Размещено на http://www.allbest.ru/

Приазовський державний технічний університет

УДК 669.18-412-147(043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення якості безперервно литих заготовок за рахунок вдосконалення температурно-швидкісного режиму розливки та умов вторинного охолодження

05.16.02 - Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

Назаренко Наталя Вікторівна

Маріуполь - 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) МОН України

Науковий керівник: технологічний заготовка хімічний

доктор технічних наук, професор Троцан Анатолій Іванович, зав. кафедри „Технологія та комп'ютеризація ливарного виробництва” Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Макуров Сергій Леонідович, професор кафедри „Теорія металургійних процесів” Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь)

кандидат технічних наук Бєлов Борис Федорович, провідний науковий співробітник відділу матеріалознавства сталі Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (м. Макіївка)

Захист відбудеться « 17 » грудня 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий « 10 » листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01, доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. У сучасних умовах, коли об'єм металу, що розливається на машинах безперервного лиття заготовок, постійно збільшується, підвищення ефективності процесу розливання, як правило, пов'язують із підвищенням якості отримуваних заготовок.

Одним із важливих чинників, що сприяють підвищенню ефективності функціонування агрегатів безперервного лиття заготовок, є забезпечення раціональних технологічних режимів роботи устаткування стосовно різних груп марок сталі та перетину заготовок.

Сучасні технології управління якістю заготовок засновані на максимальному обліку всіх значущих для якості чинників, забезпеченні взаємодії і зворотного зв'язку в системі управління МБЛЗ з фактичними параметрами, що характеризують технологічний процес.

Вдосконалення температурно-швидкісного режиму розливання, поліпшення розподілу температури поверхні слябу за рахунок управління режимами вторинного охолодження у нижніх сегментах ЗВО, настройка режиму вторинного охолодження з використанням процедури оптимізації за величинами витрат води на секції ЗВО у даний час проводяться з використанням результатів моделювання процесу формування безперервнолитих заготовок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана з використанням результатів, отриманих під час виконання держдоговірних НДР на ВАТ “МК “Азовсталь” “Розробка і впровадження комплексу заходів щодо зниження осьової ліквації і частоти прояву поверхневих дефектів в безперервнолитому металі” (0106U006215) та “Розробка і впровадження технології виплавки і безперервного розливання низьколегованих ніобійвмістких сталей, що запобігає появі поверхневих дефектів прокату” (0108U003717). Автор брала участь у виконанні етапів НДР пов'язаних з відробітком технології підготовки металу до розливання і безперервного лиття сталі, моделюванню формування безперервнолитих слябових заготовок, оптимізації режимів вторинного охолодження, статистичному аналізу впливу технологічних чинників на якість слябів і готового прокату.

Мета і задачі дослідження: розробка технологічних прийомів, спрямованих на підвищення якості безперервних заготовок за рахунок вдосконалення температурно-швидкісних режимів розливання та режимів вторинного охолодження.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні задачі:

- уточнити вимоги до температурного профілю поверхні безперервно-литої заготовки за її довжиною для різних груп марок сталі;

- запропонувати раціональні режими вторинного охолодження для різних груп марок сталі, спрямованих на поліпшення якості безперервнолитих заготовок, на основі оптимізації умов вторинного охолодження з використанням різних критеріїв;

- отримати наближені рішення завдань процесу твердіння і формування хімічної неоднорідності безперервнолитих заготовок за різних граничних умов, які описують фізичну суть процесу по всій металургійній довжині МБЛЗ;

- уточнити умови формування твердої оболонки заготовки у кристалізаторі і температурно-швидкісний режим розливання для тріщиночутливих марок сталі в залежності від хімічного складу та перегріву металу;

- розробити спосіб розрахунку температурного поля і поля концентрацій хімічних елементів у подовжньому осьовому перерізі заготовки, а також для термодинамічного аналізу формування неметалевих вкраплень в осьовій зоні з урахуванням лікваційних процесів.

Об'єкт дослідження - процеси твердіння, охолодження і формування хімічної неоднорідності безперервнолитих слябових заготовок.

Предмет дослідження - залежність поля температур, динаміки просування фронту кристалізації і макронеоднорідності в залежності від режимів первинного та вторинного охолодження при безперервному розливанні на криволінійних МБЛЗ.

Методи дослідження. У даній роботі використані методи математичного моделювання формування безперервнолитих заготовок. Для підтвердження результатів обчислювального експерименту використані результати промислового експерименту: вимірювання температури поверхні заготовок; результати дослідження поверхневих і внутрішніх дефектів, макроструктури (після травлення); хімічної неоднорідності на поперечних темплетах.

Наукова новизна:

- запропоновано і випробувано у промислових умовах новий температурно-швидкісний критерій тріщиностійкості для різних груп марок сталі, що дозволяє встановити взаємозв'язок перегріву металу в проміжному ковші з хімічним складом і швидкістю розливання металу, отримано рівняння для оцінки раціональної швидкості витягування заготовок різного перетину;

- розроблено новий спосіб розрахунку раціонального температурного профілю поверхні безперервнолитої слябової заготовки, що забезпечує зниження відсортовування заготовок за поверхневими дефектами;

- запропоновано і випробувано у промислових умовах теоретичний підхід і рівняння для розрахунку оптимальних витрат води по секціях зони вторинного охолодження МБЛЗ у залежності від хімічного складу сталі, температури металу, який розливається, швидкості витягування, перетину, що забезпечує поліпшення якості слябових заготовок із різних марок сталі;

- розроблено спосіб розрахунку розподілу теплоти кристалізації в інтервалі твердіння для низьколегованих сталей складного хімічного складу.

Практична значущість отриманих результатів і реалізація роботи.

