автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Усовершенствование технологии и параметров перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНЛЗ

Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет»

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАМЕТРОВ

ПЕРЕЛИВА СТАЛИ ИЗ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША В

-У-

КРИСТАЛЛИЗАТОР ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СОРТОВОЙ МНЛЗ Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов" АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук

ШТЕПАН ЕВГЕНИЙ ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.746.5

Донецк-2007

003175196

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Государственном высшем учебном заведении «Донецкий национальный технический университет», Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

СМИРНОВ Алексей Николаевич, Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», (г. Донецк), заведующий кафедрой «Металлургия стали».

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ДЮДКИН Дмитрий Александрович, ОАО «Завод «Универсальное оборудование» (г Донецк), заместитель директора по новой технике и технологии;

доктор технических наук, профессор МАКУРОВ Сергей Леонидович, Приазовский государственный технический университет (г Мариуполь), профессор кафедры «Теория металлургических процессов»

Защита состоится "25"октября 2007 г в 12 часов на заседании специализированного ученого совета Д 11 052 01 Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет» по адресу 83000, г Донецк, ул Артема, 58,1 уч корпус, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет» по адресу 83000, г Донецк, ул Артема, 58, II уч корпус

Автореферат разослан « 34 » сентября 2007 р

Учений секретарь

специализированного ученого совета Д11 052 01 д т.н , проф.

А В Яковченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшими проблемами производства сортовой заготовки в современных условиях являются повышение качества, снижение энергоемкости производства и себестоимости готовой продукции В связи с этим, исследования, направленные на обеспечение усовершенствования процессов перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор, что оказывает решающее влияние на стабильность процессов литья, качество заготовки и производительность работы сортовой высокоскоростной МНЛЗ, заслуживают особого внимания

Решение вопросов, направленных на повышение качества и снижение стоимости заготовки, возможно за счет детального изучения организации и воздействия струи металла, проникающей в жидкую ванну кристаллизатора, на процессы кристаллизации заготовки Особую важность такие процессы получают при получении заготовки малого сечения с высокими скоростями, когда резко увеличивается негативное воздействие струи металла на процессы роста твердой корочки В связи с этим, решение важной научно-технической задачи по уменьшению негативного воздействия струи стали на качество продукции и стабильность процесса разливки в условиях отклонения струи от идеального положения позволит повысить показатели эксплуатации сортовых МНЛЗ и станет основой для создания эффективных отечественных агрегатов для получения сортовой продукции Выполненные в диссертации исследования направлены на решение поставленной задачи, что свидетельствует об актуальности темы.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Вопросы и проблемы, рассмотренные в диссертационной работе, соответствуют Государственной программе развития горно-металлургического комплекса Украины до 2100 года и Государственной программе энергосбережения Выполнение диссертации связано с планами научно-исследовательских работ Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет» (ДонНТУ). Основу диссертации составляют результаты научно-исследовательской работы, выполняемой при активном участии автора с 2002 по 2004 годы, (Д-4-03 «Развитие научных основ диагностики формирования макро- и микродефектов непрерывнолитой заготовки с целью повышения ее конкурентоспособности» № госрегистрации ДР 0103Г001425) Данная работа выполнялась при непосредственном участии соискателя в качестве исполнителя

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и усовершенствование технологии и параметров процесса перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор

высокоскоростной сортовой МНЛЗ, которые позволят повысить качество заготовок и условия их формирования

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие основные задачи

•изучить условия гидродинамики стали в промежуточном ковше, которые определяют процесс формирования струи металла, проникающей в жидкую ванну кристаллизатора,

•изучить влияние организации струи на участке «промежуточный ковш - кристаллизатор» на ее параметры,

•установить характер влияния струи стали на процессы кристаллизации заготовки и ее качество,

•разработать рекомендации, направленные на рациональную организацию перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор;

•разработать рекомендации, направленные на снижение негативного воздействия струи металла на процессы кристаллизации заготовки и ее качество

Объект исследования Процессы перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор, их влияние на качество заготовки и процессы стабильности разливки

Предмет исследования Гидродинамические и теплофизические аспекты формирования струи стали, проникающей в кристаллизатор МНЛЗ и ее воздействия на кристаллизацию заготовки

Методы исследования При выполнении работы использованы известные методы исследования физическое моделирование процессов перелива металла из промковша в кристаллизатор и кристаллизации заготовки, математическое моделирование процессов кристаллизации заготовки, методы получения заготовки на МНЛЗ, а также применялись методы математической статистики для обработки результатов эксперимента Научная новизна полученных результатов

1 Впервые установлено, что при вдувании аргона через стопор-моноблок промковша достигается уменьшение глубины проникновения струи металла в ванну кристаллизатора в 1,5-2,0 раза Максимальный эффект достигается при расходах аргона на уровне 1,5-2 л/мин При увеличении расхода глубина проникновения струи возрастает, что сопровождается повышением степени бурления мениска и, как следствие, загрязненности стали неметаллическими включениями

