автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок с целью повышения их качества

Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова

На правах рукописи

Тутарова Власта Диляуровна

Совершенствование режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок с целью повышения их качества

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — кандидат технических наук доцент В. Н. Селиванов

Магнитогорск—1999

Введение......................................................................................................4

Глава 1. Исследование качества непрерывнолитых заготовок................8

1.1. Современные подходы к исследованию качества непрерывнолитых заготовок.......................................................................................................8

1.2. Качество непрерывнолитых заготовок кислородно-конвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината.............................17

1.2.1. Особенности технологического оборудования..............................17

1.2.2. Контроль качества непрерывнолитых заготовок...........................19

1.3. Постановка задач исследования по улучшению качества

непрерывнолитых заготовок.....................................................................23

Глава 2. Исследование влияния химического состава металла и технологии разливки непрерывнолитых заготовок на возникновение внутренних дефектов.................................................................................25

2.1. Методика выполнения эксперимента................................................25

2.2. Статистическая обработка результатов эксперимента....................27

2.2.1. Влияние химического состава стали на возникновение внутренних дефектов....................................................................................................39

2.2.2. Влияние основных технологических параметров непрерывной разливки на возникновение внутренних дефектов..................................48

2.2.3. Влияние технологических параметров зоны вторичного

охлаждения на возникновение внутренних дефектов.............................52

Выводы по главе 2.....................................................................................57

Глава 3. Исследование процесса затвердевания непрерывнолитых заготовок методом математического моделирования.............................60

3.1. Математическое описание процессов теплообмена при затвердевании непрерывнолитой заготовки............................................61

3.2. Математическое моделирование процессов затвердевания непрерывнолитой заготовки......................................................................69

3.2.1. Математическая модель затвердевания заготовок при движущейся границе раздела фаз............................................................70

3.2.2. Алгоритмы расчетов и численная реализация решения задачи .. 73

3.3. Анализ результатов математического моделирования затвердевания заготовок...........................................................................75

3.3.1. Анализ температурных полей непрерывно - литых заготовок.....75

3.3.2. Исследование распределения температуры поверхности непрерывнолитых заготовок, полученных в условиях кислородно-конвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината.... 87

3.3.3. Определение параметров теплообмена в кристаллизаторе и ЗВО в условиях ОАО ММК.................................................................................96

3.4. Расчет расходов охладителя в ЗВО и выполнение сравнительного

анализа.....................................................................................................101

Глава 4. Прогнозирование качества заготовок с помощью

экспериментально-аналитических методов...........................................107

4.1. Критериальная форма оценки качества слитка..............................108

комбината............................................................................

Заключение.........................................................................

Библиографических список использованной литературы

125

126

Черная металлургия традиционно занимает ведущее место в экономике России и вместе с топливно-энергетическим комплексом определяет жизнеспособность страны, являясь основным поставщиком конструкционных материалов. Важнейшей задачей черной металлургии является ускоренное обновление и техническое перевооружение отрасли на основе широкого внедрения принципиально новых технологий, обеспечивающих наивысшую производительность труда и эффективность производства, радикальное повышение качества и расширение сортамента черных металлов, надежную охрану окружающей среды и решение социальных вопросов. Ускорение научно-технического прогресса, совершенствование действующих и разработка принципиально новых процессов должны базироваться на потенциале научных исследований академической, отраслевой, вузовской и заводской науки.

В современных условиях технический уровень развития сталеплавильного производства оценивается степенью применения непрерывной разливки.

Согласно последним данным [1, 2, 3], в капиталистических и развивающихся странах доля непрерывнолитой стали в общем объеме ее производства к концу 1995 года превысила 60%. При этом, в развитых капиталистических странах она находилась в пределах 58,8% (США) и 91,9% (Япония). Общее количество машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), находящихся в эксплуатации и в стадии сооружения, превысило 1350 шт.

По имеющимся прогнозам объемов металлопотребления [1], к началу нового века производство стали в России может составить 7178 млн.т, в СНГ — 115-125 млн.т, в том числе: на Украине~35 млн.т, в Казахстане-6 млн.т. При этом, доля непрерывной разливки составит в

начале века [4] 80% по сравнению с 23% в 1990 году, что повлечет за собой необходимость строительства новых и усовершенствования действующих МНЛЗ.

К преимуществам непрерывной разливки относится следующее [2]:

• однородность кристаллического строения и технологических свойств литой стали вдоль оси заготовки;

• повышение качества непрерывнолитой стали (по сравнению со сталью, полученной при литье по изложницам) за счет интенсивного охлаждения поверхности заготовки;

• возможность механизации и автоматизации процесса и существенное улучшение условий труда на разливочной площадке;

• возможность совмещения непрерывного литья и прокатки в единой технологической линии.

