CC BY
27
УДК 621.7
Андросенко М.В., Кенарь Е.В., Тютеряков Н.Ш., Усатая Т.В., Дерябина Л.В.
АЛГОРИТМ РАСЧЁТА И СОСТОЯНИЯ ФОРМИРУЕМОЙ ЗАГОТОВКИ НА МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
Аннотация. В работе представлена методика расчета усилий, действующих на стенки кристаллизатора и ролики подвесного роликового блока зоны вторичного охлаждения сортовой машины непрерывного литья заготовки, на основе анализа взаимодействия формируемой заготовки, кристаллизатора и элементов подвесной роликовой проводки.
Ключевые слова: МНЛЗ, непрерывная разливка, заготовка, корочка заготовки, кристаллизатор, роликовая проводка, ЗВО.
Введение
Современная технология непрерывной разливки предусматривает разливку без прекращения процесса вытягивания заготовки, при этом производится замена разливаемого стальковша с расплавом на наполненный стальковш.
Это возможно при применении подъемно -поворотного стенда для стальковша и тележки для промковша с механизмом подъема и передвижения. Принципиальные схемы непрерывной разливки отличаются положением продольной технологической оси кристаллизующегося слитка, однако основы технологии разливки являются общими для всех типов машин. Схема установки непрерывного литья представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки непрерывного литья:
1 - ковш подачи жидкого металла; 2 - промежуточный ковш; 3 - кристаллизатор; 4 - заслонка; 5 - стопор; 6 - зона кристаллизации; 7 - ролики ЗВО; 8 - зона начала кристаллизации; 9 - подача охлаждающей воды
Длина кристаллизатора зависит от сечения разливаемых слитков и в общем случае может изменять-
© Андросенко М.В., Кенарь Е.В., Тютеряков Н.Ш., Усатая Т.В., Дерябина Л.В., 2022
ся от 300 до 1500 мм. Для заготовок мелких сечений иногда применяются кристаллизаторы длиной до 100 мм, при отливке заготовок крупных сечений применяются кристаллизаторы длиной от 500 до 11001200 мм.
Технологическая линия принимает в кристаллизатор жидкую сталь с температурой t = 1560-1580°С. При этом у жидкой стали отбирается большое количество теплоты, которая через воду и воздух в конечном счете рассеивается в окружающую среду. При плотном контакте в верхней части кристаллизатора температура поверхности корочки падает до 600-900°С, а затем после образования зазора повышается, и на выходе из кристаллизатора, примерно за 20 мин, температура поверхности корочки составляет величину 1100-1200°С при средней температуре корочки 1300-1350°С. Максимальная температура медных стенок кристаллизатора на стороне жидкого металла может достигать 200-240°С.
Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действию ферростати-ческого давления жидкого металла.
В конце зоны вторичного охлаждения температура поверхности слитка снижается до уровня 800-900°С. Если принять температуру кристаллизации 4р для большинства сталей ~ 1500°С, то в промежуточный ковш сталь должна поступать с небольшим перегревом. Обычно температура стали в промковше поддерживается на уровне 1540-1560°С, что обеспечивает удовлетворительное качество поверхности слитков и стабильность процесса разливки. Однако с повышением температуры металла более 1570°С возрастает пораженность слитков наружными продольными и поперечными трещинами.
Для обеспечения стабильности процесса разливки температура металла в кристаллизаторе должна быть на 15-20°С выше температуры затвердевания, а по условиям качества слитка перегрев Л должен быть не более 30°С.
Повышение интенсивности охлаждения слитка способствует увеличению скорости разливки, но ограничивается возможностью появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. С увеличением скорости разливки увеличивается глу-
бина жидкой лунки Ьж и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку слитка, что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения.