2 Впервые установлено, что вихревая воронка, формирующаяся в промковше при уровне налива металла 300-400 мм, сохраняется при дальнейшем повышении уровня металла вплоть до 600-700 м и существует в течение 5-8 мин, что способствует захвату теплоизоляционной смеси и зарастанию внутренней полости стакана-дозатора

3 Получили дальнейшее развитие представления относительно, процесса воздействия струи металла на неравномерность кристаллизации сортовой заготовки, которые свидетельствуют, что увеличение угла наклона струи, входящей в ванну кристаллизатора, свыше 3 градусов, и смещение места ввода струи металла на 6% относительно оси кристаллизатора приводит к уменьшению толщины корочки на выходе из кристаллизатора на 5-8%, что приводит к нарушению формы заготовки, образованию трещин и прорывов

Практическое значение полученных результатов. Практическое значение имеют предложенные режимы и рекомендации по организации перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНЛЗ, как непосредственно во время разливки, так и при пере-ковшовках, позволяющие увеличить стойкость стаканов-дозаторов, а соответственно и серийность разливки В результате внедрения на МНЛЗ №2 ОАО «Днепровский металлургический комбинат им Ф Э Дзержинского» предложенных в диссертационной работе рекомендаций по ограничению падения уровня металла в промежуточном ковше в процессе перековшовки не менее 400 мм было увеличено количество разливаемых плавок в серии в среднем на 1,12 плавки

Кроме этого, предложены расходы вдуваемого в струю стали через полый стопор-моноблок аргона на уровне 1,5-2,0 л/мин, которые в условиях МНЛЗ №2 ОАО «Днепровский металлургический комбинат им Ф Э Дзержинского» позволили повысить выход годного на 0,03%, вследствие снижения неравномерности кристаллизации заготовки, возникновения трещин, изменения профиля заготовки и уменьшения числа прорывов.

Рекомендации по повышению стабильности процесса непрерывной разливки использованы АО «Новокраматорский машиностроительный завод» при создании базового проекта сортовой шестиручьевой МНЛЗ

Личный вклад соискателя. Основные результаты работы получены автором самостоятельно В научных работах, опубликованных по теме диссертации в соавторстве, непосредственно автором выполнено физическое моделирование процессов, происходящих при непрерывной разливке, получены результаты исследования процесса кристаллизации заготовки с использованием созданной математической модели затвердевания заготовки. Конкретный личный вклад соискателя в этих работах дан в виде кратких аннотаций после указания их номеров в списке опубликованных работ по теме диссертации

Апробация результатов диссертации. Основные научные положения и результаты диссертации обсуждались на «2-й Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов» (г Донецк, 25-26 апреля 2002 г), 1-й международной научно-технической конференции «Прогрессив-

ные теунологии непрерывной разливки стали XXI век» (г Донецк, 28-30 мая 2002 г), «II International Conference on Continuous Casting of Steel» (Krynica, Poland, Jane 16-18, 2004), международной научной конференции «Современные проблемы теории и практики производства качественной стали» (г Мариуполь, 8-10 сентября 2004г), 2-й международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в металлургии стали XXI век» (гДонецк, 21-23 сентября 2004 г), Восьмом конгрессе сталеплавильщиков (г Нижний Тагил, 18-22 октября 2004г), 3-й международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в металлургии стали XXI век» (г Донецк, 31 октября -2 ноября 2006 г)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 научных трудах, в том числе в 5 статьях научных журналов, 3 статьях сборников научных трудов и 1 патенте Украины на изобретение Из них 8 статей опубликованы в специализированных научных изданиях, включенных в перечень ВАК Украины

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников из 100 наименований и 3 приложений Полный объем диссертации - 172 страниц, общий объем -130 страниц В разделах диссертации 65 рисунков (в том числе 7 на отдельных страницах) и 15 таблиц (в том числе 8 на отдельных страницах)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел «Анализ современных условий производства и требований к качеству сортовой заготовки». На основании обзора научно-технической литературы проведен анализ современных способов получения сортовой заготовки, а также оценка качества заготовки в зависимости от способов производства, рассмотрены проблемы и перспективы получения сортовой заготовки на высокоскоростных MHJI3 В результате проведенного анализа способов получения длинномерной продукции показано, что получение сортовой заготовки в Украине в настоящее время ведется методом переката из слитков и на машинах непрерывного литья заготовки Причем последний метод, обладая несомненными преимуществами, получает все большее распространение

Наряду с этим, отмечена получившая распространение в последние годы тенденция производства непрерывнолитой сортовой заготовки с высокими скоростями разливки (более 3 м/мин) и связанные с этим технологические трудности в обеспечении качества заготовки и стабильности процесса разливки, которые заключаются в негативном воздействии струи металла, проникающего в кристаллизатор, на процессы формирования корочки заготовки

Обоснованы актуальность, определены цель и задачи исследования.

Второй раздел «Исследование процесса перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор с применением методов физического моделирования». Выполнено описание созданной на основании теории подобия физической модели (рис. 1), предназначенной для изучения гидродинамических процессов перелива металла из промковша в кристаллизатор, а также процессов формирования твердой корочки заготовки в кристаллизаторе.

