автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Усовершенствование режима вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов для условий Магнитогорского металлургического комбината

Введение.

1. Состояние вопроса и цель работы.

1.1. Влияние режима вторичного охлаждения и температуры поверхности непрерывнолитого слитка на возникновение различных дефектов.

1.2. Известные решения задачи разработки режимов охлаждения непрерывнолитого слитка.

1.3. Выводы и цель работы.

2. Тепловое состояние непрерывнолитого слитка на выходе из кристаллизатора.

2.1. Математическая модель процесса затвердевания металла в кристаллизаторе.

2.2. Результаты расчета теплового состояния непрерывнолитого слитка на выходе из кристаллизатора.

Выводы по главе 2.

3. Разработка рационального температурного режима поверхности непрерывнолитых слябов в зоне вторичного охлаждения.

3.1. Существующие методики определения рационального изменения температуры поверхности непрерывнолитого сляба по длине зоны вторичного охлаждения.

3.2. Разработка методики расчета рационального изменения температуры поверхности непрерывнолитого сляба в зоне вторичного охлаждения.

3.3. Математическая модель расчета рационального изменения температуры поверхности непрерывнолитого сляба.

3.4. Результаты расчета рационального изменения температуры поверхности непрерывнолитого сляба.

3.5. Методика расчета температуры поверхности сляба при заданных расходах воды по секциям зоны вторичного охлаждения.

3.6. Математическое моделирование процесса затвердевания непрерывнолитого сляба в зоне вторичного охлаждения.

Выводы по главе 3.

4. Разработка методики определения рациональных режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов.

4.1. Общая концепция разработки рациональных режимов вторичного охлаждения непрерывнолитого слитка.

4.2. Расчет расхода воды для обеспечения рационального режима вторичного охлаждения непрерывнолитого слитка.

4.3. Результаты расчета расхода воды по предложенной методике.

Выводы по главе 4.

5. Опробование рациональных режимов вторичного охлаждение непрерывнолитых слябов в промышленных условиях.

Выводы по главе 5.

В последние годы в связи с переходом к рыночной экономике перед отечественной металлургией остро встал вопрос повышения качества металлопродукции. Качество металлопродукции определяется многими факторами, действующими по всей технологической цепочке металлургического производства. К числу этих факторов несомненно относится режим охлаждения непрерывнолитых слябов в процессе их получения, который в производственных условиях задается расходом воды по форсуночным секциям зоны вторичного охлаждения. Режим вторичного охлаждения во многом определяет появление и развитие различных дефектов непрерывнолитых слитков, которые нередко сохраняются при последующих переделах и снижают качество металлопродукции.

Проблема совершенствования режима вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов существует и в кислородно-конвертерном цехе Магнитогорского металлургического комбината (ММК). По режиму вторичного охлаждения весь марочный сортамент кислородно-конвертерного цеха ММК делится, в основном, на три группы: сталь углеродистая, сталь низкоуглеродистая и сталь низколегированная. Технологическая инструкция по разливке стали задает расходы воды по форсуночным секциям для каждой группы марок стали в зависимости от двух факторов: ширины слябов и скорости вытягивания их из кристаллизатора. Установки технологической инструкции вводятся оператором в систему автоматического регулирования, которая затем поддерживает заданные расходы воды по форсуночным секциям, изменяя их при изменении скорости вытягивания.

Действующая технологическая инструкция по режиму вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов была разработана на основе рекомендаций завода-изготовителя машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в период пуска и освоения цеха. За время, прошедшее после пуска и освоения цеха, условия отливки слябов заметно изменились. В первую очередь, это проявилось в уменьшении количества форсуночных секции и их общей длины. Поэтому появилась необходимость совершенствования режимов вторичного охлаждения отливаемых слябов. Об этом, например, свидетельствует большая работа по улучшению режимов вторичного охлаждения слябов трубной стали, проведенная опытным путем, методом "проб и ошибок".

Наилучшей процедурой усовершенствования любого технологического процесса является оптимизация его параметров. Оптимизация всегда предполагает формирование критерия оптимальности, прямо отражающего цель усовершенствования. Основной целью совершенствования режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов является, как было замечено выше, повышение качества металлопродукции. Существующий уровень знаний не позволяет установить прямую и однозначную количественную связь между режимом вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов и качеством полученной из них металлопродукции. Следовательно, нельзя сформировать критерий оптимальности, однозначно связывающий качество металлопродукции с режимом вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов. Поэтому, строго говоря, можно ставить вопрос лишь о рационализации режимов вторичного охлаждения на основе некоторых промежуточных критериев, не являющихся конечной целью, а выступающих лишь в качестве параметров, косвенно отражающих конечную цель.