Скорость вытягивания слитка, затвердевания и глубина жидкой фазы являются важнейшими технологическими параметрами процесса непрерывной разливки стали. Одна из главных задач для технологов - установление взаимосвязи длины жидкой фазы (или глубины жидкой лунки) Ьж от скорости разливки V, интенсивности охлаждения и марки стали (ее физических свойств). Величина Ьж при заданной скорости разливки определяет протяженность зоны вторичного охлаждения и всю высоту или технологическую длину установки.
Конструкция головной части кристаллизатора и ЗВО сортовой МНЛЗ ЭСПЦ ПАО «ММК» показана на рис. 2.
для заготовки сечением 150 х 150 мм в зависимости от состава стали достигнуты скорости разливки в пределах 3,0-3,5 м/мин.
Для обеспечения высокой производительности применяют многоручьевые машины с независимым управлением каждого ручья и объединённые единым промковшом.
Мощность и размеры машины определяются емкостью стальковша, которая на практике имеет значение от 12 до 350 т.
Технологический радиус на основании теоретических исследований и практических данных определяется из соотношения
Я = 40Ь, где Ь - толщина заготовки.
(1)
На МНЛЗ происходит превращение металла из жидкой фазы в металл твердой фазы.
Пока заготовка полностью не затвердеет, непре-рывнолитой слиток находится в двухфазном состоянии. Тело, сформированное в этом слитке жидкой фазой, называют лункой.
Длина жидкой лунки (фазы) Ьж, м, определяется по следующим формулам:
а) для сортовой разливаемой заготовки
Ьж = К Ь2 VР
(2)
Рис. 2. Конструкция головной части кристаллизатора
и ЗВО сортовой МНЛЗ ЭСПЦ ПАО «ММК»
Скорость непрерывной разливки лимитируется рядом ограничений:
- напряжениями вдоль непрерывного слитка, обусловленными силами трения в кристаллизаторе;
- напряжениями, возникающими вследствие ферростатического давления;
- термическими напряжениями, которые возрастают с ростом интенсивности охлаждения слитка.
Скорость вытягивания заготовки, количество подаваемой воды на первичное и вторичное охлаждение, ход и частота качания кристаллизатора являются регулируемыми параметрами, что позволяет разливать широкий сортамент сталей: от мало- до высокоуглеродистых и легированных марок сталей.
От прочности образовавшейся корочки и заготовки, находящейся в двухфазном состоянии (твёрдое-жидкое) под кристаллизатором, зависит скорость разливки (вытягивания). Для слябов больших сечений реально достигнуты скорости разливки в пределах 1,5-2,0 м/мин. Для заготовки сечением 100 х 100 мм оказалась удовлетворительной скорость 6 м/мин, а
где К - эмпирический коэффициент (коэффициент затвердевания), мм/мин °'5; Ь - толщина заготовки, мм; Ур - скорость разливки (вытягивания заготовки), м/мин.
К = 24,0 мм/мин °'5- для сортовой заготовки; К = 27,4 мм/мин °'5- для низкоуглеродистой стали; К = 26,5 мм/мин °'5- для высокоуглеродистой стали; К = 29,12 мм/мин °'5- для блюма из среднеуглероди-стой стали;
б) для слябовой разливки
Ь = V
ж у р '•затв?
(3)
где 4атв - время полного затвердевания, мин.
4™ = {(Ь/2)\Ь/ К)}2.
Толщина корочки в процессе непрерывной разливки изменяется от 0 до Ь/2, а длина жидкой фазы Ьж увеличивается с увеличением скорости разливки.
Чтобы центрировать грани слитка относительно оси машины и предохранить их от выпучивания под действием ферростатического давления, в МНЛЗ устанавливается поддерживающая система различной конструкции. На МНЛЗ ПАО «ММК» используется роликовая поддерживающая система.
Зона вторичного охлаждения (ЗВО) располагается на технологической линии от кристаллизатора до тянущих валков и занимает от 30 до 100 % длины этой линии. ЗВО обычно примыкает вплотную к кристаллизатору. В редких случаях допускается продолжение ЗВО за тянущими валками. За зоной вторично-
го охлаждения располагается зона охлаждения слитка на воздухе.