ю

Рис. 1. Схема лабораторной установки для изучения гидродинамики потоков

расплава в полости кристаллизатора криволинейной МНЛЗ: 1-резервуар; 2-опорные колонны; 3-прозрачная модель промежуточного ковша; 4-прозрачная модель кристаллизатора; 5-стакан-дозатор; 6-стопор-моноблок; 7-компрессор; 8-ресивер; 9-ротаметр; 10-насос; 11-устройство синхронизации напоров жидкости; 12-устройство визуализации и измерения

скоростей потоков

С использованием физической модели выполнены исследования процесса формирования струи металла, истекающей из промежуточного ковша в кристаллизатор, на основании которых сделан вывод о влиянии на характеристики струи следующих факторов: изменение внутреннего диаметра стака-

на-дозатора, вызывающее отклонение струи от вертикальной оси и разбрызгивание металла; образование вихревой воронки, способствующее закручиванию потока стали, истекающей из стакана-дозатора в кристаллизатор.

На основании данных физического моделирования процессов вихре-образования в промежуточном ковше показано, что процесс возникновения воронки характеризуется следующими явлениями: вихревая воронка получает наибольшее развитие при бесстопорной разливке стали. С применением стопора практически не возникает развитой воронки, однако возможен износ головки стопора вследствие вращения вокруг него потоков стали.

По данным физического моделирования возникновение вихревой воронки и затягивание шлаковых частиц начинается уже при значении напора жидкости в промковше на уровне 300-400 мм.

При возникновении вихревой воронки в промковше возможно прекращении серийной разливки вследствие изменения диаметра канала стакана-дозатора, нарушения сплошности струи («образование веера») и снижаются показатели качества непрерывнолитой сортовой заготовки вследствие развития вторичного окисления и затягивания шлаковых частиц в полость кристаллизатора.

При «перековшовках» с увеличением уровня металла в промковше устойчивая вихревая воронка сохраняется до значения напора жидкости 450480 мм, а при наличии закручивающих потоков в промковше, и до 520-550 мм. Закручивание жидкости вокруг оси стакана-дозатора и затягивание частиц покровного шлака и пузырьков воздуха струей жидкости имеет место при значении напора жидкости в промковше равном 600-700 мм. Так как эти значения напора сопоставимы с высотой налива металла в промковше при устойчивой работе МНЛЗ, то подобные процессы могут являться причиной попадания частиц покровного шлака в полость стакана-дозатора, что приводит к его зарастанию (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Состояние внутренней поверхности стакана-дозатора: а - новый стакан-дозатор; б— заросший стакан-дозатор.

Также выполнено моделирование процесса истечения металла из стакана-дозатора при его зарастании, в результате чего отмечено, что на характеристики струи значительно воздействие оказывает место образования настыля При месте размещения настыля в нижней части стакана-дозатора угол наклона истекающей из него струи увеличивается примерно в 2 раза и составляет около 6 градусов Поведение струи также зависит от формы образовавшегося настыля остроконечные включения не только изменяют характеристики потока, но и приводят к закручиванию струи Величина уровня металла в промежуточном ковше вследствие изменения гидростатического напора также оказывает воздействие на параметры струи - наиболее благоприятные условия истечения наблюдаются при уровне моделирующей жидкости равном 700 мм и более При падении уровня характеристики струи ухудшаются

Третий раздел «Исследование процесса формирования непре-рывнолитой заготовки в кристаллизаторе сортовой МШГЗ». Проведены исследовалия факторов, влияющих на процессы кристаллизации сортовой заготовки Отмечено, что для условий получения сортовой заготовки на высокоскоростной радиальной МНЛЗ особое внимание следует уделять воздействию струи на корочку затвердевшего металла

В ходе экспериментов с помощью физической модели исследовали влияние на характер формирования твердой корочки следующих параметров.

-смещение струи, попадающей из промковша в кристаллизатор, относительно вертикальной оси симметрии,

-изменение угла наклона струи, попадающей из промковша в кристаллизатор, относительно вертикали,

-изменение скорости движения и сечения струи, -условий перемешивания металла в кристаллизаторе при разливке открытой струей и с погружным стаканом

Отмечено, что основными факторами, влияющими на неравномерный рост твердой корочки заготовки в кристаллизаторе, является отклонение струи от вертикальной оси симметрии, обусловленное смещением стакана-дозатора В ходе физического моделирования установлены критические параметры смещения и наклона струи, равные 10 мм и 3° соответственно

Показано, что более благоприятные условия с точки зрения гидродинамики жидкой ванны создаются при разливке закрытой струей с помощью погружного стакана. При этом эффект «торможения» струи металла в кристаллизаторе достигается при вдувании в нее 1,5-2,0 л/мин газа Снижение или увеличение расхода вдуваемого в струю стали газа приводит к увеличению глубины проникновения струи металла в ванну кристаллизатора (рис 3) Эффект торможения струи металла в кристаллизаторе, при вдувании в нее аргона, изучался на физической модели для разливки открытой и за-

крытой струей. Результаты исследований позволили выделить четыре основных режима течения водо-воздушной смеси во внутренней полости модели стакана-дозатора (рис. 4), наличие которых во многом зависит от расхода вдуваемого воздуха и диаметра стакана-дозатора.