Розроблена і випробувана в промислових умовах процедура оптимізації умов вторинного охолодження за різними критеріями, до складу якої входить можливість моделювання процесу твердіння безперервнолитих заготовок і формування хімічної макронеоднорідності.

Проаналізовано вплив режиму вторинного охолодження на розподіл температури поверхні заготовки. Встановлені межі варіювання витрат води у різних секціях ЗВО. Запропоновані та випробувані в промислових умовах раціональні режими вторинного охолодження і температурно-швидкісний режим розливання для різних груп марок сталі, а також рекомендації по розподілу температури поверхні по довжині заготовки для перитектичних сталей.

Запропоновані і випробувані у промислових умовах рекомендації з регулювання хімічного складу металу (у межах марочного) при розливанні перитектичних сталей.

Рекомендації щодо підвищенню якості литого металу використані металургійним комбінатом “Азовсталь”. Програма і результати досліджень впроваджені у навчальний процес і використовуються студентами кафедр інформатики, технології і комп'ютеризації ливарного виробництва Приазовського державного технічного університету під час курсового та дипломного проектування.

Публікація і апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 6 статтях у спеціалізованих виданнях, рекомендованих ВАК України і Росії, та 12 тезах доповідей. Основні положення і результати досліджень, які узагальнені у дисертації, було докладено і обговорено на міжнародних науково-методичних, технічних і практичних конференціях: “Сучасні проблеми виробництва сталі й управління якістю підготовки фахівців” (м. Маріуполь, 2002), “Сучасні проблеми теорії і практики виробництва якісної сталі”
(м. Маріуполь, 2004), “Математичні методи та інформаційні технології в управлінні, освіті, науці і виробництві” (м. Маріуполь, 2005), “Математична культура інженера: формування, вплив на професійну діяльність” (м. Донецьк, 2005), V конференції молодих фахівців ВАТ “ММК ім. Ілліча” (м. Маріуполь, 2005), “Вільне програмне забезпечення у вищій школі” (м. Переславль, 2006), “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпропетровськ, 2006), “Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2006, 2008), “Університетська наука» (м. Маріуполь, 2004-2010); міжнародному науково-технічному конгресі “Процеси плавки, обробки і розливання металу: відливки, злитки, заготовки” (м. Київ, 2006).

Особистий внесок дисертанта у виконану роботу. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи, а також положення, що виносяться на захист, розроблені і отримані особисто автором або при його безпосередній участі.

Об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і додатків. Вона містить 144 стор. машинописного тексту, а також 68 ілюстрацій і 18 таблиць, бібліографічний список, що включає 130 найменувань, 4 додатки на 10 сторінках.

Зміст роботи. У першому розділі проведений критичний аналіз літературних даних за темою дисертації і обґрунтовано мету роботи. Аналіз сучасних напрямів розвитку технології і устаткування для безперервної розливки сталі дозволяє зробити висновок про розширення останніми роками практики використання методів математичного моделювання та оптимізації для управління вторинним охолодженням при безперервному розливанні блюмових і слябових заготовок, що забезпечують підвищення якості їх поверхні і поліпшення макроструктури. Значний інтерес представляє використання комплексних критеріїв оптимізації, які забезпечують високу ефективність управління вторинним охолодженням для різних груп марок сталі при розливанні на криволінійних МБЛЗ.

Проте, не зважаючи на розширення застосування технології безперервного розливання з використанням оптимізованих режимів вторинного охолодження, багато аспектів їх розробки до кінця не з'ясовано і вимагають проведення додаткових досліджень.

У другому розділі представлені використані методики контролю температурного профілю поверхні безпрерервнолитих слябових заготовок, дослідження їх макроструктури і якості поверхні, рівня забрудненості прокату неметалевими вкрапленнями.

Третій розділ присвячений розробці раціональної технології підготовки до розливання сталі перитектичних марок, що спрямована на зниження ураженості слябових заготовок поверхневими дефектами.

Для вибору чинників, що визначають якість безперервнолитої заготовки, було проведено статистичний аналіз їх ураженості дефектами різного виду. Результати свідчать про те, що найпоширенішими видами дефектів на безперервнолитих слябах, що розливаються на МБЛЗ конвертерного виробництва ВАТ “МК “Азовсталь”, є внутрішні дефекти (розшарування, осьові тріщини), поверхневі тріщини різних типів (подовжні, поперечні, павукоподібні - залежно від марки сталі).

У ході дослідження були відібрані статистичні дані з якості безперервнолитих слябів, а саме, відсоток ураженості слябів поверхневими і внутрішніми дефектами, залежно від вмісту хімічних елементів у готовому металі, а також від температурно-швидкісного режиму безперервного розливання. Показність зібраної інформації дозволила встановити взаємозв'язок ураженості слябів поверхневими і внутрішніми дефектами з технологічними параметрами.

У разі зміцнюючого легування марганцем (-стабілізатор), фазовий механізм кристалізації може змінюватись навіть при характерному для перитектичних марок сталі вмісту вуглецю (0,10-0,11%), тому тип первинної структури таких сталей може змінюватись навіть у межах марочного складу. Встановлено, що істотний вплив на обсяг зачистки поверхневих дефектів (переважно подовжніх тріщин) безперервнолитих заготовок із перитектичних сталей, легованих марганцем і кремнієм, надає величина ферритного потенціалу металу (рис. 1а), а також масова доля сірки (рис. 1б).

Для різних марок низьколегованих сталей встановлені раціональні межі варіювання хімічного складу в межах марочного, що забезпечують зниження ураженості поверхні заготовок подовжніми і павукоподібними тріщинами (наприклад, для низьколегованих сталей, що містять марганець, при позапічній обробці присадки феросплавів, що містять марганець і кремній, обираються у залежності від масової частки вуглецю).

