автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование процесса охлаждения непрерывнолитых слябов с целью обеспечения прямой прокатки

и

к А

/у

МАГНИТОГОРСК® ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Г.И. НОСОВА

на правах рукописи

ДЕМИДЕНКО ЛЮДМИЛА ЛЕОНТЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СЛЯБОВ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЯМОЙ ПРОКАТКИ

С

Специальность: 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Девятов Д.X.

Магнитогорск 1999

Оглавление

Введение....................................................5

Глава 1. Теплоэнергетический анализ системы МНЛЗ - прокатный стан.........................................10

1.1. Основные направления исследования и функциональные аспекты выбора энергосберегающих схем прямой прокатки ........................10

1.2. Анализ существующих схем совмещения непрерывной разливки стали с обработкой металла давлением ................................... 12

1.3. Постановка и обоснование задач исследования

и методов их решения ........................ 28

1.4. Общая схема исследования ....................30

1.5. Выводы......................................32

Глава 2. Создание концептуальной математической модели охлаждения слитка ............................ ...... 35

2.1. Создание математической модели охлаждения

слитка ........................................ 38

2.1.1. Анализ существующих математических моделей и теорий затвердевания слитка.....38

2.1.2. Теплофизические основы затвердевания слитка с учетом выделения теплоты кристаллизации .............................40

2.2. Выбор и описание граничных условий по длине МНЛЗ ..........................................49

2.2.1. Теплообмен в кристаллизаторе ...........51

2.2.2. Теплообмен в ЗВО .......................55

2.2.3. Теплообмен в зоне воздушного охлаждения.58

2.3. Численное решение задачи затвердевания слитка

с применением ЭВМ ............................. 60

2.4. Проверка адекватности модели по экспериментальным данным ................................ 67

2.5. Выводы по 2 главе .............................77

Глава 3. Рациональные режимы тепловой обработки непрерывно-

литого слитка для обеспечения прямой прокатки .... 79 3.1. Выбор требования к рациональному режиму охлаждения слитка.............................79

3.2 Определение основных параметров для проектирования непрерывной разливки с использованием теплоизолирования ........................ 82

3.3. Определение рациональных режимов литья стали с использованием зоны теплоизолирования ____ 89

3.4. Результаты моделирования охлаждения непре-рывнолитого слитка в виде неограниченной пластины....................................96

3.5. Двумерная математическая модель процесса затвердевания непрерывнолитого слитка с применением зоны теплоизолирования. Результаты моделирования ..............................111

3.6. Выводы по 3 главе ..........................121

Глава 4. Рациональные режимы разливки с зоной теплоизолирования ...........................................123

4.1. Расчет конструктивных элементов зоны теплоизолирования ................................123

4.2. Влияние толщины и длины зоны теплоизолирования ........................................124

4.3. Технические требования к непрерывнолитым слябам.....................................131

4.4. Определение влияния зоны теплоизолирования в конце МНЛЗ на температуру поверхности слитка перед прокатным станом.....................133

4. 5. Выводы по 4 главе ..........................147

Глава 5. Эффективность и перспективы использования прямой

прокатки ........................................ 149

5.1. Расчет капитальных затрат.......................150

5.1.1. Расчет стоимости материала и монтажных работ по изготавлению стального каркаса короба из стали 10Х11Н20Т2Р..............150

5.1.2. Расчет стоимости материала и монтажных работ по набивке кожуха каолиновой ватой.154

5.1.3. Расчет стоимости материала и монтажных работ по набивке кожуха каолиновой ватой.157

5.2. Расчет экономической эффективности..............159

5.3. Выводы..........................................160

Общие выводы..............................................161

Список литературы.........................................163

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние металлургического комплекса характеризуется необходимостью дальнейшего совершенствования оборудования всего литейно-прокатного комплекса, и в частности, даже самого современного: литейно-прокатных агрегатов (ЛПА) и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

На наш взгляд, и по представлению специалистов /1-12/ узловыми вопросами, важнейшими с точки зрения качества металла и экономии энергозатрат, являются размещение зон охлаждения и теплоизоляции.