Для каждого из режимов характерным признаком является размер пузырька газа, перемещающегося в струе жидкости (рис. 5).

а) б) в)

Рис.3. Распределение потоков моделирующей жидкости в кристаллизаторе криволинейной МНЛЗ при различных расходах вдуваемого воздуха: а) - 2 л/мин; б) - 5 л/мин; в) - 0 л/мин

Рис. 4. Схематичное изображение поведения пузырьков газа в полости

стакана-дозатора

а

£ б

Я" 5 § 5

§ 4

А

е- з

>>

с 2 ^

3 1

чо

Режим 1

Режим 2

Режим 3

в

г *

*

Режим 4

Расход воздуха, л/мин

Рис. 5. Графическая зависимость диаметра пузырька воздуха, проникающего в кристаллизатор от расхода воздуха при различных диаметрах внутренней полости стакана-дозатора: ♦ диаметр стакана-дозатора -16мм; ■ - диаметр стакана-дозатора - 18 мм; ▲ - диаметр стакана-дозатора

20мм

Поскольку торможение проникающей в кристаллизатор газожидкостной струи во многом зависит от диаметра пузырьков, и, как следствие, от подъемной силы, противодействующей силе тяжести, с использованием зависимости 1 были рассчитаны скорости пузырей с различным диаметром (рис. 6).

где Уп - скорость подъема пузыря, м/с; Б „- диаметр пузыря, м; р ж- плотность жидкости, кг/м3; р г- плотность газа, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; К - коэффициент, зависящий от режима течения

Расчеты подтвердили выводы физического моделирования о наличии оптимума расхода газа, вдуваемого в струю стали для уменьшения глубины проникновения ее в кристаллизатор.

Рис. 6. Графическая зависимость скорости подъема пузыря воздуха от его

диаметра

На основании данных, полученных с помощью физического моделирования создана математическая модель кристаллизации сортовой заготовки, позволяющая учесть влияние гидродинамики расплава на процесс затвердевания. Теоретическая основа модели - стандартные уравнения теории тепло-переноса, базирующиеся на фундаментальных законах термодинамики сплошных сред и физики неравновесных процессов.

Процессы теплопереноса в затвердевающей непрерывнолитой заготовке описываются уравнением, отражающим энергетический баланс в системе:

дт „ дт т_ дт т_ дТ , рС{ — + УХ — +У— + к— ) = дт дх ду дг

дх I дх

ду\ ду) дг\ дг) дг

(2)

где

Т - температура, К; т - время, с;

х,у,г — пространственные координаты, м;

Ух,Уу,Уг - компоненты скорости, м/с (отличны от нуля только в области жидкой фазы); р - плотность стали, кг/мЗ; С - удельная теплоемкость стали; Дж/(кг-К); X - теплопроводность стали, ДжУ(м-К-с); Ь - удельная теплота кристаллизации, Дж/кг; - доля твердой фазы.

Так как объединение математической модели кристаллизации заготовки и гидродинамики струи стали, проникающей в кристаллизатор, представляет значительные трудности, то учет влияния струи на затвердевание заготовки обеспечивали следующим образом На физической модели определяли параметры гидродинамики струи в полости кристаллизатора для случаев разливки с вдуванием аргона с различными расходами и без вдувания аргона В математической модели кристаллизатор делили на коаксиальные области (до 10 областей), для каждой из которых существовала возможность изменения величины коэффициента теплопередачи X, а также на горизонтальные слои Путем изменения коэффициента теплопередачи имитировали процессы влияния струи стали, проникающей в кристаллизатор из промков-ша, на корочку затвердевшей заготовки

Исследование процесса влияния струи стали на корочку затвердевшей заготовки показало необходимость снижения глубины проникновения струи в кристаллизатор, так как при отсутствии этих мероприятий толщина корочки на выходе из кристаллизатора уменьшается на 5-8%

Кроме того, указано, что для обеспечения благоприятных условий кристаллизации заготовки следует контролировать точность центрирования струи металла относительно оси кристаллизатора. Рекомендуется не допускать отклонения струи от вертикальной оси более, чем на 3°, и смещения места ввода струи к одной из стенок более, чем на 5-6% ширины кристаллизатора

Четвертый раздел «Опытно-промышленные исследования процесса перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор МНЛЗ». Изучение процесса перемещения металла из промежуточного ковша в кристаллизатор было осуществлено на базе современной блюмовой шести-ручьевой МНЛЗ №2 ОАО «Днепровский металлургический комбинат» с возможностью одновременного получения блюмовой (335x400) и сортовой заготовки (160x160) Целью исследования являлось увеличение серийности разливаемых на МНЛЗ плавок за счет повышения срока службы стакана-дозатора промковша

Было исследовано влияние высоты налива металла в промковше на стойкость стакана-дозатора При этом на протяжении всего времени разливки уровень налива металла в промковше выдерживали для разных плавок равным 400, 500, 600 и 700 мм, а также разлили плавку, по ходу которой три раза снижали уровень металла с «рабочего» - 700 мм до 300 мм выдерживали в течение 5 мин, а затем повышали до «рабочего» Этим достигалась имитация процесса смены разливочного ковша - т.н «перековшовка»

Для оценки изменения рабочего сечения стакана-дозатора использовали коэффициент зарастания

К.з = (Бнач - БконУт, (3)

где Бнач и Бкон - площадь поперечного сечения канала стакана-дозатора до и после разливки, мм2; т - время разливки, мин.