Істотний вплив на формування макроструктури металу і точкової неоднорідності надають не концентрації індивідуальних елементів, а комплексні показники - відношення [Ca]/[S], [Mn]/[S]. У результаті експериментального дослідження розвитку хімічної і точкової неоднорідності слябових заготовок встановлено статистично значущий вплив на ці параметри як величини температури металу в проміжному ковші та вибору режиму вторинного охолодження, так і варіювання хімічного складу сталі (у межах марочного для групи низьколегованих сталей).

Рис. 1. Вплив феритного потенціалу (а) і масової долі сірки (б) на обсяг зачистки поверхні безперервнолитих слябових заготовок (перитектичні марки сталі, 1 точка - середнє по 100 плавкам)

Зокрема, для групи перитектичних марок сталі встановлені граничні значення відношень [Mn]/[S] і [Ca]/[S], що забезпечують мінімальний розвиток подовжніх тріщин на поверхні слябових заготовок ([Mn]/[S] > 150 і [Ca]/[S] > 0,25).

У четвертому розділі представлені результати дослідження впливу температурно-швидкісного режиму розливання на якість поверхні слябових заготовок, запропонований критерій тріщиностійкості для вибору раціонального режиму розливання, а також наведена методика наближеного розрахунку стаціонарних режимів вторинного охолодження і раціонального температурного профілю безпрерервнолитих заготовок із різних груп марок сталі.

На підставі наближеного аналітичного розв'язання рівняння теплопровідності для початкової стадії твердіння отримана оцінка залежності товщини твердої оболонки x від перегріву металу в кристалізаторі (С - показник, що характеризує тепловідвід за висотою кристалізатора, кВт/(м2.с0,5); H - відстань від дзеркала металу по осі заготовки, м), що задовільно узгоджується з експериментальними даними:

(1)

Під час вибору температурно-швидкісного режиму розливання величина x повинна задовольняти умові достатньої міцності оболонки на нижньому зрізі кристалізатора (25-30 мм).

На підставі умов теплового і матеріального балансів кристалізатора отримано рівняння для оцінки раціональної швидкості витягування:

, (2)

де - середній тепловий потік, що відводиться від поверхні сляба в кристалізаторі, Вт/м2; ha - висота кристалізатора, м; - густина сталі, кг/м3; b, R - ширина і товщина сляба, м; с - теплоємність металу, Дж/(кг•К); - перегрів металу над лінією ліквідус, оС; L - теплота кристалізації, Дж/кг.

Для розрахунку використовувалась декілька видозмінена залежність Є.М. Кітаєва, в якій коефіцієнт А оцінювався за наслідками проведення дослідних плавок:

, (3)

де - співвідношення сторін поперечного перетину заготовки.

На підставі аналізу впливу температури металу в проміжному ковші на змінення температури поверхні заготовки (за умов однакового режиму вторинного охолодження) встановлено, що раціональне значення швидкості витягування заготовки та величина перегріву металу в проміжному ковші для різних груп марок сталі пов'язані емпіричним співвідношенням:

(4)

де m, n - показники ступені, що варіюються для різних груп марок сталі. Встановлено, що для перитектичних марок сталі n = 1; m = 0,33.

Результати статистичного аналізу впливу температурно-швидкісного режиму на індекс первинного відсортовування слябових заготовок із перитектичних марок сталі за поверхневими дефектами (переважно подовжніми тріщинами) представлені на рис. 2.

Метою вивчення різних режимів охолодження у ЗВО була оцінка розподілу щільності зрошування за довжиною безперервнолитої заготовки, яка забезпечує необхідну для даної марки сталі зміну температури поверхні заготовки.



Рис. 2. Вплив температурно-швидкісного режиму розливання низьколегованих перитектичних марок сталі на індекс первинного відсортовування

На бічних гранях заготовки у зоні вторинного охолодження коефіцієнт тепловіддачі до охолодного агенту розраховувався за наступними рівняннями:

, (5)

де q - щільність зрошування, м3/(м2.с); А, В - емпіричні коефіцієнти; або

, (6)

де r - емпірична константа (за оцінками, наведеними у літературі, r=0,5…0,6). Для конкретної МБЛЗ параметри А, В, r визначені методом статистичного аналізу експериментальних даних за оцінкою залежності коефіцієнта тепловіддачі від щільності зрошування для встановлених форсунок.

З умови теплового балансу горизонтального перетину безперервнолитої заготовки при заданій зміні температури поверхні за довжиною заготовки Tпов(z) і відомому законі швидкості росту твердої оболонки x(z) (для наближеного розрахунку швидкості росту твердої оболонки було використано закон квадратного кореня) отримано співвідношення для розрахунку щільності зрошування q(z):

(7)

де - тепловий ефект росту твердої оболонки, Вт/м2; x(z) - товщина затверділої оболонки, м; - втрати тепла з поверхні контрольного об'єму, Вт/м2; Тпов - температура поверхні заготовки, оС; Ттв - температура твердіння, оС (приймалася рівній температурі виливання); z - координата за віссю заготовки, м.

Для широких граней слябу витрата води на секцію n визначалася зі співвідношення:

, (8)

де , - координати початку та кінця секції n ЗВО за віссю заготовки, м; - середня щільність зрошування у секції n ЗВО, м3/(м2.с), що розраховується за формулою

. (9)

Наведена методика практично універсальна і дозволяє побудувати адекватний режим для різних груп марок сталі в залежності від хімічного складу металу, але не враховує впливу перегріву металу та умов вторинного охолодження на розміри зон стовпчастих і рівновісних кристалів.

