Разливка стали

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ: «Разливка стали»

Студент Танасевская Мария Васильевна

Руководитель работы Ивлев Сергей Алексеевич

Москва 2016

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Определение металлургической длины МНЛЗ

2. Построение кривой распрямления технологической оси для криволинейных МНЛЗ

3. Расчет расхода воды на охлаждение кристаллизатора

4. Расчет изменения температуры поверхности непрерывного слитка в ЗВО

5. Определение расхода воды на охлаждение заготовки в ЗВО

6. Определение основных параметров промежуточного ковша

7. Расчет производительности МНЛЗ



Введение

Технология непрерывной разливки стали состоит в том, что жидкий металл непрерывно заливается в верхнюю часть водоохлаждаемой формы -- кристаллизатор, постепенно затвердевает и охлаждается, проходя вдоль всей технологической оси.

Основными узлами машин непрерывного литья заготовок являются охлаждаемый кристаллизатор или формообразователь, зона вторичного охлаждения слитка (ЗВО), поддерживающая система, тянущее устройство и механизмы для разделения и транспортировки слитков.

Принцип работы МНЛЗ рассмотрим на примере криволинейной машины, конструктивная схема которой показана на рис. 1. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш (1), который предназначен для снижения и стабилизации ферростатического давления и динамического напора струи, отделения шлака и стабилизации температуры перед кристаллизатором. Промежуточный ковш также распределяет металл в кристаллизаторы в зависимости от количества ручьев. Далее сталь попадает в водоохлаждаемый кристаллизатор (2), где происходит начальное формирование непрерывного слитка. Перед началом разливки в кристаллизатор вводят так называемую затравку, которая является дном кристаллизатора на начальной стадии разливки.

Сформировавшийся в кристаллизаторе слиток с затвердевшей оболочкой попадает в зону вторичного охлаждения (3), где проводится его дальнейшее охлаждение с помощью водяных форсунок (4) или другими способами. Для предохранения слитка от увеличения объема зона вторичного охлаждения оборудуется специальной поддерживающей системой (5) в виде роликов, брусьев и др. Затем слиток проходит через тянущую клеть (6) и попадает в зону резки (7).

разливка сталь литье заготовка



Схема криволинейной МНЛЗ

Рисунок 1 - Схема криволинейной МНЛЗ

Жидкая сталь поступает в разливочное отделение при t = 1560 - 1580°С. Из сталеразливочного металл подается в промежуточный ковш, предварительно нагретый до 1100°С.

Если принять температуру кристаллизации tкр 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, однако по условиям качества слитка перегрев должен быть не более 30°С.

В кристаллизаторе за счет интенсивного охлаждения но периметру слитка затвердевают поверхностные слои металла, образуя твердую корочку или оболочку слитка. Внутри слитка по центральной оси сохраняется жидкая фаза. Стальная заготовка формируется в соответствии с формой и размерами кристаллизатора. Застывшая в кристаллизаторе сталь сцепляется с затравкой, а образующийся слиток вытягивается вниз с помощью тянущих клетей.

Для предотвращения прилипания жидкой стали к стенке кристаллизатора предусмотрен механизм качания. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение с заданной частотой качания, а в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностью слитка подается специальная смазка.

Толщина затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора должна быть > (25-30) мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность вытягиваемой заготовки и исключить возможность прорыва жидкого металла. По некоторым зарубежным данным толщина корочки должна быть > (15 -25) мм в зависимости от размеров заготовки.

Температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора составляет < (1100-1200)°С при средней температуре корочки -- (1300- 1350)°С. Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действия ферростатического давления жидкого металла.

Слиток с затвердевшей корочкой, попадающий из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения, в результате форсированного поверхностного охлаждения затвердевает по всему сечению. Форма слитка сохраняется за счет специальной поддерживающей системы (роликовой, брусьевой и др.). После прекращения подачи воды слиток охлаждается на воздухе.

В конце зоны вторичного охлаждения температура поверхности (tп) слитка снижается до уровня 800-900°С. Слиток принудительно вытягивается с помощью тянущих клетей, а затем поступает в газорезку, где разрезается на мерные куски заданной длины. Далее заготовки по рольгангу транспортируются на склад.

Успешное внедрение способа непрерывной разливки стали в металлургической промышленности стало возможным только после разработки устойчивого процесса разливки, обеспечивающего стабильное металлургическое производство и получение высококачественной продукции из литых заготовок.