Проведенные исследования, результаты которых представлены в таблице 1, свидетельствуют о несомненном влиянии уровня налива металла в промежуточном ковше на характеристики стойкости стакана-дозатора Причем снижение уровня металла в промковше до 400 мм приводит к увеличению внутреннего диаметра стакана-дозатора на 4,9%, что не обеспечивает стабильности процесса разливки, особенно при разливке методом «плавка на плавку» В случае понижения уровня металла в промковше по ходу разливки с 700 до 300 мм (имитация перековшовки) внутренний диаметр стакана-дозатора увеличивается на 3,6% (при разливке с уровнем налива металла в промковше 700 мм это показатель составляет 0,9%), вызывая веерение струи (рис 4 4), что подтвердило правильность вывода, сделанного в разделе 2, о влиянии процесса перековшовки на стойкость стаканов-дозаторов и стабильность процесса разливки

Таблица 1

Характеристики стойкости стакана-дозатора при разных уровнях металла в

промковше

Марка стали Уровень металла в промковше, мм Длительность разливки, мин Зарастание стакана, мм Коэффициент зарастания, хЮ2

20 тр 400 105 25,17 1,11

20 тр 500 102 24,70 0,68

20 тр 600 94 24,31 0,32

20 тр 700 96 24,21 0,21

20 тр 700-300 98 24,86 0,87

Оценку влияния расхода вдуваемого в струю стали аргона на качество сортовой заготовки выполняли методом замера твердой корочки «чулков», полученных при разливке (внешний вид такого «чулка» приведен на рис 7, а результаты замеров толщины твердой корочки при отсутствии вдувания аргона и величине расхода аргона -1,5 л/мин приведены на рис 8)

Рис. 7. Внешний вид «чулка»

Г — -

20 30 40 50 60 70

Расстояние от мениска, см

■аХ

си

--70е 1 г —

—

20 30 40 50 ВО 70

расстояние от мениска, см

б)

Рис. 8. Динамика нарастания корочки по двум противоположным граням заготовки из стали 20тр при отсутствии вдувания аргона - (а); и расходе аргона 1,5 л/мин - (б)

В результате выданных по итогам проведенных исследований рекомендаций по оптимизации расходов аргона и по оптимизации уровня металла в промковше стойкость стаканов-дозаторов на двух сортовых ручьях увеличилась на 8% или более чем на 1 плавку, а выход годного на двух сортовых ручьях увеличился на 0,03%

Фактический экономический эффект в этом случае составил 63900

грн/год

ВЫВОДЫ

В диссертации решена актуальная научно-техническая задача по теоретическому обоснованию и усовершенствованию технологии и параметров процесса перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНДЗ, которые позволят повысить качество заготовок и условия их формирования

Основные научные и практические результаты работы

1 Выполнен анализ современных способов получения сортовой заготовки, а также оценка качества заготовки в зависимости от способов производства, рассмотрены проблемы и перспективы получения сортовой заготовки на высокоскоростных МНЛЗ В результате проведенного анализа способов получения длинномерной продукции показано, что получение сортовой заготовки в Украине в настоящее время ведется методом переката из слитков и на машинах непрерывного литья заготовки Причем последний метод, обладая несомненными преимуществами, получает все большее распространение.

Отмечена получившая распространение в последние годы тенденция производства непрерывнолитой заготовки с высокими скоростями разливки (более 3 м/мин) и связанные с этим технологические трудности в обеспечении качества заготовки

2 Создана физическая модель для изучения процессов перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор сортовой МНЛЗ, позволяющая исследовать гидродинамику потоков в промежуточном ковше и кристаллизаторе Отработана методика оптимизации процессов перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор

3.Впервые экспериментальными методами установлено, что вихревая воронка, формирующаяся в промковше при уровне налива металла 300400 мм, сохраняется при дальнейшем повышении уровня металла вплоть до 600-700 м и существует в течение 5-8 мин, что способствует захвату теплоизоляционной смеси и зарастанию внутренней полости стакана-дозатора С целью избегания образования вихревой воронки рекомендовано не понижать уровень металла в промковше при перековшовках ниже 500 мм и оптимизи-

ровать потоки металла, исключив их воздействие, способствующее образованию воронок

4 Предложено объяснение механизма зарастания цирконового стакана-дозатора, нейтрального к химическому затягиванию Показано, что механизм физического зарастания связан с проникновением в полость стакана-дозатора холодного воздуха и шлаковых частиц, что может являться следствием образования вихревой воронки