Для оцінки положення границі переходу зони стовпчастих кристалів у рівновісну було використано модель Ханта:

, (10)

де G - градієнт температури на кінці дендриту, К/м; V - лінійна швидкість кристалізації, м/с; N0 - числова щільність зародків (м-3); C0 - концентрація розчиненого елементу, %масс; ; D - коефіцієнт дифузії розчиненого елементу (вуглецю), м2/с; m - нахил кривої ліквідуса; k - коефіцієнт розподілу; Г - константа Гіббса-Томсона; СЕТ - критерій, що визначає умову переходу стовпчастої зони у рівновісну.

На підставі припущення про малу товщину двофазної зони для верхньої частини зони вторинного охолодження, встановлено наступне співвідношення для оцінки температури поверхні заготовки, при якому можливий перехід стовпчастої зони у рівновісну:

. (11)

Зазвичай приймаються залежності для зміни температури поверхні заготовок, які не враховують взаємозв'язок внутрішніх процесів формування заготовки і розподілу напруги за товщиною твердої оболонки. З умови мінімуму температурних напруг в оболонці злитка, що твердіє, встановлено рівняння, що описує зміну температури поверхні заготовки:

, (12)

де 0 = t0/tкр - відносна температура поверхні заготовки на виході з кристалізатора (t0 - температура поверхні злитку на виході з кристалізатору, оС; tкр - температура кристалізації сталі, оС); к = tк/tкр - відносна температура поверхні заготовки наприкінці твердіння (tк - температура поверхні злитку наприкінці твердіння, оС); а - товщина злитка, м; 0 - товщина оболонки злитку при виході з кристалізатору, м.

Оскільки коефіцієнт постійний, то для будь-якої ділянки зони вторинного охолодження можна записати:

, (13)

(14)

де n і - відносна температура і товщина оболонки злитку в момент часу .

При розливанні перитектичних марок сталі, що містять мікролегуючі домішки, істотний вплив на розвиток поверхневих дефектів (переважно подовжніх тріщин) надає формування карбідних і карбонітридних вкраплень у оболонці, яка твердіє, що істотно змінює вимоги до температури поверхні заготовок.

Враховуючи умову (11), для отримання максимальної ширини рівновісної зони і, отже, зниження розвитку осьової неоднорідності, доцільно для нормування витрат води за секціями зони вторинного охолодження МБЛЗ у перших секціях ЗВО підтримувати інтенсивність охолодження (і температуру поверхні) відповідно рівнянням (12)-(14), а у середніх і останніх - відповідно умові (11) або вище границі температурного інтервалу крихкості для сталей, що містять мікролегуючі елементи (Nb, V, Ti).

П'ятий розділ присвячений оптимізації режимів вторинного охолодження для слябових МБЛЗ на основі математичного моделювання нестаціонарних процесів твердіння і формування хімічної неоднорідності безпрерервнолитих заготовок.

Оптимізація режиму охолодження у ЗВО проводилась за рядом критеріїв: тепловому критерію, комплексному критерію з урахуванням вимог до зниження осьової макронеоднорідності, комплексному критерію з урахуванням експертної оцінки якості заготовок.

Для уточнення теплового режиму ЗВО був використаний критерій оптимальності, аналогічний відомим рішенням:

(15)

де z - відстань від меніску вздовж осі заготовки, м; w1…w6, - вагові коефіцієнти;, - поточне значення коефіцієнту тепловіддачі, його максимально і мінімально припустимі значення, Вт/(м2•К); - відповідно поточна, оптимальна, максимально і мінімально припустима температура поверхні заготовки для даного перетину, К; максимальна температура у секції ЗВО, температура у початковій точці секції, К; i - індекс секції ЗВО.

Для уточнення теплового режиму вторинного охолодження з урахуванням вимог до зниження осьової неоднорідності було побудовано сімейство більш складних комплексних критеріїв:

(16)

де - вагові коефіцієнти для мінімізації хімічної макронеоднорідності по елементу k; - максимальна і середня концентрація елементу k у поперечному перетині заготовки, % масс; , , - поточне, часткове оптимальне і нормоване значення критерію якості, який враховується.

Алгоритм оптимізації за всіма варіантами критеріїв - метод штрафних функцій з використанням модифікованого методу Нелдера-Міда.

Поля температур і концентрацій в осьовому перетині розраховувались за допомогою математичної моделі формування безперервнолитої заготовки.

Теплові процеси, які відбуваються в заготовці, що кристалізується, було описано рівнянням теплопровідності з урахуванням ефективної теплоємності металу в інтервалі твердіння.

Взаємозв'язок ентальпії і температури металу враховували відповідно моделі мікронеоднорідності:

, (17)

де - частка твердої фази у ДФЗ; xi = 1-ki ; (=0, 1/2, 1 залежно від моделі, яка використовується); ki - коефіцієнт розподілу домішки між твердою і рідкою фазами; Ds - коефіцієнт дифузії у твердій фазі, м2/с; tf - характерний час дифузії, с; ls - середня довжина дифузії (розмір гілки дендриту), м.

При лінійній апроксимації залежності ліквідуса від хімічного складу рідкої фази у дендритному осередку отримуємо локальну температуру ліквідуса:

(18)

Граничні умови записувались, виходячи з умов теплообміну заготовки із зовнішнім середовищем:

, (19)

де - коефіцієнт тепловіддачі, який розраховувався для умов теплообміну з урахуванням наявності шлаку на дзеркалі металу, Вт/(м2•К); Твх - температура металу, що поступає в кристалізатор, К; - коефіцієнт тепловіддачі до охолодного середовища. На бічних гранях заготовки у ЗВО коефіцієнт тепловіддачі до охолодного агенту розраховувався за наслідками експериментів на конкретній МБЛЗ.