Непреложным фактом является то, что МНЛЗ, основанная только на режиме охлаждения, не позволяет полностью использовать возможности непрерывного литья стали. Установлено также, что необходимо перед обжатием вводить операцию подогрева слитков. Естественно, необходимость в последнем будет исключена, если разработать систему рационального использования теплоты жидкого металла. Этому посвящена настоящая работа.

Целью диссертации является совершенствование технологии тепловой обработки слитка в МНЛЗ после кристаллизатора для обеспечения прямой прокатки и создание средств ее реализации.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Получение максимально возможного теплосодержания слитка

перед машиной газовой резки (МГР):

1.1. Создание инструмента прогнозирования температурного поля охлаждаемого слитка в виде математической модели.

1.2. Расчет конструктивных элементов зоны теплоизолирования.

1.3. Определение рациональных режимов охлаждения непре-рывнолитого слитка по длине МНЛЗ с учетом зоны теплоизолирования для обеспечения требуемого теплосодержания.

2. Подготовка слитка к обжатию без дополнительного подогрева:

2.1. Определение параметров зоны теплоизолирования для обеспечения требуемого теплосодержания слитка и его термостатирования до прокатного стана.

2.2. Оценка степени выравнивания температуры слитка по его сечению при термостатировании в зоне теплоизолирования.

2.3. Выполнение моделирования температурного поля слитка во времени перед прокатным станом при охлаждении его на воздухе и при термостатировании рольганга на транспортно-отделочной линии (ТОЛ).

2.4. Расчет реального времени доставки сляба до стана с наименьшими потерями теплоты без подогрева и с учетом возможности индукционного подогрева углов.

3. Численная реализация одно- и двумерной математических моделей с использованием зоны теплоизолирования на языке С++.

4. Разработка рекомендаций по применению данной техноло-

гии на строящихся металлургических заводах СНГ, и в частности, на ККЦ АО ММК при постройке стана горячей прокатки 2000.

5. Экономическая оценка эффективности предлагаемой технологии прямой прокатки.

Научная новизна проделанной работы заключается в том, что в ней:

1. Обоснованы и разработаны концепции технологии прямой прокатки с применением зоны теплоизолирования.

2. Рассчитаны параметры зоны теплоизолирования в зависимости от выходных параметров слитка и режимов охлаждения для обеспечения максимально возможного теплосодержания перед МГР.

3. Определены рациональные режимы литья стального слитка при его теплоизолировании в конце МНЛЗ и степень выравнивания температуры по его сечению.

4. Построены номограммы температур поверхности и центра для определения рациональных режимов литья заготовок с использованием теплоизолирования.

5. Оценено влияние степени теплоизолирования в конце МНЛЗ и на рольганге ТОЛ на температуру поверхности слитка перед прокатным станом.

На защиту выносится:

1. Методика обеспечения максимально возможного теплосодержания слитка при выполнении условия его полного

затвердевания перед порезкой.

2. Двумерная математическая модель охлаждения слитка с зоной теплоизолирования и программная реализация моделирования в виде операционной оболочки, пакета прикладных программ (ППП) и результатов в виде графиков и номограмм.

3. Исследование влияния зоны теплоизолирования на распределение температур по сечению слитка и на степень его выравнивания для различных скоростей разливки.

4. Рациональные режимы тепловой обработки слябов в МНЛЗ с применением зоны теплоизолирования.

5. Определение влияния теплоизолирования в конце МНЛЗ и на рольганге линии ТОЛ на температуру слитка перед прокатным станом.

Таким образом, в результате проделанной работы, предложены методы совершенствования технологии тепловой обработки непрерывнолитого слитка в МНЛЗ с целью обеспечения прямой совмещенной прокатки. Созданы программные средства, моделирующие тепловое состояние слитка на линии МНЛЗ - прокатный стан, позволяющие применить слитки для дальнейшего передела в режиме прямой прокатки; разработаны рациональные режимы тепловой обработки слитка в виде номограмм и графиков. После апробации в проектных институтах данная технология может быть доведена до промышленного образца и использована при проектировании новых и реконструкции существующих металлургических предприятий.

