CC BY
9
УДК 621.746.393-412
Е.А.Чичкарев, А.В.Остроушко, А.М.Овсянников, А.П.Могильный, Т.А.Мартынова, М.НЛкин
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КРУПНЫХ ЛИСТОВЫХ СЛИТКОВ В УШИРЕННЫХ КНИЗУ ИЗЛОЖНИЦАХ С ВНЕШНИМ УТЕПЛИТЕЛЕМ
Сокращение производства и дороговизна теплоизоляционных плит для футеровки прибыльной части уширенных книзу сквозных изложниц делают особенно актуальной проблему экономии огнеупорных материалов при подготовке составов под разливку спокойной стали.
Одним из вариантов решения этой проблемы является разливка стали с использованием прибыльных надставок или изложниц с теплоизолированной наружной поверхностью. Уменьшение интенсивности теплоотвода в окружающую среду от верхней части слитка эквивалентно улучшению тепловой работы прибыли, которое приводит к улучшению питания усадки затвердевающих осевых объемов слитка. В частности, для создания направленного затвердевания от основания слитка к прибыли верхнюю часть изложницы или прибыльную надставку покрывают снаружи слоем теплоизоляционного материала или экранируют, причем наиболее эффективной является многоэкранная теплоизоляция с промежуточными слоями огнеупора между отдельными металлическими экранами [1].
При определенных условиях возможен отказ от обычной футеровки прибыли за счет теплоизоляции внешней поверхности уширенных книзу изложниц [2].
Задачей данной работы является анализ особенностей формирования крупных листовых слитков в уширенных книзу сквозных изложницах с внешним утеплителем, а также оценка глубины и формы усадочной ракови..ы в зависимости от толщины слоя теплоизоляции на внешней поверхности изложницы, теплопроводности материала теплоизоляции и высоты утепленной части изложницы.
Для сравнительного анализа кинетики затвердевания и развития усадки модельного слитка с прибылью обычной конструкции, утепленной теплоизоляционными плитами, и слитка, отлитого в изложницу с внешним утеплителем, была использована двумерная математическая модель затвердевания слитка, основанная на приближении квазиравновесной двухфазной зоны.
Рис.1. Конструкции утепления головной части слитка для изложницы типа У-1, исследованные в работе: А - изложница, футерованная теплоизоляционными плитами; Б - изложница с внешним утеплителем; I - тело изложницы; 2 - теплоизоляционные плиты; 3- внешний утеплитель; 4 - крепежные скобы для теплоизоляционных плит; 5 ■ каркас внешнего утеплителя.
J
11
,4
Сравнительное исследование кинетики затвердевания проводилось для листовых слитков массой 20 т, отлитых в уширенные книзу сквозные листовые изложницы с утеплением прибыли теплоизоляционными плитами или без утепления прибыли, но с имеющимся на широких гранях внешним утеплителем, (рис.1), а также по отдельным параметрам и с экспериментальными данными для уширенных кверху листовых слитков, отливаемых с прибыльными надставками, массой 16-23 т.
Использование математической модели позволяет исследовать энтальгашные и температурные поля слитка, изложницы и утеплителя или футеровки прибыли, профиль образующейся усадочной раковины. По развитию во времени полей температур и энтальпий можно оценить кинетику горизонтального и вертикального затвердевания, находить области, опасные в смысле физической неоднородности (вторичной усадки, пористости).
Работа модели предварительно была проверена путем сравнения расчетных результатов с опубликованными экспериментальными данными по кинетике горизонтального и вертикального затвердевания, по развитию температурных полей слитка и изложницы, по форме и размерам усадочной раковины для кузнечных, блюминговых и листовых слитков массой 1,5-80 т.
В результате установлено, что использованная модель хорошо воспроизводит картину тепловых полей как в слитке, так и в изложнице, а также кривую горизонтального затвердевания. Расчетные и экспериментальные данные по кинетике вертикального затвердевания близки для начального и конечного участков, ко для периода развитой ДФЗ они могут несколько различаться. Это различие объясняется упрощением геометрии слитка при расчетах на модели, а также тем, что зонд при исследовании кинетики методом вертикального зондирования не проникает в ДФЗ в донной части слитка до изотермы, соответствующей тому же содержанию твердой фазы, что и на боковой поверхности затвердевания. Расчетное время затврдевания для всех исследованных слитков близко к экспериментальному. Точность воспроизведется формы и размеров усадочной раковины в рамках использованной модели определяется точностью воспроизведения геометрии прибыли.
Затвердевание слитков в изложнице с внешним утеплителем характеризуется рядом особенностей по сравнению со слитками обычной конструкции.
Отсутствие нормальной прибыльной надставки приводит к ускорению затвердевания слитка с внешним утеплителем на 20-30 мин.