Процес формування макронеоднорідності описувався декілька видозміненим рівнянням конвективної дифузії (для кожного хімічного елементу, який брався до уваги):

(20)

З урахуванням формування дендритної структури з різною дисперсністю, яка впливає на величину ефективного коефіцієнта дифузії, використовувалась і складніша залежність:

, (21)

де - середні відстані між первинними і вторинними осями дендритів відповідно, м; - коефіцієнт розподілу (значення обирались за літературними даними); v - середня швидкість плину рідкої фази у ДФЗ, м/с, яка оцінювалась за напівемпіричною формулою:

(22)

Відстані між осями дендритів оцінювались з використанням напівемпіричних залежностей:

, , (23)

де R - швидкість твердіння, м/с; G - градієнт температури окіл фронту твердіння, К/м; M, N - емпіричні константи (визначалися за наслідками мікродослідження поперечних темплетів).

Приклад результатів розрахунку теплового поля і оцінки хімічної макронеоднорідності представлений на рис. 3-5.



Рис. 3. Графічне зображення температурного поля безперервного слябу і товщини твердої оболонки (1 - T>TL, 2 - TS<T<TL; 3 - T<TS). Розрахунок виконаний для слябу перетином 300х1800 мм, швидкість витягування 0,6 м/хв.

Рис. 4. Приклад результатів розрахунку температури на осі і на поверхні безперервнолитої заготовки (умови розливання відповідають рис. 3)

Шостий розділ присвячений аналізу результатів промислового випробування раціональних режимів вторинного охолодження і висновків зі статистичного дослідження взаємозв'язку технологічних чинників з якістю безперервнолитих заготовок.

Для побудови раціональних режимів виконано дослідження впливу витрати води за зонами ЗВО на розвиток поверхневих і внутрішніх дефектів заготовок із різних марок сталі.

Промислове випробування розроблених режимів вторинного охолодження підтвердило можливість уточнення температурного профілю поверхні безперервнолитих слябових заготовок і вибору раціональних витрат води за секціями ЗВО шляхом розв'язання багатокритеріальної оптимізаційної задачі.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Приклад результатів розрахунку розподілу концентрацій елементів, ліквірувальних за перетином слябу

Випробування раціональних режимів вторинного охолодження здійснювалось у промислових умовах конвертерного цеху ВАТ “МК “Азовсталь” на плавках низьколегованих трубних і конструкційних марок сталі (13Г1СУ, 17Г1СУ, 09Г2ФБ, 10Г2ФБ та ін.) і деяких перитектичних марок сталі.

На дослідних плавках конструкційних низьколегованих сталей, відлитих за раціональними режимами вторинного охолодження, ураженість слябів внутрішніми тріщинами скоротилась на 0,5 балу, середнє зниження балу за осьовою ліквацією склало 0,3-0,5 балу (в залежності від марки сталі). За рахунок вдосконалення підготовки металу до розливання, температурно-швидкісного режиму розливання і режимів вторинного охолодження перитектичних марок сталі відсортовування листового прокату за поверхневими дефектами знизилось на 15-20 %. Результати промислового випробування комплексу розроблених заходів наведені на рис.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Результати дослідно-промислового випробування рекомендацій по вдосконаленню підготовки металу і безперервного розливання перитектичних марок сталі

Загальний очікуваний економічний ефект від впровадження раціональних режимів вторинного охолодження, вдосконалення температурно-швидкісного режиму розливання перитектичних марок сталі в умовах ВАТ “МК “Азовсталь” складає 171 тис. грн.

Висновки

У дисертації наведені теоретичні узагальнення і дано розв'язання наукової задачі вдосконалення технології підготовки металу і безперервного розливання низьковуглецевих і перитектичних марок сталі у слябові заготовки, які мають важливе значення для металургії.

1. На підставі аналізу теплофізичних процесів у кристалізаторі МБЛЗ і статистичного аналізу результатів дослідних плавок запропоновано новий температурно-швидкісний критерій тріщиностійкості для різних груп марок сталі, що дозволяє встановити взаємозв'язок швидкості витягування слябової заготовки з перетином заготовки, хімічним складом і перегрівом металу в проміжному ковші. Встановлено, що швидкість витягування слябових заготовок залежить також і від теплофізичних процесів і фазових перетворень у затверділій оболонці сталі, що розливається. Зокрема, раціональне значення швидкості витягування слябових заготовок із перитектичних марок сталі на 0,1-0,2 м/хв менше, ніж з вуглецевих або низьколегованих марок сталі з однаковим перетином.

2. На підставі результатів розрахунку і промислового експерименту запропоновано рівняння, що визначає залежність товщини твердої оболонки на виході з кристалізатору від перегріву металу в проміжному ковші і швидкості витягування заготовки.

3. Розроблено метод розрахунку раціональної швидкості витягування в залежності від перегріву металу в проміжному ковші, товщини і ширини заготовки, що забезпечує постійність товщини твердої оболонки заготовки на виході з кристалізатору.

На підставі результатів розливання дослідних плавок встановлено, що рекомендований перегрів металу в проміжному ковші над температурою ліквідус при заливці в кристалізатор слябової МБЛЗ складає 15-20°С. Для зниження впливу величини перегріву на якість заготовок запропоновані і впроваджені рекомендації по вибору швидкості витягування з урахуванням марочного сортаменту, перетину заготовки і величини перегріву.

4. Розроблено спосіб розрахунку розподілу теплоти кристалізації в інтервалі твердіння для низьколегованих сталей складного хімічного складу.

5. За наслідками промислового експерименту встановлено взаємозв'язок хімічного складу металу (в межах марочного) з ураженістю поверхневими дефектами безперервнолитих заготовок із перитектичних марок сталі. Показано, що при [Mn]/[S] > 150 і [Ca]/[S] > 0,25 в пробах металу по закінченню позапічної обробки істотно знижується частота прояву подовжніх тріщин та обсяг зачистки поверхні заготовок.