5 С помощью методов физического и математического моделирования исследован процесс влияния струи стали на корочку затвердевающей в кристаллизаторе заготовки и установлено, что увеличение угла наклона струи, входящей в ванну кристаллизатора, свыше 3 градусов, и смещение места ввода струи металла на 6% относительно оси кристаллизатора приводит к уменьшению толщины корочки на выходе из кристаллизатора на 5-8%, что приводит к нарушению геометрической формы заготовки, образованию трещин и прорывов

б.Впервые экспериментальными и расчетными методами установлено, что при вдувании аргона через стопор-моноблок промковша достигается уменьшение глубины проникновения струи металла в ванну кристаллизатора в 1,5-2,0 раза Максимальный эффект достигается при расходах аргона на уровне 1,5-2,0 л/мин При увеличении расхода глубина проникновения струи возрастает, что сопровождается повышением степени бурления мениска и, как следствие, загрязненности стали неметаллическими включениями

7 Показано, что наличие оптимального расхода аргона, вдуваемого через стопор-моноболок, связано с диаметром пузырьков, проникающих в кристаллизатор и связанной с ним подъемной силой, противодействующей проникновению струи металла в ванну кристаллизатора

8 Рекомендации по оптимизации процессов перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНЛЗ использованы при производстве заготовки сечением 160x160 мм в условиях шестиручьевой МНЛЗ №2 ОАО «Днепровский металлургический комбинат им Ф Э Дзержинского» с возможностью одновременного получения блюмо-вой (335x400) и сортовой заготовки (160x160), а также при создании базового проекта высокоскоростной МНЛЗ ОАО «Новокраматорский машиностроительный завод»

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Еронько С П, Штепан Е В , Зуб В В Физическое моделирование процессов перемешивания металла в кристаллизаторе МНЛЗ // Металлургическая и горнорудная промышленность - 2002.- №10 - С 92-94

2 Влияние условий разливки на характер затвердевания непрерывной сортовой заготовки /АН Смирнов, Е В Штепан, С П.Еронько, А Ю Цупрун // Науков1 пращ ДонНТУ Серш Металургш - Донецьк ДонНТУ, 2004 - Вип 73 - С 47-53.

3 К вопросу изменения рабочего диаметра стакана-дозатора при непрерывной разливке стали / АН Смирнов, Е.В Штепан, И А.Орлов, Е Ю Жибоедов // Науков1 пращ ДонНТУ Серш Хшш 1 хшина технолопя -Донецк ДонНТУ, 2004 - Вип 77 - С. 43-49

4.Исследование условий стабильности функционирования системы дозирования стали в промковше МНЛЗ / СП Еронько, И А Орлов, Д А Яковлев, Е В Штепан, А В Сидоров // Металлургическая и горнорудная промышленность - 2004 - №8 - С 126-129

5 Технологическое развитие параметров высокоскоростной разливки стали на сортовых МНЛЗ /АН Смирнов, Е В Штепан, Г И Касьян, А Я Минц // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2004 - №8 - С 140143

6 Некоторые особенности развития вихреобразных потоков при истечении металла из промковша / ГАРедько, АН.Смирнов, Е.ВЛЦтепан, Е.Ю Жибоедов // Металлургическая и горнорудная промышленность - 2004.-№8-С 180-183

7 Процессы воздействия инжекции аргона в струю стали на качество непрерывнолитой сортовой заготовки /ЕВ Штепан, Г.А Редько, В Е Ухин,

А В Науменко, Е Ю Жибоедов // Науков1 пращ ДонНТУ Серш Металургш -Донецьк ДонНТУ, 2005 - Вип 102-С 56-62

8 Особенности автоматической системы стопорной розливки стали для сортовой МНЛЗ /АН Минтус, А Ю Цупрун, Д А Денисенко, Е В Штепан // Металл и литье Украины - 2006 - №1 - С 69-73

9 Патент на винахщ №74507 МКВ М22Б41/56 Пристрш для замши стакана-дозатора промшного ковша машини безперервного лиття заготовок / С П еронько, О М Смфнов, Цупрун О Ю , Штепан С В , Бшобров Ю М, Сусь Ю В , Плугатарь В С , Т1унов В М - Опубл 15 12 2005 Бюл №12

10 Технологическое развитие параметров высокоскоростной разливки стали на сортовых МНЛЗ / А Н.Смирнов, Г И Касьян, А .Я Минц, Е В Штепан // Труды восьмого конгресса сталеплавильщиков (г Нижний Тагил, 18-22 октября 2004г) - Москва, 2005 -С 484-491

11 Штепан Е.В., Ухин В.Е., Жибоедов Е.Ю. Физическое моделирование процессов затвердевания сортовой заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ // 36 трудш 3-1 м!жнародно1 науково-практично1 конференцп «Прогресивш технологи у металургп стал1 XXI сторшчя» - Донецьк ОАО «Норд Пресс», 2005 - С 384-388

12.Штепан ЕВ., Науменко А В , Ухин В Е. Исследование процессов воронкообразования при переливе металла из промковша в кристаллизатор МНЛЗ // Металлургия и обработка металлов (выпуск 8) Материалы научно-технической конференции - Донецк ДонНТУ, 2005 - С 31-32

