Особенности затвердевания металла разного химического состава в кристаллизаторе слябовой машины непрерывного литья заготовок

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

металл разнообразного сортамента. Ежесменное изменение сортамента составляет 4-5 раз, следовательно, изменение силовых параметров прокатки (многопеременный характер нагружений валка) происходил порядка 60-100 раз за весь срок службы каждого валка.

При часто меняющемся сортаменте прокатываемого листа требуется оперативная грамотная настройка технологического режима и подбор технологической оснастки (валков) в соответствии с требуемыми параметрами под каждый тип проката. Эти показатели в ЦЛХП зависят от мастерства вальцовщиков [4].

В результате исследований выявлена стабильная зависимость интенсивности прокатки по бригадам и стабильное количество внеплановых перевалок по бригадам, не зависящих от качества валков.

Существуют трудности в организации учета работы валков, сбора информации, ее обработки и особенно в вопросах оперативного принятия решения для рациональной эксплуатации валков. Показатели карточки учета работы валков формируются на основании сменных рапортов по производству жлодноката-ного листа, книг перевалок валков на прокатном стане и карточек перешлифовок валков. При этом образует-

Список литературы

1. Прокатные валки: Монография / Вдовин К.Н., Гималет-динов Р.Х., Колокольцев В.М., Цыбров С.В. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.

2. Всеобщее управление качеством: Учебник для вузов / Глудкин О.Г., Горбунов И.М., Гуров А.И., Зорин Ю.В.; Под ред. Глудкина О.Г. М.: Радио и связь, 1999. 600 с.

3. Третьяков А.В. Теория, расчет и исследование станов холодной прокатки. М.: Металлургия, 1966. 255 с.

4. Егорова Л.Г. Совершенствование технологии изготовления валков холодной прокатки ленты методом электрошлакового литья: Дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск, 2007. 154 с.

ся большой объем данных - 2600 карточек и паспортов, фиксирующих до 20000 перевалок рабочих валков за год, сбор и обработка которых вручную существенно ограничивает получение необхэдимой информации. Большой интервал времени (3-6 мес) со дня изготовления до конца его эксплуатации не позволяет эффективно использовать эту информацию для оперативного управления рациональной эксплуатацией валков. Применение вычислительной техники при анализе работы валков позволит определить стойкость валков дифференцированно по клетям.

Применение комплексной оценки качества валков в процессе их эксплуатации повышает эффективность исследования связей между параметрами технологии изготовления и эксплуатации, а также показателями работы в процессе прокатки.

По результатам проведенных исследований эксплуатации рабочих валков непрерывных станов "400" ЦЛХП с точки зрения принципов СМК ISO 9000 был выявлен ряд нарушений технического и социальноэкономического характера, а также сформулированы рекомендации для обеспечения высокого качества продукции и стойкости валков.

List of literature

1. Forming rolls: Monograph / Vdovin K.N., Gimaletdinov R.K., Kolokoltsev V.M., Tsybrov S.V., Magnitogorsk: MSTU, 2005. 543 p.

2. Universal quality management: course-book for higher education institutes / Gludkin O.G., Gorbunov I.M., Gurov A.I., Zorin Y.V.; Published by Gludkin O.G. M.: Radio and communication, 1999. 600 p.

3. Tretyakov A.V. Theory, calculation and research of the cold rolling mills. M.: Metallurgy, 1966. 255 p.

4. Yegorova L.G. Enhancement of the production technology of the cold rolls through the electroslag casting: Dissertation of the candidate of technical science. Magnitogorsk, 2007. 154 p.

УДК 621.746.628

Масальский A.C., Ушаков C.H., Мельничук Е.А., Селиванов В.Н., БояринцевД.А., Понамарёва Т.Б.

ОСОБЕННОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ МЕТАЛЛА

РАЗНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВАВ КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ

СЛЯБОВОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

В кислородно-конвертерном цехе ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" выплавляется и разливается на слябовых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) сталь довольно широкого марочного сортамента: низко- и среднеуглеродистая конструкционная, низколегированная конструкционная, трансформаторная и др. Разливка стали осуществляется на машинах с криволинейной технологической осью, имеющих сдвоенные кристаллизаторы двух типов: кристаллизатор традиционной длины 1200 мм и укороченный кристаллизатор (длина мед-

ныхплит 950 мм) с подвесными роликами.