Наиболее уязвимым местом по прочности является место выхода слитка из кристаллизатора, это связано с тем, что на выходе пропадает опора от стенок кристаллизатора, воспринимающих давление жидкого металла внутри слитка, через закристаллизовавшуюся корочку. Минимально допустимая толщина корочки на выходе из кристаллизатора в зависимости от сечения заготовки составляет 10-25 мм.
Корочка слитка освобождается от поддержки стенок кристаллизатора и полностью воспринимает ферростатическое давление жидкой фазы Р и усилие Q вытягивания слитка из кристаллизатора, равное усилию трения корочки по стенкам кристаллизатора.
Толщина корочки 5 растет неравномерно: быстрее в кристаллизаторе, медленнее в зоне вторичного охлаждения, еще медленнее на оставшемся участке длины жидкой фазы.
Имеется эмпирическая зависимость для оценки толщины корочки 5, м:
8 = -
и
11,5 • V
(4)
8 = к •-у/г
(5)
где к - коэффициент затвердевания, величина которого для разных сталей может изменяться в пределах 0,023-0,032 м/мин05; г- время, мин.
Эта зависимость может использоваться для примерных расчетов при условии, что температура поверхности слитка в пределах кристаллизатора изменяется незначительно. Для сляба к = 0,028, для блюма и сорта к = 0,030.
Время т, мин, определяется из выражения
Нр
V
(6)
где Н - высота столба жидкой стали в кристаллизаторе, м.
Нкр = НКр - 0,1 м.
(7)
где Нкр - высота кристаллизатора, м.
Схема формируемой корочки заготовки, удерживающей ферростатическое давление Рф, при которой
она не способна полностью удержать его приведена на рис. 3.
где V - скорость разливки, м/мин; £ - длина кристаллизатора, м; 11,5 - опытный коэффициент; q -плотность теплового потока, МВт/м2. q = 0,85 МВт/м2 (среднее значение плотности теплового потока в современных кристаллизаторах).
На базе аналитического решения классической задачи Стефана при постоянной температуре поверхности было получено уравнение квадратного корня, которое связывает толщину корочки 5 со временем г:
Рис. 3 . Схема корочки формируемой заготовки при неполном удержании корочкой заготовки нагрузок от ферростатического давления расплава
Для снижения трения слитка о стенки кристаллизаторе используется качание кристаллизатора, т.е. движение вверх-вниз по кристаллизующемуся слитку. Кроме качания для снижения трения в кристаллизаторе его стенки вместо чистой меди делают из сплава меди и серебра, а заготовки для стенок стали получать не горячей, а холодной прокаткой, что привело к увеличению твердости рабочей поверхности стенки кристаллизатора и позволило снизить не только коэффициент трения, но и повысить их износостойкость.
С целью снижения трения применяются экзотермические смеси с высокой жидкотекучестью и низкой температурой плавления, покрывающие мениск металла в кристаллизаторе и обеспечивающие защиту мениска от окисления (контакта с воздухом) и смазку
т
благодаря проникновению их в зазор между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора.
В качестве смазки применяют рапсовое масло и разные порошковые смеси, подаваемые на поверхность мениска в кристаллизаторе, которые при температуре жидкой стали становятся жидкотекучими. В результате коэффициент трения слитка в кристаллизаторе / снижается от 0,5 до 0,2.
Определим среднее давление Рср столба расплавленного металла (длина кристаллизатора минус 100 мм для предупреждения расплёскивания жидкого металла при качании кристаллизатора) на поверхность кристаллизатора.
Применительно к отливке сортовой заготовки сечением 150*150 мм давление Рф.н на нижнем срезе кристаллизатора определяется как вес столба жидкого металла Ом высотой Икр = 800 мм, деленный на площадь сечения рабочей полости кристаллизатора. Высота кристаллизатора 900 мм, расстояние от верхнего торца кристаллизатора до мениска 100 мм.