Автор приносит благодарность за научную консультацию руководителю - доктору технических наук, профессору Девято-вуД.Х.; докторам технических наук, профессорам Иванову Н.И., Вдовину К.Н.; кандидатам технических наук Вачае-ву А.В., Столярову А.М, Баранковой И.И, Копцевой Н.В.; Тор-чинскому В.Е.

Глава 1. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ МНЛЗ - ПРОКАТНЫЙ СТАН

1.1. Основные направления исследования и функциональные аспекты выбора энергосберегающих схем прямой прокатки

В процессе выплавки стали затрачивается определенное количество тепловой энергии, которое аккумулируется в слитках, формирующихся в кристаллизаторе. При этом, в процессе затвердевания слитков часть теплоты теряется, определенная часть потерянной теплоты восстанавливается в слитке перед обработкой металла давлением в пламенных нагревательных печах (рис. 1.1).

Таким образом, возникает проблема рационального использования теплоты расплава с целью уменьшения затрат топлива и других энергоносителей, расходуемых на нагрев после охлаждения. При решении этой проблемы также создаются предпосылки для увеличения выхода годного за счет снижения угара металла и окалинообразования на заготовках, производительности и экономичности технологии «непрерывная разливка - обжатие заготовок», уменьшения выброса вредных веществ в окружающую среду, полной механизации и автоматизации комплекса: непрерывное литье стали - обработка металла давлением.

При использовании теплоты жидкой сердцевины слитка возможно уменьшить и даже исключить промежуточный нагрев в пламенных нагревательных печах и непосредственно передавать

мнлз О ПОШ Нагревательная Опош и Прокатный

ПЕЧЬ стан

Рис. 1.1. Обычная технология непрерывной разливки стали с глубоким охлаждением слябов после МНЛЗ и последующим их нагревом перед обжатием

слитки из МНЛЗ на прокатный стан. Данная технология - прямой прокатки - позволяет производить обжатие слитков без их осмотра и зачистки.

Преимущество технологии прямой прокатки состоит в снижении энергетических и топливных ресурсов вследствие уменьшения (или исключения) затрат топлива на нагрев заготовки перед прокаткой, в сокращении затрат на сырье, материалы, сменное оборудование и инструменты, а, в конечном итоге, и снижения себестоимости готовой продукции и трудозатрат. Кроме того, сокращаются производственные площади, увеличивается выход годного и повышается эффективность производства, появляются возможности полной механизации и автоматизации непрерывного процесса от портфеля заказов до получения готовой продукции.

1.2. Анализ существующих схем совмещения непрерывной разливки стали с обработкой металла давлением

На основе проведенных исследований в данной области можно выделить следующие направления исследования в области совмещения непрерывного литья стали с обработкой металла давлением с целью уменьшения затрат топлива и других энергоносителей.

Совмещение возможно применить на всех МНЛЗ, у которых конструкционно вытягивание заготовки происходит в горизонтальном направлении технологической оси.

Совмещение непрерывной разливки стали с прямой прокаткой развивается в двух направлениях: обжатие заготовок не-

посредственно на линии МНЛЗ и сохранение теплосодержания слитка во время его передачи до прокатного стана.

Установки первого направления были созданы в 1965-1966 гг. и получили название литейно - прокатных агрегатов (ЛПА). В ЛПА существуют два основных способа обжатия: обжатие непрерывнолитой заготовки при наличии в ее осевой зоне жидкой фазы (рис. 1.2,а) и обжатие полностью затвердевшей заготовки (рис. 1.2,6).

На ЛПА можно получать непрерывнолитые заготовки разных размеров без снижения производительности МНЛЗ, так как сталь разливают в кристаллизатор одного сечения, а получение заготовок требуемого размера обеспечивается обжатием в прокатной клети. Это создает благоприятные условия для механизации и автоматизации процесса производства передельной заготовки из жидкой стали, но приводит к сохранению в готовом прокате значительной осевой ликвации и ухудшению качества поверхности заготовок. Прокатка заготовок после их затвердевания с большим температурным перепадом по сечению, приводит к образованию поверхностных продольных и поперечных трещин /13/.

