О влиянии выпучивания заготовки МНЛЗ на образование внутренних трещин

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003р. Вип. № 13

УДК 669:621.746.5

Шишкин В.В.

О ВЛИЯНИИ ВЫПУЧИВАНИЯ ЗАГОТОВКИ МНЛЗ НА ОБРАЗОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ТРЕЩИН

Приведены результаты теоретического исследования влияния выпучивания заготовки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ на образование в ней внутренних трещин. Расчеты выполнены для условий слябовой МНЛЗ МК «Азовсталъ». Описан эксперимент, подтверждающий возможность улучшения качества заготовки при уменьшении шага роликов.

Качество металлических изделий существенно зависит от структуры и свойств заготовки. Поэтому вопросы повышения качества заготовок, в частности заготовок МНЛЗ, являются актуальными и значимыми.

Известно, что при температурах близких температуре кристаллизации металл обладает низкими пластическими свойствами. В этот момент любая его деформация крайне нежелательна и опасна. Выпучивание заготовки в промежутках между поддерживающими элементами зоны вторичного охлаждения (ЗВО) МНЛЗ приводит к появлению растягивающих деформаций у фронта кристаллизации. Деформация металла выше критического уровня вызывает образование внутренних «гнездообразных» трещин. По данным отечественных и зарубежных исследований [1, 2] расчетное значение критической относительной деформации на фронте солидуса от выпучивания заготовки для углеродистых и низколегированных марок стали составляет екр =0,15...0,20 %.

Уменьшить выпучивание и снизить уровень деформации корки заготовки на любом участке МНЛЗ можно либо увеличив жесткость самой корки посредством снижения скорости вытягивания или более интенсивного охлаждения, либо сократив расстояния между поддерживающими элементами ЗВО. При этом снижение скорости вытягивания влечет потерю производительности, а жесткое охлаждение неприемлемо вследствие температурных напряжений и связанной с этим дефектности металла. В свою очередь уменьшение расстояний (шага) между роликами ЗВО также сопряжено с трудностями. Стремление сблизить ролики требует уменьшения их диаметра, что снижает жесткость поддерживающего устройства и потому также невозможно. Установка промежуточных опор поддерживающих роликов при значительном усложнении конструкции проводки уменьшает шаг роликов незначительно.

В настоящей работе была поставлена задача исследования деформированного состояния слитка в ЗВО типовой слябовой МНЛЗ конструкции ПО «Уралмаш» с целью разработки рекомендаций по улучшению качества литой заготовки.

Для решения задачи разработана методика расчета деформированного состояния заготовки по длине ручья МНЛЗ, учитывающая ряд геометрических и упругих параметров поддерживающего устройства. Методика включает два основных этапа.

1. Определение контактных давлений при взаимодействии корки заготовки с поддерживающим устройством МНЛЗ.

2. Расчет собственно деформированного состояния корки слитка по известному ее нагружению.

Первый этап методики подробно изложен в работе [3]. Корка затвердевающего слитка рассматривается в виде неравномерно нагретой по толщине прямоугольной пластины, нагруженной, с одной стороны, равномерно распределенной по площади нагрузкой (давление жидкой фазы слитка) и контактирующей, с другой стороны, с рядом поддерживающих роликов. Ширина пластины соответствует ширине жидкой лунки в расчетном сечении слитка. Длина пластины может варьироваться, но всегда кратна шагу роликов. Толщина пластины

ПГТУ, канд.техн.наук, доц.

определяется с учетом реальной толщины корки слитка в расчетном сечении при заданной скорости вытягивания. Распределение температуры по толщине корки - линейное. Принимается, что материалы пластины и роликов отвечают упругой модели механических свойств. Характер распределения контактных давлений между слитком и роликами поддерживающего устройства находят в результате решения задачи как статически неопределимой методом сил.

В отличие от известных данная методика обладает некоторыми преимуществами. Так, представляется возможным учесть влияющие на эпюры контактных давлений геометрические и жесткостные параметры роликовой проводки, а, именно: неравномерный шаг установки роликов, их упругую податливость, возможную профилировку. Можно исследовать также влияние выработки роликов или различные нештатные ситуации, такие как, неверный уровень установки отдельных роликов в ручье, аварийное «проседание» ролика при поломке подшипника, эксцентричное вращение ролика, связанное с тепловой его деформацией при остановке машины со слитком и последующем начале вытягивания. Все эти факторы при дальнейшем расчете деформированного состояния корки слитка учитываются опосредствовано, через их вклад в распределение контактных давлений.