Успешное решение новых задач увеличения объема разливки стали на МНЛЗ с одновременным расширением сортамента и повышением качества отливаемых заготовок невозможно без теплотехнического обоснования режимов работы МНЛЗ, так как качество металла определяется, во многом, рациональной организацией теплоотвода от слитка в процессе его затвердевания.

Основное требование к качеству слитка со стороны прокатчиков сводится к обеспечению химической и структурной однородности литого металла, которая достигается за счет получения металла заданного химического состава и регулирования скорости кристаллизации по всему сечению слитка.

Знание основных закономерностей тепловой работы зоны вторичного охлаждения (ЗВО) позволяет совершенствовать работу действующих машин непрерывного литья заготовок, а также прогнозировать основные параметры при проектировании новых машин и технологий. Наиболее эффективным является применение

комплексных экспериментально-теоретических исследований условий охлаждения непрерывного слитка.

При проведении теплотехнических исследований ЗВО необходимо решать следующие практические задачи:

• определение основных теплотехнических и технологических параметров ЗВО: общего теплового потока, коэффициента теплоотдачи, расходов воды по секциям и др.;

• установление зависимости основных режимных параметров (расходов воды, длины и ширины зоны форсуночного охлаждения и др.) от скорости разливки, марки стали, сортамента заготовок и т.д.;

• определение зависимости интенсивности охлаждения от расходов охлаждающей воды, рекомендации по совершенствованию режимов охлаждения с целью уменьшения трещин и других дефектов непрерывнолитой заготовки.

Над вопросами изучения температурного поля непрерывнолитой заготовки, определения величины тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи, разработки тепловых режимов охлаждения слитка работали М.С. Бойченко, B.C. Рутес, A.A. Скворцов, А.Д. Акименко, О.В. Мартынов, Ю.А. Самойлович, В.Т. Борисов, В.В. Соболев, П.М. Трефилов, Д.Х. Девятов и другие [5-21]. Однако в настоящее время теплообмен в зоне вторичного охлаждения изучен еще недостаточно, исследователи вторичного охлаждения формулируют в основном рекомендации по оптимальным режимам охлаждения, исходя из общих условий предотвращения появления внутренних трещин. Эти режимы не учитывают локальной неравномерности отвода тепла, присущей форсуночному охлаждению. До настоящего времени также недостаточно изучены особенности охлаждения поверхностного слоя непрерывнолитой заготовки, мало данных по измерениям температурного поля криволинейных листовых заготовок, по тепловым характеристикам форсунок и т.д.

В связи с этим, целью работы является совершенствование режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок для повышения их качества.

Глава 1. Исследование качества непрерывнолитых заготовок 1.1. Современные подходы к исследованию качества непрерывнолитых заготовок

В рассмотренных нами литературных источниках не ставится проблема улучшения качества заготовки в целом. Рассматриваются, как правило, отдельные проблемы устранения какого-либо дефекта или их группы, а так же описываются попытки найти взаимосвязь отдельных показателей качества. Исследуются слитки различных металлов и сплавов, но количественные оценки связи показателей качества с технологическими параметрами непрерывной разливки обычно не приводятся.

Многочисленные исследования процесса кристаллизации стальных заготовок показали [22], что развитие их физической и химической неоднородности тесно связано с тепловыми процессами, протекающими при кристаллизации слитка. Выбор оптимальной интенсивности охлаждения и, в связи с этим, скорости затвердевания слитка должно благоприятно сказываться на его строении.

Для решения задачи улучшения структурной однородности существенны следующие результаты.

Исследователями под руководством Борисова В.Т. [15, 16, 18, 21, 24, 25] показана связь между характеристиками температурного поля и размерами дендритов. В работах Пфанна В. и Кана Р. [25, 26] рассмотрена принципиальная возможность управлять структурой слитка и получать заготовки с требуемой структурой, размерами кристаллов и их ориентацией. Определено понятие «оптимальная первичная структура» для некоторых марок стали в работах Лапотышкина Н.М. и Рутеса В.С. [6, 27]. В работах Ефимова В.А. [28, 29] для конкретных сплавов даются рекомендации, как организовать теплоотвод от слитка, чтобы получить хорошую структуру.

В работах Ефимова В.А., Иодко З.А. и зарубежных исследователей [28, 30-36] по уменьшению химической неоднородности показано, что на распределение примесей влияют скорость кристаллизации металла и характер движения жидкого металла в двухфазной зоне. В работе Ефимова В.А. [28] содержится рекомендация по закону роста твердой фазы при кристаллизации конкретных сплавов, направленная на устранение ликвации.

ЦНИИчерметом совместно с заводом «Амурсталь» проведена работа [37] по усовершенствованию технологии непрерывной разливки низкоуглеродистой стали с целью снижения содержания неметаллических включений в непрерывнолитых заготовках низколегированной стали примерно на 30%, в корковой и осевой зонах слитка — более, чем в 2 раза за счет подачи металла в кристаллизатор под углом 15 град.; для защиты зеркала металла использовали шлакообразующие смеси (ШОС) с температурой плавления 1240 и 1020°С.