6. На підставі спрощеної математичної моделі фізико-хімічних і теплофізичних процесів, що протікають під час переходу стовпчастої зони у рівновісну в перетині безперервнолитої заготовки, запропонована формула, що визначає розподіл граничної (стосовно марки сталі, яка розливається) температури поверхні за довжиною заготовки.

7. Встановлено, що для отримання максимальної ширини рівновісної зони і, отже, зниження розвитку осьової неоднорідності, доцільно для нормування витрат води за секціями зони вторинного охолодження МБЛЗ у перших секціях ЗВО підтримувати інтенсивність охолодження (і температуру поверхні), керуючись вимогами до величини припустимого градієнту температури і механічної напруги в твердій оболонці, а у середніх і останніх - відповідно умові формування рівновісної зони або вище границі температурного інтервалу крихкості для сталей, що містять мікролегуючі елементи (Nb, V, Ti).

8. Сформульовані критерії оптимізації режиму вторинного охолодження. Запропоновано і випробувано уточнений метод визначення раціональних режимів вторинного охолодження для різних груп марок сталі і перетинів безперервнолитих слябових заготовок. Встановлено, що в залежності від обраних вимог до якості заготовки, витрати води у секціях зони вторинного охолодження варіюються на 15-25% для однієї і тієї ж групи марок сталі і перетину заготовок.

9. Розроблено і адаптовано за промисловими даними спосіб розрахунку кінетики твердіння та формування хімічної мікро- і макронеоднорідності безперервнолитої слябової заготовки при нестаціонарних режимах розливання, який засновано на описі конвективних потоків у рідкій фазі ядра безперервнолитої заготовки коефіцієнтом ефективної дифузії, що залежить від відстані між дендритами і середньої швидкості потоку. Встановлено, що запропонований спосіб дозволяє адекватно оцінювати величину швидкості твердіння для різних режимів розливання і груп марок сталі, а також проводити оптимізацію стаціонарних режимів вторинного охолодження.

10. На підставі результатів моделювання і обробки результатів проведення дослідних плавок проаналізовано вплив режиму вторинного охолодження на розподіл температури поверхні заготовки. Встановлені межі варіювання витратами води в різних секціях зони вторинного охолодження для різних груп марок сталі.

11. Впровадження у ККЦ ВАТ “МК “Азовсталь” температурно-швидкісного режиму розливання перитектичних марок сталі і раціональних режимів вторинного охолодження для різних груп марок сталі дозволило понизити ураженість слябів внутрішніми тріщинами у середньому на 0,5 балу, обсяг відсортовування за поверхневими дефектами - на 15-20%, рівень осьової ліквації - на 0,3…0,5 балу (в залежності від марки сталі).

Основний зміст дисертації опублікований у роботах

у спеціалізованих виданнях України:

1. Назаренко Н. В. Повышение качества непрерывнолитых заготовок из пери-тектических марок стали за счёт выбора рациональных параметров разливки / Н. В. Назаренко, Е. А. Чичкарев // Наукові праці ДонНТУ: серія “Металургія”. - Випуск № 1(159). - Донецьк: ДонНТУ, 2009.- С. 124-130.

2. Исследование и оптимизация режимов вторичного охлаждения при непрерывном литье слябовых заготовок / Е. А. Чичкарев, А. И. Троцан, Н. В. Назаренко и др. // Математичне моделювання: науковий журнал. - Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський державний технічний університет, 2008. - №2(19).- С. 26-29.

3. Математическое моделирование формирования непрерывнолитых слябовых заготовок при нестационарных режимах разливки / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко, О. Б. Исаев, В. В. Кислица // Математичне моделювання: науковий журнал. - Дніпродзержинськ: Дніпродзержинський державний технічний університет, 2006. - №1,2(15).- С. 66-68.

4. Математическое моделирование и оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябовых заготовок / В. В. Кислица, Е. А. Чич-карев, Н. В. Назаренко и др. // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: зб. наук. пр. - Маріуполь: ПДТУ, 2007. - Вип. 17.- С. 50-55.

5. Компьютерное моделирование технологических процессов в черной металлургии на базе открытых программных средств / Н. В. Назаренко, Е. А. Чич-карев, Е. А. Казачков, О. Б. Исаев // Системні технології: Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - Випуск 4(45). - Дніпропетровськ, 2006. - С. 83-93.

у спеціалізованих виданнях Росії:

6. Оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябовых заготовок с помощью математического моделирования / О. Б. Исаев, В. В. Кислица, Е. А. Чичкарев, А. И. Троцан, Н. В. Назаренко // Черная металлургия: бюллетень научно-технической и экономической информации. - Москва: ОАО «Черметинформация», 2007. - Выпуск 12(1296).- С. 72-76.

в інших виданнях:

7. Чичкарев Е. А. Особенности подготовки к непрерывной разливке слябовой заготовки перитектических марок стали / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко, О. Б. Исаев // Университетская наука - 2010: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь: ПГТУ, 2010. - Т. 1. - С. 133-134.

8. Процессы коагуляции неметаллических включений и рафинирования стали при внепечной обработке и непрерывной разливке / Е. А. Казачков, Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко и др. // Процессы плавки, обработки и разливки металлов: отливки, слитки, заготовки: тез. докл. международного научно - технического конгресса (6-7 июня 2006г.). - Киев: Редакция журнала «Процессы литья», 2006. - С. 111-114.

9. Анализ и оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слябовых заготовок / В. В. Кислица, О. Б. Исаев, Г. С. Филин, Е. А. Чичкарев, А. В. Федосов, Н. В. Назаренко // Университетская наука - 2007: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь: ПГТУ, 2007. - Т. 1. - С. 106.