По-видимому, наилучшим показателем в таком смысле может быть температура поверхности отливаемого сляба. Температура поверхности однозначно определяет и интенсивность отвода скрытой теплоты кристаллизации от жидкого металла и возникновение термических напряжений в затвердевшей оболочке слитка, а следовательно, формирование его структуры и развитие различных дефектов. Однако температура поверхности существенно меняется по длине зоны вторичного охлаждения непрерывнолитого сляба, т.е. 6 температура поверхности непрерывнолитого сляба относится к так называемым распределенным параметрам, что существзино усложняет задачу совершенствования режимов вторичного охлаждения при непрерывной разливке стали.

Данное исследование направлено на совершенствование режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябов в условиях кислородно-конвертерного цеха Магнитогорского металлургического комбината. Однако при выполнении работы ставилась задача разработки общих подходов и методик, применимых для совершенствования режимов вторичного охлаждения и в других условиях, при других параметрах МНЛЗ, при другом марочном сортаменте разливаемого металла.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В качестве основного критерия при выборе рациональных расходов воды, подаваемой в форсуночные секции машины непрерывного литья заготовок, следует принимать распределение температуры поверхности слитков по длине зоны вторичного охлаждения.

2. Наименьшее количество дефектов непрерывнолитые заготовки и слябы будут иметь в том случае, если температура их поверхности по длине зоны вторичного охлаждения будет монотонно понижаться, причем скорость понижения температуры должна постепенно уменьшаться. После выхода слитка за пределы зоны вторичного охлаждения характер изменения температуры его поверхности не должен меняться.

3. Секционная конструкция форсуночной зоны вторичного охлаждения существующих машин непрерывного литья заготовок не позволяет в полной мере реализовать указанный выше рациональный температурный режим поверхности кристаллизующегося слитка. При входе слитка в каждую форсуночную секцию и при выходе его за пределы зоны вторичного охлаждения происходит некоторое повышение температуры поверхности слитка, что может привести к образованию трещин.

4. Разработанная методика расчета рационального распределения температуры поверхности слитка по длине зоны вторичного охлаждения и рациональных расходов воды по форсуночным секциям позволяет существенно улучшить макроструктуру металла.

5. Температура поверхности непрерывнолитого слитка на выходе из кристаллизатора меняется от 1050 до 1300 °С, в зависимости от скорости вытягивания и температуры разливки стали. Поэтому рациональные расходы воды, особенно в первых форсуночных секциях, должны определяться не только с учетом марки стали, размеров поперечного сечения слитка и скорости

111 вытягивания его из кристаллизатора, что предусмотрено действующими технологическими инструкциями, но и температуры разливаемого металла.

6. Реализация рациональных режимов охлаждения непрерывнолитых слитков, учитывающих влияние всех важных технологических параметров разливки, невозможна без оснащения МНЛЗ системами динамического управления расходами воды по форсуночным секциям, действующими с учетом информации о фактической температуре поверхности слитка.

7. При разработке новых и модернизации существующих машин непрерывного литья заготовок следует создавать участок "мягкого" охлаждения поверхности слитка сжатым воздухом или азотом, который должен быть расположен вслед за форсуночными секциями водяного или водовоз душного охлаждения.

1. Теория непрерывной разливки / Рутес B.C., Аскольдов В.И., Евтеев Д.П. и др. М.: Металлургия, 1971. - 296 с.

2. Лопотышкин Ü.M., Лейтес A.B. Трещины в стальных слитках. М.: Металлургия, 1969. - 112 с.

3. Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. -М.: Металлургия, 1974. 215 с.

4. Евтеев Д.П., Колыбалов H.H. / непрерывное литьё стали М.: Металлургия., 1984. 200 с.

5. Исследование затвердевания непрерывнолитого слитка при повышенных скоростях разливки / Урбанович Л.И., Емельянов В.А., Гиря А.П. и др. / Изв. Вузов 4M. 1976. №9. с. 54-56.

6. Влияние режима охлаждения на процесс затвердевания непрерывного слитка // Евтеев Д.П., Урбанович Л.И., Емельянов В.А. и др. II Сталь. 1977. №4-С. 314-317.

7. Математическое моделирование затвердевание непрерывного слитка / Урбанович Л. И., Емельянов В. А., Гиря А.П. и др. II ИФЖ. 1975. Т.29. №3.- С. 549-550.

