучшение условий соприкос новения жидкой стали к угловой контактируемой плоскости по длине контакт: угла, выполненного в виде радиуса 1рад , к углу, выполненному в виде фаски 1фас

77 = ^-= 1,3728 , (5)

^ фас

Эта величина показывает, что на 37 % увеличилось условие соприкоснове-, ния, что положительно скажется на уменьшении газового зазора в углах гильз| кристаллизаторов.

Выявлено, что при расчете по площадям поперечного сечения угловых зон, выполненной в виде радиуса и зоны, выполненной в виде фаски, существует ве-! личина, характеризующая увеличение углового давления в 1,0329 раза. Эта величина показывает увеличение внутреннего углового давления при использовании гильз кристаллизатора с внутренним углом, выполненным в виде фаски, которое снижает вероятность образования газового зазора.

Проведенный анализ по определению рациональной внутренней формы угловой зоны гильз кристаллизаторов, позволил получить новую конструкцию гильз с улучшенным внутренним профилем (рисунок 4).

Проведены опытно-промышленные испытания этих гильз сечением 150 150 мм. на сортовых MHJI3.

Получены положительные результаты испытаний гильз кристаллизатора с улучшенной внутренней геометрией, средняя Рисунок 4 - Новая гильза стойкость этих гильз составила 283 плавки

кристаллизатора О '037 т), максимальная стойкость составила

335 плавок (13065 т). Увеличение средней стойкости при применении новых гильз, в сравнении со средней стойкостью гильз с внутренним углом, выполненном в виде радиуса 250 плавок (9750 т), составила 33 плавки (1287 т).

Четвертая глава посвящена созданию сопутствующих конструкций системы СПК сортовых MHJI3.

В первой части главы рассмотрена подсистема СК-ПК на взаимодействие жидкой стали с воздухом. Рассмотрены основные условия, при которых возможно образование зазоров в полости между огнеупорными элементами:

- образование зазора от температурного расширения защитной трубы, выполненной из материала кварц;

- выгорание вставки из пластичного огнеупора;

- образование зазора при эрозии огнеупорных изделий.

Определена максимальная величина образования зазоров в полости между стаканом-коллектором и защитной трубой:

к = х к2х к, = 1,0225 х 1,03125 х 1,15 = 1,2126 , (6)

где к1 - величина образования зазора от температурного расширения защитной

трубы, выполненной из материала кварц, kj=1,0225;

к2- величина выгорания вставки из пластичного огнеупора, ¿2=1,03125;

к3 - величина зазора при эрозии огнеупорных изделий, Aj=l,15.

Определена рациональная величина бурта при проектировании вставок: ^бурта = kD ш = 1,2126 Dem « 1,2 Dlm . (7)

Разработана новая конструкция устройства для защиты струи жидкой стали системы СПК - вставки из пластичного огнеупора, величина торцевой поверхности которой выполнена с наружным диаметром 1,2 относительно диаметра отверстия огнеупорной трубы в верхней её части Dт (рисунок 5, б).

Эта величина препятствует проникновению воздуха в струю жидкой стали, обеспечивая рациональные параметры подачи аргона в кольцевую выемку защитной трубы.

Изготовлена новая конструкция уплотнительной вставки.

Проведены промышленные испытания, по которым получено положитель ное заключение. Применение конструкции устройства для защиты струи металл; при разливке на МНЛЗ заготовок способствует качественной разливке стали| Усовершенствованная система защиты струи жидкой стали от воздействи:

Ш л^иЯИИМ^ш^& Ч внешних факторов (проникно

'¿л 'ИИИРИИ^!» вение азота) на участке стале . 'разливочный ковш - промежу

' ^ точный ковш позволяет увели ■Е чить срок эксплуатации защит ¡Е ных труб в 2-2,5 раза и снизит . ' ■ норму - расхода с 5,7 до 3, , . ' щ шт./тыс.т, содержание азота I

Як УШЁ^г ^НВ стали уменьшается ш

^Я» —■ „Л^Штш Проведены эксперимен1

тальные исследования при ис пользовании конструкций вста| вок с различной величиной бурт по диаметру отверстия огнеупорной трубы в верхней её части от 0,0625 £> вт до 1, О вт. Полученные эмпирические данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Взаимодействие воздуха с жидкой сталью при различных величина] бурта вставки

Рисунок 5- Защитные трубы со вставками: а-до внедрения; б - после внедрения

Величина бурта

Величина относительно диаметра

Зазор в полости соприкосновения огн. материалов

Прирост азота в

жидкой стали, %

Трещино-образование

Ь=0

1,0625 D, 1Д D~

b=4 1к4~

1,2 D„

более 1,2 D t

0,0537 D, 0,0045 D,

0,00 D«

0,00 0«

> 0,001 > 0,0005

Да

< 0,0005

> 0,0005

Нет

Получена экономия 7,74 руб./т при снижении нормы-расхода на защитны: трубы, при контрактном производстве - 4 000 000 т/год, экономический эффега

составит 30 960 000 руб./год.