10. Оптимизация режимов вторичного охлаждения при непрерывном литье слябовых заготовок из ниобийсодержащих марок стали / Е. А. Чичкарев, А. В. Федосов, Н. В. Назаренко и др. // Проблеми математичного моделювання: Міждержавна науково-методична конференція: тези доповідей / Дніпродзержинський державний технічний університет. - Дніпродзержинськ, 2008. - С. 165-167.

11. Оптимизация режимов вторичного охлаждения при непрерывном литье слябовых заготовок / Н. В. Назаренко, Е. А. Чичкарев, А. И. Троцан и др. // Университетская наука - 2008: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь: ПГТУ, 2008. - Т. 1. - С. 149-150.

12. Математическое моделирование затвердевания непрерывнолитых слябовых заготовок при нестационарных режимах разливки / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко, А. И. Троцан и др. // Современные проблемы производства стали и управление качеством подготовки специалистов: материалы международной научно-методической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения ученого-металлурга Меджибожского М.Я. (11-13 сентября 2002 г.). - Мариуполь: ПГТУ, 2002. - С. 338-342.

13. Чичкарев Е. А. Математическое моделирование формирования структурной и химической неоднородности непрерывнолитых заготовок / Е. А. Чич-карев, Н. В. Назаренко // Современные проблемы теории и практики производства качественной стали: тезисы докл. Междунар. науч. конф., посвящ. 60-летию каф. «Теория металлургических процессов» и 75-летию ПГТУ (8-10 сент. 2004 г.). - Мариуполь: ПГТУ, 2004.- С. 169-170.

14. Чичкарев Е. А. Эффективные алгоритмы решения задачи Стефана / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко // Математические методы и информационные технологии в управлении, образовании, науке и производстве (МатИнформТех-2005), посвященной 75-летию ПГТУ, 60-летию кафедры высшей математики, 45-летию кафедры автоматизации технологических процессов и производств, 15-летию кафедры информатики: тезисы докладов международной научно-методической конференции / Отв. редактор С. В. Гулаков. - Мариуполь: ПГТУ, 2005.- С. 40-41.

15. Чичкарев Е. А. Сравнительный анализ программных средств для решения задач моделирования технологических процессов / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко // Математична культура інженера: формування, вплив на професійну діяльність: матеріали Міжнародної науково-практичної конференції присвяченої 70-річчю з дня народження професора, доктора технічних наук Пака Вітольда Вітольдовича (31 травня - 2 червня 2005 р.): зб. статей. - Донецьк: РВВ ДонНТУ, 2005.- С. 99-100.

16. Чичкарев Е. А. Разработка математических моделей металлургических агрегатов на базе свободного программного обеспечения / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко // Свободное программное обеспечение в высшей школе: тезисы докладов (Переславль, 28-29 января 2006г.). - Переславль, 2006. - С. 24-26.

17. Чичкарев Е. А. Математическое моделирование формирования непрерывнолитых слябовых заготовок / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко // Математичні проблеми технічної механіки: матеріали міжнародної наукової конференції (17-20 квітня 2006р.). - Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ, 2006. - С. 2326.

18. Чичкарев Е. А. Математическое моделирование формирования макро-структуры и химической неоднородности слябовых непрерывнолитых заготовок / Е. А. Чичкарев, Н. В. Назаренко, О. Б. Исаев // Университетская наука - 2009: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. / ПГТУ. - Мариуполь: ПГТУ, 2009. - С. 117.

Особистий внесок здобувача у сумісних публікаціях:

[1,7] - встановлені раціональні параметри розливання перитектичних марок сталі в слябові заготовки; [2,4,6,10,11] - запропоновані раціональні режими вторинного охолодження з урахуванням вимог до зниження осьової макронеоднорідності, комплексному критерію з урахуванням експертної оцінки якості заготовок; [3,13,17] - виконана оцінка рівня розвитку хімічної макронеодорідності безперервнолитих заготовок у залежності від режиму вторинного охолодження; [5,15,16] - виконані дослідження процесів формування безперервнолитих заготовок; [8] - оцінка рівня забрудненості металу оксидними неметалевими вкрапленнями; [9] - запропоновані критерії для оптимізації витрат води за секціями ЗВО для побудови раціональних режимів вторинного охолодження; [12] - методика представлення граничних умов при моделюванні нестаціонарних режимів розливання; [14] - розроблено алгоритм розв'язання задачі Стефана стосовно нестаціонарних умов кристалізації і плавлення сталі; [18] - встановлено взаємозв'язок інтенсивності зовнішнього охолодження безперервнолитої заготовки і формування мікро- і макронеоднорідності.

Анотація

Назаренко Н.В. “Підвищення якості безперервнолитих заготовок за рахунок вдосконалення температурно-швидкісного режиму розливки та умов вторинного охолодження”. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.02. “Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів”. Приазовський державний технічний університет. Маріуполь, 2010.

У дисертації наведені результати теоретичних і чисельних досліджень із твердіння безперервнолитих заготовок. Запропонована методика розрахунку режиму вторинного охолодження для стаціонарного режиму розливання сталі в слябові заготовки. Запропоновано оригінальний температурно-швидкісний критерій тріщиностійкості і методика розрахунку товщини твердої оболонки на виході з кристалізатору. Запропоновано і випробувано метод оптимізації режиму вторинного охолодження за тепловим критерієм та за комплексним критерієм з урахуванням оцінки розвитку макронеоднорідності в перерізі заготовки. Розроблена і адаптована за промисловими даними математична модель для розрахунку кінетики твердіння і формування хімічної макронеоднорідності безперервнолитого злитку при нестаціонарних режимах розливання. Встановлено, що використання оптимізованих режимів вторинного охолодження дозволяє знизити ураженість слябів внутрішніми тріщинами на 0,5 балу, об'єм відсортовування за поверхневими дефектами - на 15…20 %, рівень осьової ліквації - на 0,3…0,5 балів (в залежності від марки сталі).