Для вычислений на втором этапе расчетов используют любой из численных методов определения напряженно-деформированного состояния тела (в данном случае - пластины), например, метод конечных элементов (МКЭ) [4]. Контактные давления на пластину со стороны роликов принимают в соответствии с результатами расчетов по первому этапу. Учитывают также смещение нейтрального слоя при изгибе пластины с линейным распределением температуры. Сравнивая значение есол с величиной екр = 0,20 % делают вывод о возможности (вероятности) образования поперечных трещин в корке заготовки.

Предложенный алгоритм расчета был использован для исследования напряженно-деформированного состояния корки двухфазной заготовки в ЗВО МНЛЗ МК "Азовсталь". Исходные данные для расчетов принимали в соответствии с параметрами существующего оборудования и действующей на настоящий момент технологии непрерывного литья.

Расчеты выполнялись для 18-ти характерных сечений слитка. Исследовались сечения под 2-мя крайними роликами каждой секции радиального и криволинейного участков. За расчетные скорости вытягивания принимали соответственно 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 м/мин. Результаты вычислений представлены на рис.1,а . Из графиков видно:

1. Деформация заготовки на фронте затвердевания по длине технологической оси МНЛЗ не постоянна. На радиальном участке она увеличивается с увеличением расстояния от кристаллизатора и с увеличением скорости вытягивания.

2. На деформированное состояние корки оказывает влияние шаг роликов поддерживающего устройства. В промежутках между секциями роликов (где расстояния между соседними роликами завышены по соображениям посекционного монтажа-демонтажа проводки) наблюдается характерный всплеск деформаций, превышающий номинал на 30 - 35 %. Эти участки наиболее опасны с точки зрения возможного образования трещин.

3. При скоростях вытягивания до 0,6 м/мин вероятность образования трещин в заготовке по всей длине МНЛЗ незначительна.

4. При скоростях вытягивания 0,6...0,8 м/мин образование трещин наиболее вероятно в промежутках между секциями роликов радиального участка.

5. При скоростях вытягивания выше 0,8 м/мин образование трещин возможно как между секциями роликов, так и внутри секций.

Теоретические выводы в целом подтверждаются результатами металлографических исследований ЦЛМК МК «Азовсталь».

Выполненное исследование позволило рекомендовать следующее. Опасные с точки зрения трещинообразования слитка участки роликовой проводки МНЛЗ должны быть оснащены средствами дополнительного поддержания слитка. В качестве дополнительных поддерживающих элементов предложено использовать попарно установленные в промежутках между основными ролики малого диаметра. Рассматривались варианты установки дополнительных роликов в пределах секции основных роликов и в промежутках между секциями. Таким образом, при наличии полного комплекта средств дополнительного поддержания шаг поддерживающих элементов в ЗВО может быть уменьшен вдвое. Повторные

вычисления применительно к роликовой проводке с дополнительными роликами для тех же сечений слитка и тех же скоростей вытягивания дали результаты, представленные на рис. 1,6.

8 И Л О

И «

&

Е

Л О

о

ч в

л Ч о н 8 о о в н О

«

8

£ И

о

ч а о

и £

со о н В О

а

сЗ В сЗ И

н 8 Ч о

0,40

0,35 0,30 0,25 0,20

0,15 0,10

а)

1 1 __ 1,2 м/мин 1,0 м/мин ___0,8 м/мин 0,6 м/мин

Л л п

и н 1 ~—1 п а

) и у 1 А 1 1 1 1 ( 1 1 .1 \ / 1 1 1 ч

✓ 0. Г ' 1 !г 1 - ~ " Г » 1 1 П ' > 1 1  п г « 1 • к ^

Г - и- и и- —-— "'

6 7 8 9 Длина ручья, м

10

11

12

8 И Л О

И «

8 &

Е

Л О

о

ч в

л Ч о н 8 о о в н О

«

8

£ И

о Ч Л о

и £

со о Н В О

а

сЗ В сЗ И

н 8 Ч о

0,30 0,25

0,20 0,15 0,10

1 1 — 1,2 м/мин — 1,0 м/мин — 0,8 м/мин ---- 0,6 м/мин

^^ Л 1 У -'г - А г ^'гт .л, Г1 _ - - г * п

^ -Л -г

10

11

12

3 4 5 6 7 8 9 б) Длина ручья, м

Рис. 1- Деформированное состояние слитка на криволинейном участке МНЛЗ МК «Азовсталь» существующей конструкции (а) и с дополнительными роликами в промежутках между основными (б).