Давление на нижнем срезе Р,
ф.н шах,
г/см
Р
ф.н шах "
Ом/ а-Ь;
(8)
где а и Ь - размеры сечения кристаллизатора (15*15 см); у - удельный вес жидкого металла, у=7,6 г/см3; Ом - вес столба жидкого металла, г,
Ом=а-Ь-Екр^. После подстановки данных, получим:
(9)
Ом= 15^5^7,6 = 136,8 103 г;
Рфн шах = 136,8^03/ 15^15 = 608 г/см2.
Среднее (расчетное) давление на стенки кристаллизатора составит:
Рср= Рфн шах/2 = 304 г/ см2. (10)
Площадь контактирующей с жидким металлом поверхности стенок кристаллизатора определим как
£ = (2а+2Ь) • Нкр. (11)
После подстановки данных получим £ = (2-15+2-15) • 80 = 4,8^103 см2.
Суммарное давление на четыре стенки кристаллизатора N г, определим как
N = Б РСр. После подстановки данных получим N = Б Рср = 4,8^03 ^304 = 1459 103 г.
(12)
Определим среднее давление Рср столба расплавленного металла на ролики подвесного блока сортовой МНЛЗ сечением заготовки - 150*150 мм.
Марка стали - конструкционная.
Конфигурация технологической заготовки - радиальная, разгиб заготовки в одной точке линии.
Удельный вес жидкой стали - у = 7,6 г/см3; рас-
стояние от нижнего торца кристаллизатора до мениска жидкого металла - 800 мм (длина кристаллизатора 900 мм); жёсткостью оболочки (закристаллизовавшейся) - пренебрегаем; ролики подвесного блока расположены на длине заготовки, где корочка еще прогибается под действием ферростатики; на расстоянии более И =381 мм от нижнего торца кристаллизатора корочка заготовки уже достаточно жесткая и давление ферростатики роликам не передается, для уверенности, что ролики удержат корочку от выпучивания, их располагаем по всем четырём граням заготовки; давление на нижнем срезе кристаллизатора - Рн шах = Р\ = 608 г/см2.
Давление на уровне нижнего ролика подвесного блока Р2, г/см2,
Р2 = О2/ аЬ,
(13)
где О2 - вес заготовки высотой И2, равной расстоянию от мениска до нижнего ролика подвесного блока, г,
О2 = аЪ^2у. (14)
После подстановки данных, получим:
И2 = 80 + 38,1=118,1 см;
О2 = 1515118,17,6 = 202^03 г;
Р2 = 202^03/ 15 15 = 898 г/см2.
Определим среднее давление на роликовую сек-
цию:
Рср = (Р1 + Р2)/2; (15)
Рср = (608+ 898)/2 = 753 г/см2 = 0,753 кг/см2 .
Суммарное давление на ролики секции вторичного охлаждения высотой И = 381 мм:
—сум. рол* - Рср ^б.п., кг ; (16)
^б.п. =а'И, см2; (17)
^б.п. = 15^38,1 = 571,5 см2;
-Сум. рол. = 0,753 ^571,5 = 430 кг.
На каждый ролик действует средняя нагрузка в 214 кг.
Для определения нагрузки от ферростатического давления, действующего на каждый ролик, необходимо воспользоваться формулой
Рф1. р = У ^g^ Ь ^ И,, где t - шаг между роликами;
И, - расстояние по вертикали от мениска металла в кристаллизаторе до центра ролика.
Заключение
На основе анализа взаимодействия формируемой заготовки, кристаллизатора и элементов подвесной роликовой проводки представлена методика расчета усилий, действующих на стенки кристаллизатора и ролики подвесного роликового блока зоны вторичного охлаждения сортовой машины непрерывного литья заготовки.