На основании многолетнего опыта определены главные условия для получения устойчивого технологического процесса непрерывной разливки стали:

Ч равномерное распределение металла при подводе в кристаллизатор;

Ч разливка в оптимальных температурных интервалах;

Ч обеспечение симметричности кристаллизации и формирования структуры заготовки, а также необходимой толщины корочки;

Ч вытягивание с заданной постоянной скоростью;

Ч полное затвердевание в зоне вторичного охлаждения;

Ч широкая механизация и автоматизация работы МНЛЗ и др.

При проектировании новых промышленных установок основное внимание уделяется дальнейшему повышению эксплуатационных качеств и надежности работы всех узлов технологического и теплотехнического оборудования, сокращению времени на подготовку, перестройку машины для отливки другого профиля.

Установлены главные технологические факторы, обеспечивающие получение слитков высокого качества: температура жидкой стали, скорость разливки и режим вторичного охлаждения.

Температура жидкой стали -- важный технологический фактор, влияющий на процесс и качество непрерывного слитка. При недостаточном перегреве снижается жидкотекучесть стали и затрудняются условия разливки, а значительный перегрев ведет к образованию внутренних трещин и увеличивает осевую усадочную пористость слитка. Поэтому одна из технологических задач -- поддержание строгого температурного режима процесса непрерывной разливки стали.

Основными регулируемыми параметрами технологического процесса непрерывной разливки являются скорость разливки и интенсивность охлаждения слитка.

Скорость разливки является важнейшим технологическим фактором, при неизменных физико-химических свойствах металла обеспечивающим главные технологические показатели -- производительность и качество поверхности слитка. Скорость вытягивания зависит от размеров слитка и марки стали. Допустимая скорость разливки в значительной степени зависит от толщины корочки, ее способности выдержать ферростатическое давление и тянущие усилия.

Повышение интенсивности охлаждения слитка способствует увеличению скорости разливки, но ограничивается возможностью появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. С увеличением скорости разливки увеличивается глубина жидкой лунки (Lж) и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку слитка, что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения.

Серьезное внимание уделяется стабилизации процесса непрерывной разливки стали. Стабильная скорость разливки, постоянный уровень металла в кристаллизаторе - одни из главных технологических факторов, определяющих качество поверхности и центральной зоны слитка.

Эффективность работы МНЛЗ зависит, главным образом, от коэффициента ее использования, что обусловливает необходимость сокращения вспомогательного (нерабочего) времени. Значительная экономия времени может быть достигнута путем сведения к минимуму продолжительности подготовки при применении разливки так называемым последовательным методом "плавка на плавку", т.е. серийной разливки нескольких плавок.

Благодаря применению способа разливки "плавка на плавку" и таких усовершенствований как быстрая смена кристаллизатора и первой роликовой секции ЗВО, ускорение ввода затравки коэффициент использования МНЛЗ вырос с 50 до 90%.

Главными задачами дальнейшего улучшения технологии непрерывной разливки стали являются ускорение процесса затвердевания, а также получение качественных слитков.

Внедрение автоматического управления процессом разливки позволяет регулировать расход металла по уровню в кристаллизаторе в зависимости от скорости разливки, что также способствует повышению качества разливаемого металла. Повышение экономической эффективности непрерывной разливки может быть достигнуто за счет увеличения мощности установок и расширения сортамента разливаемых слитков.

Основная масса металла разливается в МНЛЗ на слябы и сортовые заготовки в кристаллизаторы прямоугольного сечения. По объему производства слябы составляют 50-56, блюмы 16-20, мелкосортные заготовки 28 -30 %. Сравнительно небольшая доля металла разливается на заготовки круглого сечения.

Развитие процесса непрерывной разливки на современном этапе осуществляется в следующих направлениях: повышение производительности МНЛЗ; улучшение качества непрерывных слитков; расширение области применения НРС и сортамента металла; совмещения НРС с прокаткой, автоматизации МНЛЗ и т.д.

Производительность является одним из главных технологических показателей работы МНЛЗ и зависит от сечения отливаемых слитков, скорости разливки, числа ручьев, применения разливки способом "плавка на плавку", времени, затрачиваемого на подготовку машины к работе.

Производительность МНЛЗ для одного ручья рассчитывается по формуле:

G = vFM60 ,

где v -- скорость разливки, м/мин;

F - площадь поперечного сечения слитка, м2;

M - плотность металла, т/м3.