8. Исследование охлаждения крупных слябов, отливаемых на вертикальных MHJ13 / Поживанов A.M., Горяйнов В.А., Дождиков В.И. и др.НСтшъ. 1970. № 9. С. 664-666.

9. Затвердевание и охлаждение непрерывного слитка / Урбанович Л.И., Емельянов В.А., Гиря А.П., и др. / Изв. Вузов. 4M. 1975. №7. С. 5658.

10. Теплообмен в зоне вторичного охлаждения криволинейных MHJI3 / Самойлович Ю. А., Колпаков С. В., Емельянов В. А. И др. II Изв. Вузов. 4M. 1980. №3.- С. 53-56.

11. Измерение температуры поверхности непрерывнолитых заготовок, отливаемых на УНРС криволинейного типа / Попов А.П., Ермаков

12. О.Н.у Дождиков В.И. и др. II Теплофизика стального слитка: Сб. науч. тр. АН СССР (Инст. Проблем литья). Киев: ИПЛ. 1980. - С. 150-153.

13. Колпаков С.В., Уманен В.И., Уразаев P.A. Непрерывное литье стали: Науч. тр./ЦНИИЧМ. М.: Металлургия. 1979. № 6. - С. 30-33.

14. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / Ю.А. Самойлович, С. А. Крулевецкий, В. А. Горяинов и др. М.: Металлургия, 1982.- 152 с.

15. Мирсалимов В.Н., Емельянов В.А. Прогрессивный способ получения стальных слитков: Сб. науч. тр. /АН Укр.ССР (инст. проблем литья).-Киев: ИПЛ, 1980.

16. Повышение эффективности процесса непрерывного литья стали / темат. отрас. сборник. М.: Металлургия. 1983. 87 с.

17. Гидродинамические особенности охлаждения непрерывного слитка при наличии поддерживающей системы / Ермаков О.М., Емельянов В. А., Фарафонов В.П. и др. // Изв. Вузов. 4M. 1984. №3 С. 106-110.

18. К выбору режима охлаждения листовых непрерывнолитых слитков/ Самойлович Ю.А., Кабаков З.К., Горяинов В.А. и др.// Изв. Вузов. 4M. 1977. №6.-С. 138-140.21 .Koichi О e a "Tetsu to hagane, J. Iron and Steel Institut Japan", 1982. V. 68. № 11. S. 986.

19. Бровман М.Я. Напряжения после кристаллизации // ИФЖ. 1963. Т.6. № 5.

20. Особенности образования и пути устранения внутренних трещин в непрерывном слябе/ Скребцов А.МВарзеков A.B., Кондратюк A.M. и др.П Металлургическая и горнорудная промышленность. 1977. № 2. -С. 12-14.

21. Lsao S., Mamoijuci I. " Tetsu to hagane J. Iron and Steel Institut Japan", 1974. V. 60. № U.S. 465.

22. Hidejuki Af" Tsutomoto N. , Jun-ichi M. " Tetsu to hagane J. Iron and Steel Institut Japan", 1978. V.18. № 6. S. 330-338.26. " Tetsu to hagane J. Iron and Steel Institut Japan", 1974. V. 60. № 11. S. 465.

23. Komma G., Vogt G. Design and operation aspekt in continuous casting of wide slabs/ /Iron and steel Engineerung. 1973. V.50. №6. P. 68-73.

24. Непрерывная разливка стали в сортовые заготовки / Рутес B.C., Гуглин H.H., ЕвтеевД.П. и др.- М.: Металлургия, 1967.-144 с.

25. Непрерывная разливка стали на радиальных установках/ Сладкоштеее В.Т., Потанин Р.В., Рутес B.C. и др.- М.: Металлургия, 1974.-286 с.

26. Кобаков 3.K., Горяинов B.A., Подорванов А.Г. Исследование условий теплообмена в зоне вторичного охлаждения УНРС // Изв. Вузов. 4M. 1977. № 11.-С. 184-187.

27. Фульмахт В. В., Ткачев П.Н., Сливчанская В.В. Механизм образования паукообразных трещин на поверхности непрерывнолитых слябов // Сталь. 1973. № 9. С. 804-806.

28. Тихонов A.H., Самарский A.A. Уравнение математической физики. M., "Наука", 1972., 736 с.

29. Тихонов А.Н.у Швитковский Е.Г. "журнал технической физики", т. 17. 1947. вып.6. - С. 462.

30. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья. М., Металлургиздат, 1953.- 286 с.

31. Любое Б. Я., Борисов В. Т., Темкин Д. Е. ДАН СССР. 104. 2. 1955.-430 с.

32. Ферстер Г.- "Zeitschrift fur metallqunde", 1969, Bd 60, № 12, S. 904.4 \ .Демидович А.П. Численные методы анализа. M.: "Наука". 1963.400 с.

33. Непрерывная разливка стали на радиальных установках / Сладкоштеев В. Т., Потанин Р.В., Суладзе О.Н., и др.- М.: Металлургия , 1974. 288 с.

34. Теплопередача и затвердевания стали в установках непрерывной разливки / Скворцов A.A., Акименко А.Д. М.: Металлургия, 1966.190 с.44Милн Ц. Э. Численный анализ. М.: ИЛ. 1951. 3!5 с.

35. Краснов Б.И. Оптимальное управление режимами непрерывной разливки стали. М.: Металлургия, 1975. С.310.

36. ГрабарьЛ. П.- "Радиотехника и электроника", т. 14, 1967, С. 700.

37. Al.Борисов В.Т., Голиков H.H., Манохин AJÍ., Уразаев P.A.

38. Непрерывное литье стали: Науч. тр./ ЦНИИЧМ. М.: Металлургия,1974. №6.-С. 5-28.

39. Бровман М. Я., Сурин Е. В., Крулевецкий С. А. / Сталь №1 1965. С.22.25.

40. Освоение непрерывной разливки стали /А.Д. Акименко, К.П.

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

42. Соколов Л.А., Махонин А.И. Никитенко Н.И. / Сталь. №12. 1969. -С. 1092-1094.

43. Perkins A., Irving W. Iron and Steel Institute Conference. London,1975, Proceeding, p. i 87-199, il.

44. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при пластической деформации. Справочник: М.: Машиностроение, 1971. 386 с.

45. Тутарова В.Д., Логунова О.С. Исследование температурного поля слитка, за пределами водо-воздушного охлаждения. // Сталь. 1998. №8.-С. 21-23.

46. Дождиков В.И., Фарафонов В.П., Гиря А.П. Исследование влияния основных технологических параметров на теплообмен в кристаллизаторе МНЛЗ//Совершенствование процессов непрерывной разливки стали: Сб. науч. тр. / Киев: ИПЛ АН УССР, 1985. С. 107110.

47. Нисковских В.М., Третьяков A.B., Хорее В.Н. и др. Отвод тепла составным кристаллизатором при непрерывной разливке стали // Металлургическое оборудование: Сб. науч. тр. / М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1969. № 19. С. 37-39.

48. Исследования тепловой работы кристаллизатора методом посекционного калориметрирования / Евтеев Д.П., Горяйнов В.А., Ермолаева Е.И .// Непрерывное литье стали: Темат. сб. науч. тр МЧМ СССР (ЦНИИчермет). М.: Металлургия, 1979. - С. 33-37.

49. Пюрингер О.М. Формирование непрерывнолитой заготовки на MHJI3 // Черные металлы. Пер. с нем. 1976. - № 6. - С. 3-8.69 .Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья заготовок М.: Металлургия, 1991. 270 с.

50. Евтеев Д.П., Соколов Л.А., Лебедев В.И. О выборе граничных условий при расчетах затвердевания слитка // Сталь. 1975. №1. С. 32-34.

51. Определение рациональных режимов охлаждения непрерывного слитка с помощью математической модели / Урбанович Л.И., Емельянов В.А., Гиря А.П. и др. // ИФЖ. 1976. Т.30 №6. С. 11311132.

52. Определение рациональных режимов охлаждения непрерывнолитых заготовок / Урбанович Л.И., Ермолаева Е.И., Емельянов В.А. и др. // Бюлл. науч. технич. инф. 4M. 1976. №7. С. 37-38.

53. Смирнов Г.В., Ганкин В.Б. Труды ВНИИМЕТМАШ. М.: Машиностроение, 1975. № 4. - С. 38-45.1 в.Иванов Г.П., Афанасьева К.И., Селькин Г.С. Исследование теплообмена слитка и изложницы / Теплотехника слитка и печей // М.: Мсталлургиздат. 1953. - С. 7-59.

54. Разработка и внедрение рациональных режимов охлаждения при разливке высокопрочных трубных сталей на криволинейных MHJI3 / Горяинов В.А., Урбанович Л.И., Емельянов В.А. и др. // Бюлл. науч.-техн. инф.ЧМ. 1979. №18. С. 34-36.