Материалы, содержащиеся в статье, будут полезны научным и инженерно-техническим работникам, а также учащимся технических вузов металлургических специальностей и направлений подготовки.
Список литературы
1. Технологическое оборудование металлургических цехов: практикум для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалооб-работка» (по направлениям) специализации 1-42 01 01-01 «Металлургическое производство и мате-риалообработка (металлургия)», направления 1-42 01 01-01 02 «Электрометаллургия черных и цветных металлов» / авт.-сост. В.А. Жаранов, А.В. Ткаченко. Гомель: ГГТУ имени П.О. Сухого, 2017. 160 с.
2. Непрерывная разливка сортовой заготовки: монография / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, А.Л. Под-
Сведения об авторах
корытов, В.Е. Ухин, А.В. Кравченко, А.Ю. Ороб-цев. Донецк: Цифровая типография, 2012. 417 с.
3. Кузьминов А.Л., Кожевников А.В. Расчет и диагностика транспортирующих машин металлургических агрегатов: монография. LAP LAMBERT Асааешк Publishing CmbH & Со. KG, 2011. 148 с.
4. Андросенко М.В. Совершенствование подвесного блока зоны вторичного охлаждения МНЛЗ с целью повышения качества заготовки в процессе формирования: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2021. 18 с.
5. Андросенко М.В. Оценка напряженно-деформированного состояния слитка и конструкции МНЛЗ в области подвесных роликов зоны вторичного охлаждения // Металлург. 2019. №4. С. 36-40.
6. Androsenko, M. Determining the quality of continuous casting from billet caster / M. Androsenko, E. Kulikova, N.Tyuteryakov, E. Reshetnikova, K. Pashenko, A. Yaroslavtsev // E3S WEB OF CONFERENCES. 2019. p. 01034.
7. Моделирование тепловых полей в кристаллизаторе с щелевыми каналами охлаждения / Ячиков И.М., Феоктистов Н.А., Савинов А.С, Шафиков Т.И., Михалкина И.В. // Теория и технология металлургического производства. №1 . 2022. С. 7.
Андросенко Мария Владимировна - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected]. ORCID 0000-0002-0560-9814
Кенарь Екатерина Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры механики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, Россия. E-mail: [email protected]
Тютеряков Наиль Шаукатович - кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, Россия. E-mail: ntc. mgtu@mail. ru
Усатая Татьяна Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, Россия.
Дерябина Любовь Викторовна - кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» г. Магнитогорск, Россия.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
ALGORITHM FOR CALCULATION OF PARAMETERS AND CONDITION OF THE BILLET FROM CONTINUOUS CASTING MACHINE
Androsenko Mariya V. - Ph.D. (Eng), Senior Lecturer, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]. ORCID 0000-0002-0560-9814
Kenar Ekaterina V. - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Tyuteryakov Nail Sh. - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Ysataya Tatyana V. - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Deryabina Lubov V. - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected].
Abstract. The paper presents a method for calculating the forces acting on the mould plates and the foot rollers of the roller unit of the billet caster secondary cooling zone. Methodology is presented based on the analysis of interaction of the billet with the mould and the elements of the roller guide.
Key words: CCM, continuous casting, billet, ingot shell, mould, roller guide, secondary cooling zone.
Ссылка на статью:
Алгоритм расчёта и состояния формируемой заготовки на машине непрерывного литья / Андросенко М.В., Кенарь Е.В., Тютеряков Н.Ш., Усатая Т.В., Дерябина Л.В. // Теория и технология металлургического производства. 2022. №2(41). С. 26-31.
Androsenko M.V., Kenar E.V., Tyuteryakov N.Sh., Usataya T.V., Deryabina L.V. Algorithm for calculation of parameters and condition of the billet from continuous casting machine. Teoria i tecnología metallurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2022, vol. 41, no. 2, pp. 26-31.