Анализ результатов показывает. Применение дополнительных роликов в роликовой проводке МНЛЗ уменьшает величину напряжений и деформаций корки двухфазной заготовки на 40...60 %. Указанное уменьшение деформации корки теоретически позволяет улучшить качество заготовки при заданной скорости вытягивания либо увеличить скорость вытягивания без снижения качества изделия, что является резервом повышения производительности МНЛЗ по дефекту "гнездообразные трещины".

Теоретические предположения проверили экспериментально. На МК «Азовсталь» были изготовлены и опробованы в действующей МНЛЗ секции роликов с дополнительными роликами малого диаметра. Конструкция дополнительного оборудования предусматривала минимальное изменение существующих секций и обязательное сохранение посекционного

монтажа ручья со сборкой и наладкой секций за пределами машины. Схемы установки

Межсекционные ролики (Рис.2,а) монтировались в поворотных корпусах для обеспечения компактности при монтаже секции в рабочее положение.

Внутрисекционные ролики (Рис.2,б) выполнены в корпусах с возможностью самоустановки относительно основных роликов, что выравнивает податливость основных и дополнительных роликов и не допускает их перегруза.

Устройства устанавливали на 4-х участках ручья, где расчетная вероятность образования трещин в заготовке была наибольшей. В ходе эксперимента разлито 182 плавки. Установлено улучшение качества литой заготовки при повышенных скоростях вытягивания в среднем на 1 балл шкалы ЦНИИЧМ ОСТ 14-4-72 для гнездо-образных трещин. Улучшение качества делает возможным увеличение скорости вытягивания заготовки (при сохранении его качества по гнездообразным трещинам на уровне существующего) в среднем на 0,05...0,10 м/мин.

Выводы

1. Разработана и опробована методика расчета деформированного состояния корки заготовки по длине технологической оси МНЛЗ с учетом геометрии поддерживающего устройства. Найденные величины деформаций использованы для оценки вероятности появления в заготовке внутренних трещин.

2. Исследовано деформированное состояние слитка в действующей МНЛЗ МК «Азовсталь». Установлено, что при скорости вытягивания до 0,6 м/мин трещины вследствие выпучивания заготовки не образуются. При скоростях 0,6...0,8 м/мин трещины образуются в промежутках между секциями роликов. При скоростях выше 0,8 м/мин трещины образуются между секциями и внутри секций роликов.

3. Перспективным направлением повышения скорости вытягивания в МНЛЗ является оснащение опасных участков роликовой проводки дополнительными опорами в виде роликов малого диаметра. Так, установка роликов только в межсекционных промежутках позволяет увеличить скорость вытягивания без ущерба для качества заготовки на 0,1 м/мин.

Перечень ссылок

1. Карлинский С. Е., Денисов Ю. В. Определение деформации корки непрерывнолитых слябов в роликовой зоне МНЛЗ/ С.Е.Карлинский, Ю.В.ДенисовИ Сталь,- 1986,- № 8,- С.21-24.

2. Пюрингер О.М. Формирование непрерывнолитой заготовки на МНЛЗ/ О.М.ПюрингерИ Черные металлы,- 1976,- № 6-7,- С.3-8.

3. Шишкин В.В. К расчету взаимодействия слитка МНЛЗ с роликами зоны вторичного охлаждения/ В.В.ШишкинП Захист мсталурпйних машин вщ поломок: Межвуз. темат. сб. наук. пр./ПДГУ- Мар1уполь, 2002.-Вип.6,- С.68-72.

4. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике/ О.Зенкевич.- М.: Мир, 1975,- 541 с.

дополнительных роликов приведены на рис.2. 1 2

1 2 3

Рис.2 - Установка межсекционных (а) и внутри-секционных (б) дополнительных роликов между основными роликами МНЛЗ 1 - основные ролики; 2 - дополнительные ролики; 3- средства самоустановки.

Статья поступила 15.01.2003