13 Modeling geometry behavior of billet mgots during solidification /Ye. Smirnov, A Smirnov, Ye Shtepan, M Grigonev, G Redko // II International Conference on continuous casting of steel Technology Modelling Defects of CCS ingots - Krynica, 2004 P 36-40

14 Смирнов A H , Штепан E В , Жибоедов E Ю Влияние условий разливки на характер затвердевания непрерывнолитой сортовой заготовки // Современные проблемы теории и практики производствакачественной стали Тезисы докладов Международной научной конференции - Мар1уполь ПГТУ, 2004 С 167-169

15 Штепан Е В , Абакумов Д В Усовершенствование системы подачи аргона через стопор-моноблок промежуточного ковша при разливке стали на МНЛЗ // Автоматизацш технолопчних об'ектт та процесш Пошук моло-дих Збфник наукових праць II Мшнародно1 науково-техн1чно1 конференцп асшрант1в та студентш в м Донецьку 25 - 26 квггня 2002р - Донецьк- ДонНТУ, 2002 С 299-301

Личный вклад соискателя в опубликованных в соавторстве работах:

[1] - Создана физическая модель для исследования процессов проникновения струи металла в кристаллизатор сортовой МНЛЗ Выполнено физическое моделирование процессов проникновения струи металла в кристаллизатор сортовой МНЛЗ Получены результаты по уменьшению глубины проникновения струи стали в жидкую ванну кристаллизатора при вдувании в нее 1,5-2,0 л/мин аргона [2] - Создана физическая модель для исследования процессов проникновения струи металла в кристаллизатор сортовой МНЛЗ Выполнено физическое моделирование процессов проникновения струи металла в кристаллизатор сортовой МНЛЗ и ее влияния на корочку заготовки [3] - Выполнены исследования механизма зарастания стакана-дозатора [4] -Создана модель промежуточного ковша МНЛЗ [5] - Выполнено физическое моделирование процесса воздействия струи металла, проникающей в кристаллизатор высокоскоростной МНЛЗ на формирование корочки заготовки [6] - С использованием созданной физической модели для изучения процессов переперелива металла из промковша в кристаллизатор исследованы процессы воронкообразования в промковше сортовой МНЛЗ, получены результаты относительно поведения вихревой воронки при увеличении уровня металла в промежуточном ковше [7] - Выполнены исследования по оптимизации расходов аргона, вдуваемого в струю стали через стопор-моноблок По-

лучены результаты относительно влияния параметров отклонения струи стали, проникающей в кристаллизатор на динамику затвердевания заготовки [8] - Исследование качества сортовой заготовки при разливке открытой и закрытой струей [10] - Выполнено физическое моделирование процесса воздействия струи металла, проникающей в кристаллизатор высокоскоростной МНЛЗ на формирование корочки заготовки [11] - Выполнены исследования процессов неравномерности затвердевания сортовой заготовки [12] - С использованием созданной физической модели для изучения процессов перелива металла из промковша в кристаллизатор исследованы процессы воронкооб-разования в промковше сортовой МНЛЗ [13] - Выполнено физическое моделирование процесса возникновения напряжений в корочке непрерывнолитой заготовки [14] - Выполнено физическое моделирование процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки [15] - Исследование процесса подачи аргона через стопор-моноблок промежуточного ковша при разливке стали на МНЛЗ

АНОТАЦ1Я

Штепан €вген В1кторович. Вдосконалення технологи 1 параметров переливу стал1 з промикного ковша в кристал!затор високошвидшс-ноУсортовоТМБЛЗ. - Рукопис.

Дисертацш на здобуття наукового ступеня кандидата техншних наук за спещальшстю 05 16.02 - Металурпя чорних металш - Державний вищий навчальний заклад «Донецький нацюнальний техшчний уншерситет», До-нецьк, 2007

Розроблено рекомендацп щодо вдосконалення технолога 1 парамет-рш процесу переливу стат з промшного ковша в кристашзатор сортово1 ви-сокошвидк1сно1 МБЛЗ.

Вирнпено актуальну науково-техншну задачу щодо теоретичного об-грунтування 1 вдосконалення технологи 1 параметрш процесу переливу стал1 з пром!жного ковша в кристал1затор сортово1 високошвидмсжн МБЛЗ, яю до-зволяють полшшити яюсть заготовок 1 умови 1х формування Для умов конвертерного цеху ВАТ «Дншровсысий металургшний комбшат ш Ф Е Дзержинського» виконаш й передан1 рекомендацп щодо пщтримання ршня металу в промшному ковш! в процеы перековшовки не менш 400 мм, що дозволило збшыпити кшьюсть плавок, що розливаються в серн в серед-ньому на 1,12 плавки, а також рекомендацп щодо пщтримання витрати аргону, який вдуваеться у струмшь стат кр1зь полий стопор-моноблок, на ртш 1,5-2,0 л/хв, що дозволило шдвищити вихщ годного на 0,03% Крш того, рекомендацп щодо оргашзацп переливу металу з пром!жного ковша в крис-

ташзатор використат АО «НКМЗ» при створент базового проекту сортово! МБЛЗ

Ключов1 слова безперервнолита заготовка, промхжний ковш, криста-лиатор, стакан-дозатор, вихрова воронка, струмшь