Вторая часть главы посвящена исследованию асимметрии потоков стали, которая возникает при отклонении межосевых расстояний в сталевыпускных OTj верстиях стаканов - коллекторов промежуточных ковшей. Выявлен интенсивны!} износ - эрозия стаканов промежуточного ковша (рисунок 6), приводящая к внеплановому перекрещению разливки стали. Эмпирически определена допустима^ величина отклонения от межосевого расстояния, равная 5 мм, для заготовки се чением 150 150 мм.

Отклонение от межосевого расстояния более чем на 5 мм, приводит к необратимой боковой эрозии, преждевременному выходу из строя стакана-коллектора и внеплановому прекращению разливки стали. Образование очага прогара стакана-коллектора происходит при проникновении воздуха в зазор между плоскостями стакана-коллектора и погружаемого стакана.

Разработана конструкция устройства для снижения осевых отклонений потока стали промежуточ-Рисунок 6 - Эрозия стакана-коллектора ного ковша сортовой МНЛЗ в системе

спк.

Применение устройства для снижения осевых отклонений потока стали (рисунок 7) на ПК МНЛЗ позволит создать условия для равномерного распределения потоков жидкой стали в кристаллизаторах и гарантированного получения непрерывно-литой заготовки с необходимыми геометрическими параметрами, максимальное отклонение от технологической оси составит ±1,5 мм.

розни стакана

А А

Рисунок 7- Устройство для снижения осевых отклонений потока стали промежуточного ковша

При разливке стали с использованием устройства для снижения осевых отклонений потока стали промежуточного ковша, сбалансированные потоки жидкой стали в кристаллизаторе, позволят уменьшить эрозию стаканов-коллекторов в 1,5-2 раза, в сравнении с образованием эрозии на стаканах-коллекторах при разливке стали без применения данной системы. Конструкция устройства позволит обеспечить бесперебойную разливку стали на сортовой МНЛЗ и увеличить серийность промежуточных ковшей.

Пятая глава посвящена оценке промышленных исследований применения

гильз кристаллизатора с улучшенным внутренним профилем и сравнению их

..................""""пьзованию.

Определено, что применение новых элементов системь: СПК позволило повысить каче-j ство непрерывно-литой заго товки на 0,51%, за счет снижения баллов по дефектам (рисунок 8): Определено влияние

улучшения качества сортово? заготовки в зависимости от марки стали по химическом] составу по отобранным темпле там согласно группам сталей.

Выявлено, что на образца1 темплетов (рисунок 9), ото бранных с заготовок одно! плавки (при одинаковых темпе ратурно-скоростных режимах и одинаковом химическом составе), гильза кри сталлизатора с улучшенной внутренней геометрией имеет ряд существенных пре имуществ перед гильзой кристаллизатора с обычной внутренней геометрией. образец 1 образец 2 образец 3 образец 4 образец 5

Рисунок 8 - Сравнительный график дефектов при применении гильз новой конструкции

Рисунок 9 - Темплеты сортовых заготовок

По макроструктуре темплегов сортовой заготовки выявлено, что применен® гильз кристаллизатора с улучшенной внутренней геометрией, позволило:

- снизить дефект ЦП;

- уменьшить геометрические отклонения;

- обеспечить условия, при которых отсутствуют угловые напряжения.

Заключение

В диссертации, на основании выполненных исследований специфики конструкций системы СПК сортовой МНЛЗ, дано решение технических и технологических задач, которое позволило разработать конструкции гильз кристаллизаторо и сопутствующих элементов для повышения эффективности работы сортовы' МНЛЗ и улучшения качества получаемой непрерывно-литой заготовки, что вносит значительный вклад в развитие металлургической отрасли.

Результаты исследований:

1. Получены математические модели прохождения потоков жидкой стали в системе СПК, и равномерного распределения тепловых потоков по периметру гильзы кристаллизатора для улучшения качества непрерывно-литой сортовой заготовки.

2. Разработана методика расчета гильз кристаллизаторов сортовой МНЛЗ и создана на её основе гильза, позволяющая на всех стадиях проектирования разрабатывать конструкции и рассчитывать их основные геометрические параметры.

3. Дополнена методика, основанная на полученных геометрических параметрах гильз кристаллизатора, для расчета при конструировании устройств для снижения осевых отклонений потока жидкой стали, поступающей в ПК. Определена величина предельного отклонения элементов этих устройств.