Параметры технологии разливки стали разных марок (температура металла в промежуточном ковше, скорость вытягивания слитка из кристаллизатора, режим вторичного охлаждения, состав шлакообразующих смесей) существенно различаются. Причины этих различий, несомненно, состоят в том, что и химический состав металла, и конструкция кристаллизатора оказывают существенное влияние на затвердевание металла. Задачей данного исследования было изучение особенностей затвердевания стали разного

34

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Особенности затвердевания металла разного химического состава... Масальский АС, Ушаков С.Н., МепьничукЕЛ идр.

сортамента в кристаллизаторах разной конструкции с целью получения информации для последующей параметрической оптимизации технологии разливки.

При проведении исследования были обработаны данные о разливке более 220 плавок углеродистой стали марок 08пс, 08Ю, Ст2сп, СтЗсп, St 12, SAE1006, St37-2, S235jR, низколегированной стали марок

09Г2С, 17Г1СУ и 07ГБЮ, а также кремнистой трансформаторной стали. Сталь разливалась на слябы сечением 250х(910-1340) мм. Информация об основных параметрах технологии разливки приведена в табл. 1.

Разработана специальная методика изучения затвердевания металла в кристаллизаторе, которая позволяет проводить опыты без какого-либо вмешательства исследователей в процесс разливки [1]. Сущность её состоит в том, что кристаллизатор используется, как своеобразный калориметр. При установившемся процессе разливки, когда в течение достаточно длительного времени (не менее 15 мин) все параметры разливки, включая температуру медных стенок кристаллизатора, остаются неизменными, можно рассчитать тепловой поток от слитка к кристаллизатору по данным о расходе воды на его охлаждение и повышении её температуры. При варьировании в широких пределах температуры металла в промежуточном ковше и скорости вытягивания слитка из кристаллизатора можно выявить закономерности, отражающие влияние этих параметров разливки на затвердевание в кристаллизаторе стали разного химического состава. Роль исследователя сводится к выбору нужной информации из показаний установленной на МНЛЗ измерительной аппаратуры.

В соответствии с принятой методикой исследования на начальном этапе обработки опытных данных была определена средняя по всей поверхности теплообмена плотность теплового потока от слитка к стенкам кристаллизатора (рис. 1).

Из рис. 1 следует, что средняя плотность теплового потока от слитка к кристаллизатору для всех групп марок стали возрастает с увеличением скорости вытягивания слитка из кристаллизатора. Совершенно очевидно, что это явление связано с уменьшением толщины затвердевшей в кристаллизаторе оболочки.

На рис. 1 видны заметные различия в средней плотности теплового потока при разливке углеродистой и низколегированной конструкционной стали в укороченный кристаллизатор. Тепловой поток при разливке низколегированной стали на 5-10% меньше, чем при разливке стали углеродистой. Это обстоятельство может быть объяснено тем, что низколегированная сталь обладает более прочной оболочкой, которая в меньшей степени подвергается растягивающему воздействию жидкой сердцевины слитка и раньше отходит от стенок кристаллизатора. Поэтому при разливке низколегированной стали теплоотдача в нижней части кристаллизатора меньше, чем при разливке углеродистой стали, что и приводит к снижению средней (по всей поверхности теплообмена) плотности теплового потока.

Из представленных на рис. 1 данных также следует, что при разливке углеродистой стали в кристаллизатор обычной длины средняя плотность теплового

потока существенно меньше, чем при её разливке в укороченный кристаллизатор. Совершенно очевидно, что причина этого явления - меньшая толщина слоя затвердевшего металла на выходе из укороченного кристаллизатора. Имеются достаточные основания считать, что истинная величина плотности теплового потока при разливке углеродистой стали и в укороченный кристаллизатор, и в кристаллизатор обычной длины на одном и том же удалении от поверхности жидкого металла одинаковы. На основе этого предположения было рассчитано распределение истинной плотности теплового потока по высоте кристаллизатора. Результаты расчетов представлены на рис. 2.