АННОТАЦИЯ

Штепан Евгений Викторович. Усовершенствование технологии и параметров перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНЛЗ. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05 16 02 - Металлургия черных металлов - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2007

Разработаны рекомендации относительно усовершенствования технологии и параметров процесса перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор сортовой высокоскоростной МНЛЗ

Решена актуальная научно-техническая задача по теоретическому обоснованию и усовершенствованию технологии и параметров процесса перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизатор высокоскоростной сортовой МНЛЗ, которые позволят повысить качество заготовок и условия их формирования

Создана физическая модель для изучения процессов перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор сортовой МНЛЗ, позволяющая исследовать гидродинамику потоков в промежуточном ковше и кристаллизаторе Отработана методика оптимизации процессов перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор

Показано, что вихревая воронка, формирующаяся в промковше при уровне налива металла 300-400 мм, сохраняется при дальнейшем повышении уровня металла вплоть до 600-700 м и существует в течение 5-8 мин, что способствует захвату теплоизоляционной смеси и зарастанию внутренней полости стакана-дозатора

Предложено объяснение механизма зарастания цирконового стакана-дозатора, нейтрального к химическому затягиванию Показано, что механизм физического зарастания связан с проникновением в полость стакана-дозатора холодного воздуха и шлаковых частиц, что может являться следствием образования вихревой воронки.

Для условий конвертерного цеха ОАО «Днепровский металлургический комбинат им Ф Э Дзержинского» выполнены и переданы рекомендации относительно поддержания уровня металла в промежуточном ковше в про-

цессе перековшовки не менее 400 мм, что позволило увеличить количество плавок, которые разливаются в серии, в среднем на 1,12 плавки

Отмечено, что при вдувании аргона через стопор-моноблок пром-ковша достигается уменьшение глубины проникновения струи металла в ванну кристаллизатора в 1,5-2,0 раза Максимальный эффект достигается при расходах аргона на уровне 1,5-2 л/мин При увеличении расхода глубина проникновения струи возрастает, что сопровождается повышением степени бурления мениска и, как следствие, загрязненности стали неметаллическими включениями

Показано, что наличие оптимального расхода аргона, вдуваемого через стопор-моноболок, связано с диаметром пузырьков, проникающих в кристаллизатор и связанной с ним подъемной силой, противодействующей проникновению струи металла в ванну кристаллизатора

Для условий конвертерного цеха ОАО «Днепровский металлургический комбинат им Ф Э Дзержинского» выполнены и переданы рекомендации относительно поддержания расхода аргона, который вдувается у струю стали через полый стопор-моноблок, на уровне 1,5-2,0 л/мин, что позволило повысить выход годного на 0,03% Наряду с этим, рекомендации относительно организации перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор использованы АО «НКМЗ» при создании базового проекта сортовой МНЛЗ

С помощью методов физического и математического моделирования исследован процесс влияния струи стали на корочку затвердевающей в кристаллизаторе заготовки и установлено, что увеличение угла наклона струи, входящей в ванну кристаллизатора, свыше 3 градусов, и смещение места ввода струи металла на 6% относительно оси кристаллизатора приводит к уменьшению толщины корочки на выходе из кристаллизатора на 5-8%, что приводит к нарушению геометрической формы заготовки, образованию трещин и прорывов.

Ключевые слова непрервнолитая заготовка, промежуточный ковш, кристаллизатор, стакан-дозатор, вихревая воронка, струя

ABSTRACT

Shtepan Eugeny Victorovich. Improvement of technology and Parameters of steel flowing from tundish in mold of high-speed billet CCM. -Manuscript.

Thesis for competition on a candidate degree in matenal science and engineering scientific on specialization in 05 16 02 - Metallurgy of ferrous metals. -State higher educational establishment «Donetsk National Technical Umversity», Donetsk, 2006

Recommendations in relation to the improvement of technology and parameters of process of steel flowing from tundish in mold of high quality highspeed billet CCM are developed

The actual scientific and technical task of improvement of technology and determination of parameters of process steel flowing from tundish m mold of high-speed billet CCM are developed is decided, which allow to improve quality of billet and condition of their forming For the terms of converter workshop of «Dnepr metallurgical works of F E Dzergmskogo» LTD are executed and passed to recommendation m relation to maintenance of level of metal in an tundish m the process of casting no less than 400 mm, that allowed to multiply the quantity of heats which spill in a series, on the average on a 1,12 heat and recommendation in relation to maintenance of expense of argon which is blown at stream of steel through a hollow stopper, at the level of 1,5-2,0 1/min, that allowed to promote the output of suitable on 0,03% In addition, recommendations m relation to organization of flowing from tundish in mold of high-speed billet CCM are used to «NKMZ LTD» at creation of base project of the high-speed billet CCM/

Keywords- billet, tundish, mold, submerged entry nozzle, vortex, stream

Отпечатано на ризографе ООО фирма "ДРУК-ИНФО" Подп к печати 21 09 2007 г

У слов печат л 0,9 Тираж 100 жз Заказ Ш638 83000, г Донецк, ул Артема, 58, к 113