Разработанные методики расчета, результаты проведенного математического моделирования, а также внедрение элементов системы СПК в производство позволили создать:

а) конструкцию гильзы кристаллизатора сортовой МНЛЗ, применение которой позволяет повысить качество непрерывно-литой заготовки и увеличить стойкость гильз. На разработанные элементы кристаллизатора МНЛЗ выдан патент на полезную модель РФ № 97070;

б) конструкцию устройства для защиты струи металла при разливке на машине непрерывного литья заготовок, использование которого способствует ограничению проникновения азота в элементах СПК. На разработанное устройство выдан патент на полезную модель РФ № 102552;

в) конструкцию устройства для снижения осевых отклонений потока стали промежуточного ковша сортовой МНЛЗ, применение которого позволило увеличить срок эксплуатации огнеупорных элементов для прохождения жидкой стали. На разработанное устройство выдан патент на полезную модель РФ № 122318.

4. Проведены опытно-промышленные испытания и внедрение созданных конструкций:

а) гильз кристаллизатора с улучшенной внутренней геометрией, применение которых позволило увеличить гарантированную стойкость гильз с 250 плавок (9750 т) до 283 (11037 т), максимальная стойкость составила 335 плавок (13065 т), и повысить качество непрерывно-литой заготовки на 0,51%, за счет снижения баллов по дефектам. Применение гильз с улучшенным внутренним профилем позволило получить экономический эффект 1 570 000 руб.;

б) устройство для защиты струи металла при разливке на МНЛЗ, применение которого способствует ограничению проникновения азота в подсистеме стале-разливочный ковш - промежуточный ковш, что позволило увеличить срок эксплуатации огнеупорных элементов для прохождения жидкой стали. Снижение их нормы-расхода с 5,7 (2007-2008 гг.) до 3,2 шт./тыс.т (2009-2013 г.) позволило получить уменьшение себестоимости стали на 7,74 руб./т.

5. Применение устройства для снижения осевых отклонений потока стали позволяет создать условия для равномерного распределения потоков жидкой стали в кристаллизаторах и гарантированного получения непрерывно-литой заготовки с необходимыми геометрическими параметрами. Использование

конструкции имитатора рабочей среды позволит получить экономию 34, руб./т.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: в патентах РФ:

1 Пат. 97070 U1 РФ, МКИ B22D 11/04/. Кристаллизатор машины непрерывного л! тья металлов / С.Н. Ушаков, К.Н. Вдовин, O.A. Марочкин и др. (РФ)//БИПМ. 2011 Бюл. № 26.

2. Пат. 102552 РФ, МПК B22D 41/08. Устройство для защиты струи металла пр разливке на машине непрерывного литья заготовок / В.А.Бигеев, К.Н. Вдовин, О J Марочкин и др. (РФ). Заявл. 07.10.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 3.

3 Пат. 122318 РФ, МПК 7 B22D 41/00. Промежуточный ковш для непрерывно разливки металла / С.Н. Ушаков, К.Н. Вдовин, O.A. Марочкин и др. (РФ) Заяв. 14.05.2012; опубл. 27.11.2012. Бюл. № 33.

статьи в журналах, рекомендованных ВАК России:

4 Модернизация конструкции кристаллизатора и совершенствование технологи разливки стали на сортовых МНЛЗ / К.Н. Вдовин, С.Н.Ушаков, О.А.Марочкин и др. Технология металлов,-2013.-№ 9.-С. 38-41.

5. Разработка систем подачи аргона для промежуточного ковша сортовой МНЛЗ К.Н. Вдовин, С.Н.Ушаков, О.А.Марочкин и др.// Технология металлов. - 2013. - л

6,-С. 38-40.

6. Марочкин O.A. Внутренний профиль гильзы кристаллизатора фирмы ivtv Germany GmbH & Co. KG" для улучшения качества непрерывно-литой заготовки Сталь. - 2013. - № 7. - С. 64-68.

7. Вдовин К.Н., Марочкин O.A., Точилкин В.В. Создание имитатора рабочей сред для повышения износостойкости огнеупоров при разливке стали на сортовых МНЛ // Новые огнеупоры. -2013. - № 11.- С. 10-13.

8. Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Марочкин O.A. Применение пластичных огнеупоро усовершенствованной конструкции для защиты струи металла при разливке стали н сортовых МНЛЗ // Новые огнеупоры. -2014. - № 1. - С. 3-5.

9. Основные направления при конструировании огнеупорных элементов для защи-от вторичного окисления стали при разливке на МНЛЗ / Вдовин К.Н., Точилкин В.В Марочкин O.A. и др. // Новые огнеупоры. -2014. - №3. - С. 69.

10. Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Марочкин O.A. Совершенствование процесса раз ливки стали на сортовых МНЛЗ // Металлург. - 2014. - № 4. - С. 80-82.

11. Новые вставки из пластичных огнеупоров для защиты струи металла при разливк на МНЛЗ / Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Марочкин O.A. и др. // Новые огнеупорь -2014.-№ 7.-С. 41-43.

Подписано в печать 23.09.2014 Формат 60x84 1/16 Бумага тип.№1.

Плоская печать. Усл.печл. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 697.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»