0 ——---1------
1 I | ■
50 да 2<х>
.Время, мин
Рис.2. Кинетика гор тотального затвердевания на уровне 1,3 м от основания слитка: эксп. (изл ВС-23 с приб. надставкой); расчет (изл. У-1 с внешн. утеплителем).
Первые примерно 120-150 мин затвердевания протекают практически идентично как для слитка с нормальным утеплением прибыли, так и для слитка с внешним утеплителем или вовсе без утеплителя. Различие этих трех типов слитков становится заметным в период, когда начинается ускоренное
вертикальное затвердевание слитка. Кривые горизонтального и вертикального затвердевания приведены на рис.2 и 3.
Фронт затвердевавния в слитке вообще без утепления почти до самого окончания затвердевания продвигается параллельно стенке изложницы. Незадолго до завершения затвердевания в слитке образуется глубокая узкая область затрудненного питания, простирающаяся от нижней границы открытой усадочной раковины до примерно половины высоты слитка.
При наличии внешнего утеплителя достаточной высоты область затрудненного питания значительно уменьшается. Сравнение профиля усадочной раковины для слитка с обычным утеплением теплоизоляционными плитами, слитка без утеплителя, слитка с утеплителем приведено на рис,4,
Г
прибыли внешним
Рис4. Расчетные профили усадочной раковины (разрез параллельно узкой грани) для слитков с утеплением различной конструкции: I - теплоизоляционные плиты; 2 -вторичная усадочная раковина для слитка с внешним утеплителем; 3 - профиль усадочной раковины для слитка без утепления; 4 - профиль усадочной раковины для слитка с утеплением прибыли теплоизоляционными плитами; 5 - профиль усадочной раковины для слитка с внешним утеплителем.
Исследование усадки при помощи математической модели позволило оценить зависимость формы и глубины усадочной раковины от толщины и теплопроводности слоя теплоизоляции во внешнем утеплителе, а также от высоты части изложницы, покрытой утеплителем.
Усадочная раковина з слитке, отлитом в изложницу с внешним утеплителем, разделяется на две отчетливо видимые части: сосредоточенную
раковину, мало отличающуюся по глубине от усадочной раковины в обычном слитке, и зону затрудненного питания, в которой размещаются отдельные усадочные полости, разделенные мостами.
Глубина области затрудненного питания и качество металла в ней определяют необходимый уровень головной обрези, так как при достаточно плотном металле мостов изолированные усадочные полости свариваются.
Для математической модели оптимальной считалась область затрудненного питания минимальной глубиы, отделенная от первичной усадочной раковины мостом здорового металла.
Установлено, что минимальная глубина проникновения усадочных дефектов достигается при толщине теплоизоляции во внешнем утеплителе не менее 30 мм и ее теплопроводности не выше 1,0-1,2 Вт/(мК). Теплопроводность материала в пределах 0,2-1,2 Вт/(мК) влияет на усадку слабо, при этом чем ниже теплопроводность, тем меньше глубина проникновения усадочных дефектов. Наиболее заметное влияние на глубину проникновения усадочных дефектов оказывает высота утепленной части изложницы. Для изложницы высотой 2,65 м утепленная часть должна быть не менее 1,2-1,4 м.
Наличие внешнего утеплителя в верхней части изложницы приводит к значительному повышению температуры на внешней поверхности изложницы (около 100°С к концу затвердевания), хотя температура на ее внутренней, обращенной к слитку поверхности изменяется слабее (на 30-40°С), то есть внешнее утепление снижает градиент температур по толщине стенки изложницы. Максимальная температура на границе раздела "изложница/внешний утеплитель" отмечена для наименее теплопроводного материала утеплителя из исследованных (теплопроводность 0,2 Вт/(мК) и составляет 830-840°С.
Выводы
1. Разработана, опробована и использована при исследовании кинетики затвердевания и оценке основных конструктивных параметров внешнего утеплителя для сквозных уширенных книзу листовых изложниц математическая модель затвердевания слитка.
2. Установлено, что основными параметрами, влияющими на работоспособность внешнего утеплителя, являются высота утепленной части изложницы, которая для 20-тонного слитка высотой 2,65 м должна составлять не менее 1,2-1,4 м, и толщина теплоизоляции, которая должна составлять не менее 30-40 мм.
3. Результаты работы могут быть использованы для разработки конструкции изложницы с постоянным внешним утеплителем.
Библиографический список
1. Китагв Е.М. Затвердевание стальных слитков. - М.: Металлургия, 1982 -168 с.
2. Разливка спокойной стали в уширенные книзу изложницы со стационарными внешними утеплителями /Мирко В.А.. Денисов В.А.. Чабан В.М., Вареник В.И.//Сталь,-№ 8.4992. - ¿.22-25.