Группа ученых под руководством В.М.Паршина [38] использовала при непрерывной разливке стали погружные водоохлаждаемые холодильники, что вызвало более интенсивный теплообмен на поверхности и в жидкой лунке, а также снижение теплоты перегрева жидкого металла. Это, в свою очередь, привело к сокращению времени затвердевания заготовок на 20-30 %, снизило степень осевой ликвации и пористости на 2-3 балла (по шкале ЦНИИчермета), расширило зону равноосных кристаллов в 2-3 раза взамен столбчатой, предотвратило ликвацию химических элементов в осевой зоне слитка .

В работах [23, 39, 40] по улучшению физической однородности показано, что осевую пористость и несплошности в теле заготовки можно уменьшить, если условия теплоотвода в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) удовлетворяют определенным требованиям.

Подробный анализ качества слитка на основании исследования его однородности содержится в работе исследователей под руководством Сладкоштеева В.Т. [41], где рассматривается структурная, химическая и физическая неоднородность.

Вопрос об оптимальной кристаллической структуре литого металла не имеет однозначного решения и должен рассматриваться конкретно для разных металлов и сплавов. Заметим, что в настоящее время нет количественной теории, объясняющей механизм образования того или иного вида структуры слитка. Поэтому тепловые условия, необходимые для получения требуемого распределения зон кристаллов, могут быть определены только экспериментально.

Основными характеристиками химической неоднородности являются: степень ликвации в слитке, газосодержание, содержание неметаллических включений. В качестве борьбы с точечной неоднородностью предлагается следующее: выбор правильного метода раскисления, присадка алюминия в количестве до 0,05%, недопущение попадания в металл влаги .

Физическая неоднородность проявляется в виде пористости, несплошностей, газовых пузырей и неметаллических включений, возникающих при затвердевания металла в условиях объемной недостаточности, а так же в виде трещин, когда под действием внутренних напряжений нарушается сплошность слитка.

Известно, что физическая неоднородность зависит непосредственно от температурного поля слитка.

В качестве борьбы с неметаллическими включениями институт физики твердого тела АН СССР предлагает использовать ультразвуковую обработку кристаллизующегося расплава [42]. Под действием ультразвука происходит изменение протяженности структурных областей в слитке — сокращение зоны столбчатых кристаллов и расширение зоны равноосных, что в значительной мере

способствует снижению количества дефектов усадочного происхождения и измельчению и более равномерному распределению карбидов по объему слитка.

Изучение теплообмена и затвердевания непрерывного слитка в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) позволило установить причины возникновения внутренних дефектов слитка (трещины, осевая пористость, рыхлость и др.) и их взаимосвязь со скоростью затвердевания, зависящей от интенсивности теплоотвода, скорости вытягивания слитка, состава стали, конструкции системы и режима вторичного охлаждения. Важными факторами является также распределение расхода воды по высоте зоны и общая длина ЗВО, которая выбирается таким образом, чтобы слиток затвердел в ней полностью. При недостаточной длине ЗВО может иметь место разогрев поверхности слитка за счет выделения теплоты кристаллизации, что, в свою очередь, приводит к образованию внутренних трещин.

Внутренние трещины (трещины, перпендикулярные граням заготовки и гнездообразные) и пористость (осевая рыхлость, газовые пузыри) являются наиболее характерными и распространенными дефектами, которые в значительной степени снижают качество заготовок. Пористость способствует трещинообразованию как в литой, так и в деформированной стали. Образование внутренних трещин является основным препятствием повышения производительности МНЛЗ. Многочисленные попытки увеличить скорость вытягивания, существенно не изменяя систему охлаждения, приводили к увеличению внутренних трещин в слитках.

Все внутренние трещины в непрерывнолитых слябах классифицируются как горячие. Они образуются [41] в результате высоких напряжений и деформаций в участках оболочки слитка, которые при высокой температуре обладают низкими пластичностью и прочностью.

Трещины, перпендикулярные широким граням, четко обнаруживаются на серных отпечатках или травленных образцах. Как правило, эти трещины закрытые, обогащены серой, фосфором и углеродом. Образование этих трещин связывают с чрезмерным интенсивным вторичным охлаждением, последующим разогревом и расширением поверхностных слоев, т. е. с развитием растягивающих напряжений в районе фронта кристаллизации. Многофакторное влияние на образование и развитие трещин делает борьбу с ними затруднительной. Основными путями решения проблемы устранения таких трещин являются уменьшение содержания вредных примесей, оптимизация режима вторичного охлаждения и скорости вытягивания слитка [41].

По результатам исследований возникновения гнездообразных трещин, проводимых ПО «Уралмаш» [43], сделали следующие выводы: гнездообразные трещины в слябе зарождаются на радиальном участке роликовой зоны вторичного охлаждения, вначале со стороны большого радиуса, а затем со стороны малого радиуса. Величина гнездообразных трещин и их количество возраст