Ключові слова: теплофізика, математичне моделювання, безперервне лиття, слябова заготовка, вторинне охолодження, якість безперервнолитої заготовки.

Annotate

Nazarenko N.V. “Improvement in quality of continuous casting slabs at the expense of perfection of the temperature-speed mode of teem and terms of secondary cooling”. The dissertation on competition of scientific degree of a Cand.Tech.Sci. on a specialty 05.16.02. “Metallurgy of ferrous and colors metals and special alloys”. Priazovsky state technical university. Mariupol, 2010.

Results of theoretical and numerical explorations are presented to dissertations on solidification of continuous slabs. The design procedure of a mode of secondary cooling for a stationary mode of continuous casting of the steel slabs is offered. The original temperature-speed stability criterion for fracturing and method of calculating the thickness of the dura at the exit of the mold are proposed. The method of optimization of a mode of secondary cooling by thermal criterion and by complex criterion taking into account an estimation of development of macroheterogeneity in continuous slabs is offered and tested. The mathematical model for calculation of solidification kinetics and formation chemical macroheterogeneity of continuous slabs is developed and adapted on industrial data at non-stationary continuous casting modes. It is fixed, that use of the optimised modes of secondary refrigeration allows to lower пораженность slabs internal cracks on 0,5 points, volume of sorting on superficial defects - on 15 … 20 %, level of an axial exudation - on 0,3 … 0,5 points (depending on a steel grade).

Key words: thermal physics, mathematical modeling, continuous casting, slab, secondary cooling, continuous slabs quality.

Аннотация

Назаренко Н.В. «Повышение качества непрерывнолитых заготовок за счет совершенствования температурно-скоростного режима разливки и условий вторичного охлаждения». Диссертация на соискание научной степени канди-дата технических наук по специальности 05.16.02. «Металлургия черных и цветных металлов и специальных сплавов». Приазовский государственный технический университет. Мариуполь, 2010.

В диссертации представлены результаты теоретических и экспери-ментальных исследований по затвердеванию непрерывнолитых заготовок.

На основании результатов математического моделирования уточнены требования к тепловому состоянию непрерывнолитой заготовки и распре-делению температуры по её длине для различных групп марок стали, пред-ложен температурно-скоростной критерий трещиноустойчивости для раз-личных групп марок стали, позволяющий установить взаимосвязь перегрева металла в промежуточном ковше с химическим составом и скоростью разливки металла, выполнено исследование теплообмена в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ, предложена методика расчёта толщины твёрдой оболочки на выходе из кристаллизатора.

Предложена оригинальная методика расчета режима вторичного охлаж-дения для стационарного режима разливки стали в слябовые заготовки, основанная на аппроксимации закона роста твёрдой оболочки слитка дробно-рациональным выражением, а также зависимость спектра выделения теплоты затвердевания в интервале ликвидус-солидус от химического состава жидкой стали, основанная на модели формирования микронеоднородности.

Сформулированы критерии оптимизации режима вторичного охлаждения, учитывающие как требования к тепловому состоянию непрерывнолитой заго-товки, так и оценку развития макронеоднородности в её сечении.

Разработана и адаптирована по промышленным данным математическая модель для расчета кинетики затвердевания и формирования химической макронеоднорости непрерывнолитой слябовой заготовки при нестационарных режимах разливки, использованная для расчета целевой функции. Установлено, что предложенная методика расчета макронеоднородности позволяет адекватно оценивать её величину для различных режимов разливки и групп марок стали, а также проводить расчет стационарных режимов вторичного охлаждения. Установлены рациональные пределы варьирования расходами воды в различных секциях зоны вторичного охлаждения.

По результатам статистического анализа опытных плавок для группы перитектических марок стали установлены предельные значения отношения [Mn]/[S] и [Ca]/[S], обеспечивающие минимальное развитие продольных трещин на поверхности слябовых заготовок ([Mn]/[S] > 150 и [Ca]/[S] > 0,25).

Показано, что для каждой марки стали и геометрических размеров сечения заготовки существует вполне определенная скорость разливки и режим вторичного охлаждения, которые должны определяться с учетом заданного уровня химической макронеоднородности.

На основании упрощённой математической модели физико-химических и теплофизических процессов, протекающих при переходе столбчатой зоны в равноосную в сечении непрерывнолитой заготовки, предложена формула, определяющая распределение предельной (применительно к разливаемой марке стали) температуры поверхности по длине заготовки. Для получения максимальной ширины равноосной зоны и, следовательно, снижения развития осевой неоднородности, целесообразно для нормирования расхода воды по секциям зоны вторичного охлаждения МНЛЗ в первых секциях ЗВО поддерживать интенсивность охлаждения (и температуру поверхности), руководствуясь требованиями к величине допустимого градиента температуры и механических напряжений в твердой оболочке, а в средних и последних - в соответствии с условием формирования равноосной зоны или выше границы температурного интервала хрупкости для сталей, содержащих микролегирующие элементы (Nb, V, Ti).

Практическое опробование новых режимов вторичного охлаждения для различных групп марок стали подтвердило его положительное влияние на качество непрерывнолитых заготовок. Установлено, что использование рацио-нальных режимов вторичного охлаждения позволяет снизить пораженность слябов внутренними трещинами в среднем на 0,5 балла, объём отсортировки по поверхностным дефектам - на 15…20 %, уровень осевой ликвации - на 0,3…0,5 балла (в зависимости от марки стали).

Ключевые слова: теплофизика, математическое моделирование, непрерывное литьё, слябовая заготовка, вторичное охлаждение, качество непрерывнолитых заготовок.

Размещено на Allbest.ru