Обжатие непрерывнолитых заготовок с жидкой сердцевиной производилось на ЛПА следующих фирм: "Boehler" (Австрия), "Mitsubishi" (Япония), "United States Steel" (США), "Шле-манн-Зимаг" и "Маннесманн Демаг" (Германия). Однако, промышленная эксплуатация данных агрегатов показала, что обжатие заготовок с жидкой сердцевиной не обеспечивает получение продукции с необходимым стабильным качеством макроструктуры.

Обжатие полностью затвердевшего слитка производится на ЛПА, у которых состав оборудования разливочной части по сос-

I

Рис. 1.2. Схема совмещения разливки стали с прокаткой:

а) обжатие с жидкой фазой

б) обжатие полностью затвердевшего слитка

таву не отличается от обычных криволинейных МНЛЗ. Учитывая специфические условия совмещения непрерывного литья и прокатки, прокатные клети ЛПА должны отличаться от традиционного прокатного оборудования, что объясняется высокой внутренней температурой заготовки, вследствие чего уменьшается ее сопротивление деформации. Анализ возможных вариантов ЛПА (схем совмещения) описан в /13,14,15/.

На рис. 1.3 показаны ЛПА, классифицированные по направлению технологической оси.

Примером совмещения горизонтальных установок непрерывной разливки стали с прокатными клетями может быть установка, представленная на рис. 1.3, а. Металлоприемник 1, в который заливают сталь, с примыкающим к нему кристаллизатором 2 совершают возвратно - поступательные движения; затем, в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) процесс кристаллизации завершается и заготовка поступает в непрерывный прокатный стан 3. На рис. 1.3, б представлено совмещение с обжатием радиальной установки непрерывной разливки. Заготовка начинает образовываться в радиальном кристаллизаторе 1, проходит зону вторичного охлаждения 2 и после распрямления поступает в прокатный стан 3. Установка наклонной непрерывной разливки М.Ф. Голдобина, состоящая из двух цепей 1, образованных полуизложницами, показана на рис. 1.3, в. После окончания кристаллизации заготовка выпрямляется и поступает в непрерывно-заготовочный стан.

Для выполнения разноскоростных технологических операций (скорость вытягивания на порядок ниже рациональной скорости начала прокатки) в работе /16/ предлагается сочетание враща-

в

Рис. 1.3. Совмещение УНРС с обжатием:

а)горизонтальная

б) радиальная

в)наклонная

тельного и поступательного вращения на промежуточном участке полосы с помощью моталки. Длительность этого режима ограничена протяженностью участка передачи и грузоподъемностью моталки.

На заводе "Oita" (Nippon Steel Corp.) в 1980 г. была реализована новая схема непосредственного сочетания сталеплавильного и прокатного производства /14/. Между МНЛЗ и прокатными станами был размещен редуцирующий стан, позволяющий осуществлять частичное обжатие непрерывнолитых слябов. Данная технология позволила повысить устойчивость работы сталеплавильных агрегатов, снизить расходы энергии, затраты времени; "мягкое" вторичное охлаждение обеспечило получение слябов высокого качества, что позволило сократить брак слябов и число слябов, подвергаемых зачистке. Ввиду непрерывности технологического процесса (отсутствие технологических разрывов), любая возникающая в данной схеме проблема ведет к нарушению всей производственной цепочки, поэтому необходимо четкое согласование между компонентами производства.

Модули на основе совмещения МНЛЗ и прокатных средств для производства металлопродукции описаны в работах /17,18/.

Одной из основных проблем, возникающих при эксплуатации ЛПА, является рассогласование скоростей разливки и прокатки. Также для получения на ЛПА качественных слитков необходимо учитывать ряд недостатков: если температура осевой зоны близка к температуре солидуса, то при обжатии непрерывноли-той заготовки вследствие малой пластичности мета