55. Механические свойства и характер деформации непрерывнолитой стали 17Г2АФ и 17ГС при высоких температурах / Скок Ю.Я., Ефимов В.А., Лебедев В.И. и ^./Непрерывное литье стали: Темат. отрасл. сб. М.: Металлургия, 1981. С. 76-79.

56. Пальмерс А., Этьен А., Миньон Ж. Расчет механических и термических напряжений в непрерывнолитой заготовке.//Черные металлы. 1979. № 19.-С. 3-11.

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

58. Лебедев В.И., Евтеев Д.П., Битков В.Н. Переходный режим вторичного охлаждения непрерывных слитков в нестационарных условиях разливки. // Сталь. 1980. № 4. С. 283-285.

59. Методика расчета режима вторичного охлаждения непрерывнолитых слитков / Лебедев В.И., Паршин В.М., Евтеев Д.П. и др. II Сталь. 1982. №3.-С. 26-28.

60. Исследование затвердевания непрерывного слитка с помощью математической модели при учете локальной неравномерности охлаждения / Урбанович Л.И., Емельянов В.А., Гиря А.П. и др.ШЛъв. Вузов. Черн. Мет-я. 1978. №3 С. 50-53.

61. Исследование непрерывной разливки стали Под ред. Дж. Б. Лина. -М.: Металлургия, 1982.- 200 с.

62. Отработка режимов вторичного охлаждения на УНРС новолипецкого металлургического завода/Колпаков C.B., Евпгеев Д.П., Уманец В.И. и dp. II Непрерывная разливка стали: Темат. сб. науч. тр. МЧМ СССР (ЦНИИчермет). М.: Металлургия, 1977. № 4. С. 58-64.

63. Непрерывное литье стали / Тр, межд. конф. пер. с английс. М.: Металлургия, 1982.- 482 с.

64. Определение температуры поверхности непрерывнолитой заготовки для управления режимом ее охлаждения / Иванов A.A., Капитанов B.C., Смирнов B.C. и др.11 Сталь. 1969. №12. С.1092-1094.

65. Химич; Г.Л., Нисковских В.М., Гельфейбн Е.Ю. К определению основных параметров MHJI3 криволинейного типа // Проблемы стального слитка: Науч. тр./ ИПЛ АН УССР. М.: Металлургия, 1976. №6.-С. 415-419.

66. Расчет продолжительности переходных режимов вторичного охлаждения слитков при разливке на MHJI3 / Лебедев В.И., Евтеев Д.П., Колпаков C.B. и др. II Сталь. 1979. № 4. С. 262-264.

67. Самойлович Ю.А., Лузина З.И., Горяинов В.А. и др. Анализ конструктивных и режимных параметров УНРС с контактным вторичным охлаждением // Металлургическое оборудование: Сб. науч. тр. ! М.: НИИИНФОРМТЯЖМАЖ, 1972. № 5. •• С. 14-17.

68. Забильский В.В., Лебедев В.И. Влияние циклических режимов вторичного охлаждения на механические свойства непрерывнолитых слитков.// Сталь. 1990. № 7. С. 36-40.

69. Краснов Б.И., Евтеев Д.П. Оптимизация режимов кристаллизации слитка на машинах непрерывного литья заготовок // Сталь. 1974. № 10.-С 897-900.

70. Выбор оптимального изменения температуры поверхности слитков при непрерывном литье / Масальский С.С., Селиванов В.Н., Буданов Б.А., Столяров A.M., Дертунов Д.А.// Литейные процессы: Межрег. сб. науч. тр.- Магнитогорск: Изд. МГТУ, 2000,- С. 164-169.

71. Масальский С.С., Селиванов В.Н. Оптимизация вторичного охлаждение кепрерывнолитых слитков / Изв. вузов Черн. Мет-я. 2000. № 1. С.57

72. Ю4.Тепловые процессы при непрерывном литье / под. ред. Самойловича Ю.А. М.: Металлургия, 1982.-152 с.

73. Сасаки К. Тэцу то хаганэ,1979. т. 65. № 1. С. 90-96.

74. Самойлович Ю.А. Системный анализ кристаллизации слитка. -Киев; Наукова думка, 1983. 248 е.107,Прогнозирование качества непрерывнолитого слитка / Евтеев Д.П., Шейнфельд И.И., Кузнецов Б.Г. и др. II Сталь. 1985. № 8. С. 29-30.