ё

I

Скорость разливки, м/мин

Рис. 1. Средняя плотность теплового потока от слитка к стенкам кристаллизатора при разливкеуглеродистой

Таблица 1

Параметры опытов по разливке стали в кристаллизаторы двух типов

Кристаллизатор Традиц ионный Укороченный

Стать Углеро- дистая Т рансфор-магорная Углеро- дистая Низколе- гированная

Количество плавок 56 28 107 54

Температура металла в про -межуточном ковше, °С 1523. 1560 1534.1545 1536.1558 1525.1548

1548 1542 1547 1537

Перегрев металла над температурой ликвидуса, °С 3..29 16 43...57 51 7...27 19 12...22 18

Скорость вытягивания слитка из кристаллизатора, м/мин 0,60.0.93 0,37.0,40 0,55.0.86 0,56.079

0,80 0,39 0,68 0,68

Время пребывания металла в кристаллизаторе, мин 120 180 2 75 300 100 155 110 150

1,46 2,96 1,31 1,31

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

35

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

На следующем этапе работы исследовались особенности затвердевания в кристаллизаторе стали разного марочного сортамента. Известно [2], что затвердевание стали достаточно жрошо описывается так называемым законом квадратного корня

£ Wr,

где £ - толщина слоя затвердевшего металла, мм; к -коэффициент затвердевания, мм/мин05; т - время пребывания металла в кристаллизаторе, мин.

Данные о величине коэффициента затвердевания к при разливке стали разного марочного сортамента, а также толщине слоя затвердевшего металла и температуре его поверхности на выходе из кристаллизатора, полученные при обработке результатов проведен-ныхэкспериментов, представлены в табл. 2.

Известно, что на величину коэффициента затвердевания к оказывает влияние температура разливки стали. При проведении данного исследования было сделано предположение о том, что коэффициент затвердевания

Расстояние от верха кристаллизатора, м

Рис. 2. Изменение по высоте кристаллизатора плотности теплового потока при разливке углеродистой стали

Таблица 2

Основные параметры затвердевания в кристаллизаторе стали разного марочного сортамента

Кристаллизатор Традии ионный Укороченный

Сталь Углеро- дистая Т рансфор-магорная Углеро- дистая Низколеги- рованная

Коэффициент затвердевания, мм/мин05 23,3.27,0 24,7 17,0.19.7 20,7 21,5.262 23,7 22,8.25.8 23,7

Толш^на затвердевшей оболочки на выходе из кристаллизатора, мм 27,9.34.8 29,8 29,8.33.7 35,6 23,6.31,9 27,0 25,0.30.0 27,0

Температура поверхности на выходе из кристаллизатора, °С 1297.1324 1000.1054 1190.1300 1279.1340

1315 1029 1245 1310

к линейно уменьшается с увеличением перегрева разливаемой стали над температурой ликвидус:

к = A. - А, Дt ,

0 к пер ’ v '

где Atnep - перегрев металла над температурой ликвидус , °С; A0, Ак - коэффициенты, зависящие от химического состава разливаемой стали.

Было также сделано предположение о том, что температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора соответствует зависимости

t = t -

пов л V12/’ - '

где tпов - температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора, °С; tR - температура ликвидуса, °С; а1 и а2 - коэффициенты, зависящие от химического состава разливаемой стали; т - время пребывания металла в кристаллизаторе, мин.

Значения коэффициентов в формулах (2) и (3) для стали разного марочного сортамента, полученные при обработке опытных данных, представлены в табл. 3.

Данные, полученные при обсчете опытов о за -твердевании в кристаллизаторе стали разных марок, представлены на рис. 3 и 4.

Расположению в одной области рисунка точек, отражающих затвердевание углеродистой и низколегированной стали, соответствуют данные о величине коэффициента затвердевания, приведенные в табл. 2.

Коэффициент затвердевания углеродистой и низколегированной конструкционной стали в укороченном кристаллизатора по данным опытов получился в среднем равным 23,7 мм/мин0,5, а для затвердевания углеродистой стали в кристаллизаторе обычной длины немного больше -24,7 мм/мин0,5. Это различие связано, вероятно, с тем, что в более длинном кристаллизаторе продолжительнее период затвердевания металла после потери им перегрева над температурой ликвидуса.