Скорость непрерывной разливки лимитируется рядом ограничений, основными из которых являются напряжения вдоль непрерывного слитка, обусловленные силами трения в кристаллизаторе, напряжения, возникающие вследствие ферростатического давления, и термические напряжения, которые возрастают с ростом интенсивности охлаждения слитка. Поэтому фактически достигнутые в реальных условиях скорости непрерывной разливки в 2 -- 3 раза ниже теоретически предельных скоростей. Для слябов больших сечений реально достигнуты скорости разливки в пределах 1,5-2,0 м/мин. Для заготовки сечением 100Х100 мм оказалась удовлетворительной скорость 3 м/мин, а для заготовки сечением 200X200 мм в зависимости от состава стали достигнуты скорости разливки в пределах 1,0-1,5 м/мин.

В последнее время за рубежом начался новый этап развития процесса непрерывной разливки стали, главным направлением которого является уменьшение размеров поперечного сечения заготовок с целью приближения их к размерам сечения готового продукта. Исходной предпосылкой является сохранение достигнутой до настоящего времени производительности МНЛЗ за счет увеличения скорости разливки пропорционально уменьшению толщины заготовки. Например, при непрерывной отливке сляба сечением 25X1500 мм скорость разливки должна составлять 15 м/мин, а уменьшение толщины того же сляба до 2,5 мм должно сопровождаться повышением скорости разливки до 150 м/мин и т.д. Аналогичные результаты рассчитывают получить и при непрерывной разливке в сортовые заготовки.

Скорость разливки должна устанавливаться прежде всего из условия прочности корочки металла, закристаллизовавшегося в процессе прохождения заготовки через кристаллизатор. Необоснованное превышение скорости разливки приводит к прорывам под действием ферростатического давления.

Скорости вытягивания слитка, затвердевания и глубина жидкой фазы являются важнейшими технологическими параметрами процесса непрерывной разливки стали. Одна из главных задач для технологов -- установление взаимосвязи Lж от v, интенсивности охлаждения и марки стали (ее физических свойств).

Величина Lж при заданной скорости разливки определяет протяженность зоны вторичного охлаждения и всю высоту или технологическую длину установки.

В. С. Рутес на основании расчетов и экспериментов по определению времени затвердевания вертикальных непрерывных слитков приводит эмпирические формулы для определения длины жидкой фазы.

При дальнейшем совершенствовании технологии непрерывной разливки должны совместно решаться две основные проблемы -- повышение производительности и улучшение качества отливаемых слитков.

Повышение скорости вытягивания непрерывного слитка и увеличение интенсивности теплоотвода позволяют увеличить производительность, но с другой стороны это приводит к ухудшению качества слитка, появлению трещин и других дефектов.

В связи с повышением скоростей разливки стали, расширением марочного состава разливаемых сталей и повышением требований к качеству металла дальнейшее развитие и совершенствование технологии непрерывной разливки стали возможно на основе анализа причин возникновения основных дефектов и разработки практических мер по их устранению или предотвращению.

На основе опыта установлены основные факторы, влияющие на развитие дефектов: геометрические размеры слитка, конструкция кристаллизатора и состояние его рабочей поверхности; технологические условия выплавки и химический состав металла; условия разливки металла; тепловые режимы вторичного охлаждения.

Одной из основных проблем повышения качества непрерывных слитков является вопрос об устранении или уменьшении различного рода трещин. Как показывают результаты многочисленных исследований, причиной появления и развития всех трещин являются напряжения в формирующемся непрерывном слитке, превышающие предел прочности металла. Эти напряжения могут быть механического происхождения, когда они вызываются трением в кристаллизаторе, давлением опорных роликов, ферростатическим давлением, изгибом и выпрямлением слитка, усилиями вытягивания слитка, нарушениями механической настройки оборудования МНЛЗ и др.

Наиболее полно механизм трещинообразования отражает теория, по которой появление трещин в непрерывном слитке связывается с напряженно-деформированным состоянием в его затвердевшей части, распределением температур и механическими свойствами стали в широком интервале температур.

Скорость разливки, оказывающая значительное влияние на качество непрерывной заготовки, является функцией способности образовавшейся корочки сопротивляться различным напряжениям. А эта способность, в свою очередь, связана с условиями охлаждения и температурой стали.

При неправильной организации тепловых режимов охлаждения происходят скачкообразные изменения температуры поверхности слитка по его высоте и периметру, приводящие к возрастанию напряжений и нарушению сплошности металла.

Таким образом, внедрение и промышленное освоение совершенной технологии и новых конструкций МНЛЗ тесно связано с организацией протекающих в них тепловых процессов.

Поэтому исследование тепловых условий формирования непрерывного слитка при различных технологических факторах разливки является актуальной практической задачей.