Трансформаторная сталь затвердевает в кристаллизаторе значительно медленнее, чем сталь углеродистая (см. рис. 4), что связано, в основном, с высоким значением скрытой теплоты кристаллизации.

При проведении исследования была также получена информация о температуре поверхности слитка на выжде из кристаллизатора (рис. 5). Данные о температуре поверхности слитка на выходе из кристаллизатора вполне согласуются с результатами

Таблица 3

Значения коэффициентов в формулах (2) и (3) для стали разных марок

Кристал- лизатор Сталь Коэффициенты

Л Л ai а 2

Традиционный Углеродистая 26,7 0,13 160,6 37,4

Трансформаторная 23,7 0,06 0 144,0

Укороченный Углеродистая 28,7 0,14 57,0 119,0

Низколегированная 27,0 0,20 60,0 81,0

36

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

Особенности затвердевания металла разного химического состава... Масальский АС, Ушаков С.Н., МепьничукЕЛ идр.

&

I

СО

«

О

Ч

&

н

о

н

36

32

28

24

20

л А

д д \ Дд *г < л

• о щ $

Т5

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Время, мин

Рис. 3. Толщина затвердевшей оболочки слитков углеродистой (о) и низколегированной конструкционной стали (•) на выходе из укороченного кристаллизатора и углеродистой стали (А) на выходе из кристаллизатора обычной длины

определения среднего теплового потока от слитка к стенкам кристаллизатора (см. рис. 1). Самая высокая температура поверхности выждящего из кристаллизатора слитка и самый низкий тепловой поток имели место при разливке углеродистой стали в кристаллизатор традиционной длины - 1200 мм. Как уже говорилось ранее, это явление связано с наиболее благоприятными условиями для образования зазора между слитком углеродистой стали и нижней частью относительно длинного кристаллизатора, что приводит к разогреву поверхности выждящего из кристаллизатора слитка.

По данным Гуляева [3], обобщившего результаты многих исследователей, коэффициент затвердевания в изложнице углеродистой спокойной стали составляет в среднем 26 мм/мин0’5, что выше получившижя в ходе проведения данного исследования значений. Получается, что в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе металл затвердевает медленнее, чем в чугунной нагревающейся изложнице. Этот парадокс имеет простое объяснение: при вытягивании слитка из кристаллизатора происходит пластическая деформация металла затвердевшей оболочки слитка, состоящая в её растяжении с уменьшением толщины.

Отмеченное выше явление даёт основание для пересмотра задачи о затвердевании металла в кристаллизаторе МНЛЗ. При решении этой задачи должны совместно рассматриваться два процесса: затвердева-

Рис. 4. Толщина затвердевшей оболочки слитков углеродистой (А) и трансформаторной стали ( ) на выходе из кристаллизатора обычной длины

Толщина слоя затвердевшего металла, мм

Рис. 5. Температура поверхности слитка углеродистой

ние металла как тепловой процесс и пластическая деформация затвердевшей оболочки, рассматриваемой как вязкопластичное тело. Только при таком рассмотрении результаты решения задачи о затвердевании металла в кристаллизаторе будут адекватно отражать данные экспериментов.

Список литературы

1. Бояринцев Д.А., Селиванов В.Н., Масальский A.C. Затвердевание стали в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2005. № 4. С. 6-8.

2. Теория непрерывной разливки / Рутес В.С., Аскольдов В.И., Евтеев Д.П. идр. М.: Металлургия, 1971. 294 с.

3. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность слитка спокойной стали // Стальной слиток: Сб. науч. трудов. М.: Металлургиздат, 1952. С. 21-39.

List of literature

1. Boyarintsev D.A., Selivanov V.N., Macalsky A.S. Metal hardening in the slab continuous casting machine // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2005. № 4. P. 6-8.

2. The theory of continuous casting / Rutes V.S., Askoldov V.N., Yevteev D.P. and others. M.: Metallurgy, 1971.294 p.

3. Gulyaev B.B. Hardening and heterogeneity of the killed ingot // Steel ingot Collection of scientific works. M.: Metallurgedition, 1952. P. 21-39.

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 1.

37