Для дальнейшего продвижения вперед в освоении непрерывной разливки стали и повышении качества непрерывных отливок необходимо глубже изучить механизм, влияющий на процесс затвердевания, исследуя различные вопросы тепловой работы М



Исходные данные

Марка стали 10Г2С1

Вместимость сталеразливочного ковша 100 т

Масса металла в ковше 100 т

Продолжительность разливки 40 минут

Сечение кристаллизатора 180х180 мм

Сортовая заготовка 180х180 мм



1. Определение металлургической длины МНЛЗ

, (1)

где - длина жидкой фазы, м;

- время разливки, мин;

- скорость разливки, м/мин;

где - время, необходимое для полного затвердевания слитка;

k = 24-26 мм/мин^0,5 - слябовые МНЛЗ;

k = 26-28 мм/мин^0,5 - блюмовые МНЛЗ;

k = 28-30 мм/мин^0,5 - сортовые МНЛЗ;

мин

Скорость разливки:

, (2)

где М - масса металла в ковше, кг;

N - число ручьев;

- плотность металла равная, кг/м³;

- длина и ширина заготовки, м;

- время разливки одного ковша, мин.



Рекомендации по выбору типа МНЛЗ в зависимости от металлургической длины

Где - коэффициент равный = 1,1.

При L ? 10…12 (м) можно выбирать любой тип машины: вертикальную, радиальную или криволинейную.

При 10< L<18.5 (м) выбираем радиальную или криволинейную МНЛЗ

При L >18.5 (м) следует выбирать только криволинейную МНЛЗ

2. Построение кривой распрямления технологической оси для криволинейных МНЛЗ

Представим, что R_i = ? тогда получим следующее выражение:

Найдем радиус кривизны в трех точках:



где - радиус кривизны заготовки в точке i;

- радиус радиальной части технической линии МНЛЗ (); =10 (м)

i - номер точки правки;

t - расстояние между точками правки, необходимое для установки оборудования, для разливки (от 0,8 до 1,2 м ); t = 1 (м)

- величина допустимой деформации слоев металла в температурном интервале хрупкости: н/у сталь (0,5 - 0,8) * 10^-2

с/у + легирование (0,3 - 0,5) 10^-2

в/у + сложнолегированные (0,15 - 0,3) 10^-2;

- скорость вытягивания непрерывного слитка, м/мин;

- расстояние от нейтральной оси до опасного слоя, в котором может произойти разрыв металла (опасный слой находится в температурном интервале хрупкости):

где - толщина закристаллизовавшейся оболочки слитка к моменту его распрямления:

м;

где - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения слитка в зоне вторичного охлаждения (температура на 100^оС ниже температуры ликвидус):

где t_c - температура солидус:

;

^oC

t_н - температура начала температурного интервала хрупкости:

t_{н =} t_c - 100 = 1345,465 ^oC;

t_к температура поверхности слитка в конце затвердевания.

Три режима работы:

1) работа через склад и прокатный стан, температура области пластической деформации t_к ? (800 - 850) ^oC

2) работа с горячим всадом t_к ? (500 - 600) ^oC

3) прямая прокатка t_к (1100 - 1200) ^oC

- время нахождения деформированного слоя в температурном интервале хрупкости:

,

где - время формирования слитка до начала выпрямления,



L - расстояние от уровня металла в кристаллизаторе до точки С

Где L = w* = w

m0 = cos

3. Расчет расхода воды на охлаждение кристаллизатора

где Q₁ - количество тепла отводимого от перегретого металла. В кристаллизаторе этот перегрев снимается.

Q₂ - количество тепла выделяющегося при кристаллизации.

Q₃ - количество тепла отводимого при охлаждении корочки в пределах кристаллизатора.

(2)

где с_ж - теплоёмкость жидкой стали, 800 Дж/(кг К)

Дt - перегрев над температурой ликвидус, 10…25, К

a,b - параметры заготовки, м

w - скорость разливки, м/мин

с_ж - плотность жидкой стали, 7200 кг/м³

где b_кр - толщина корочки кристаллизатора

q = 270 * 10³, Дж/кг

Н^* - эффективная высота кристаллизации, (0,7…0,8) м

мм = 0,02164 м

где с_ж - теплоёмкость жидкой стали, 750 Дж/(кг К)

t₀ = 1200

Значит расчеты проведены верно.

4. Расчет изменения температуры поверхности непрерывного слитка в ЗВО

· Путем теплоотдачи

· Путем излучения в окружающую среду от кристаллизующегося слитка.

В ЗВО температура изменяется от t₀ до t_к.

Условие: Чтобы охлаждение было равномерным и не возникало условий для образования трещин, скорость изменения температуры на фронте кристаллизации и на поверхности слитка должна быть одинаковой.

t_кр - температура поверхности в момент полного затвердения заготовки.

- время достижения заданной температуры поверхности слитка (сек)

Где = 7 800 кг/м³

= 270 *10³ Дж/кг

-коэффициент теплопроводности = 30,3 Вт/м*К

- безразмерный комплекс, характеризующий температуру

t₀ - температура поверхности заготовки при выходе из кристаллизатора = 1200

- температура поверхности заготовки = 850

	Иx = tx/tкр
t0 = 1200	И0 = 1200/1484 = 0,81
t1 = 1130	И1 = 1130/1484 = 0,76
t2 = 1060	И2 = 1060/1484 = 0,71
t3 = 990	И3 = 990/1484 = 0,67
t4= 920	И4 = 920/1484 = 0,62
tk = 850	И5 = 850/1484 = 0,57

T0	9,450704
T1	7,384181
T2	6
T3	5,008097
T4	4,262411
T5	3,681388

Теперь высчитаем время достижения заданной температуры поверхности слитка (сек)

ф	t
0	1200
61,4542	1130
153,43	1060
287,951	990
474,115	920
731,642	850



ф	дx
0	0,02164
61,4542	0,032675
153,43	0,046138
287,951	0,062521
474,115	0,081651
731,642	0,104207



L, м	tx ,
0	1200
2,6	1130
5,2	1060
7,8	990
10,4	920
13	850

L, м	дx
0	0,02164
2,6	0,03268
5,2	0,04614
7,8	0,06252
10,4	0,08165
13	0,10421

5. Определение расхода воды на охлаждение заготовки в ЗВО

Lж - длина жидкой лунки

q_ср - тепловой поток на поверхности слитка связанный с охлаждением оболочки.

с_тв = 750 Дж/кг*К

b_{1 -} толщина корочки в начале = 0,02164 (м)

b₂ - толщина корочки в конце = 0,03268 (м)



Где - плотность орошения

I₁ = 0.8 * * b* (L₂ - L₁) = 0.8 * 260 *0.18 *2.6 = 95 (м³/ч)

I₂ = * b* (L₂ - L₁) = 260 * 0.18 * 2.6 = 118.8 (м³/ч)

2*I₃ =2* * a* (L₂ - L₁) = 2*260* 0.18 * 2.6 = 228 (м³/ч)

Таблица

№	tср1	tср2						I1	I2	I3*2	Iсум
1	1342	1307	291117,1	11977389	12268506	10530,91	259,77	95,08	118,8	237,7	451,6
2	1307	1272	355170,8	14612740	14967911	13669,33	338,23	123,8	154,7	309,5	588
3	1272	1237	432204	17782108	18214312	17770,06	440,75	161,3	201,6	403,3	766,2
4	1237	1202	504673,3	20763702	21268375	22270,55	553,26	202,5	253,1	506,2	961,8
5	1202	1167	595055,5	24482282	25077338	28335,98	704,89	258	322,5	645	1225



6. Определение основных параметров промежуточного ковша

M = l * b * h * с , (т) - вместимость ковша

l = (N-1) * l₁ + 2* l₂ = 7 * 0,8 + 2*0,35 = 6.3 (м)

для блюмовых и сортовых l₁ = 0,8…1,4; l₁ = 0,8 (м)

l₂ = 0,35 (м)

b - ширина промежуточного ковша; b = 0,6 (м)

h = h₁ + h₂ = 0,35 + 0,47= 0,82 (м)

где h₁ - высота неснижаемого объема металла

h₁ = 0,25…0,35 (м), h₁ = 0,35 (м)

h₂ - высота определяющая снижаемый объем металла.

Массовый расход металла через 1-н ручей составляет:

M₁ = a * b * w * с

M₁ = 0.18² * 1.34 * 7200 = 312.6 (кг/мин)

M₂ = M₁ * N * ф_ков = 312.6 * 8 * 5 = 12 504 (кг)

Где ф_ков = 1…5 (мин) ; ф_ков = 5 (мин)

Тогда,



h₂ = M₂/( с*l*b) = 12 504/(7200 *6.3*0,6) = 0.47 (м)

h₁ + h₂ (0,8…1,2) м , в этот промежуток попадает !

Диаметр канала разливочного стакана определяется по формуле:

7. Расчет производительности МНЛЗ

Где n - количество плавок в серии

n = (1…100); n = 100

М - вместимость сталеразливочного ковша = 120 т

Ф - фонд рабочего времени МНЛЗ = 315 сут

- продолжительность разливки одного ковша = 40 мин

- время необходимое для подготовки машины между сериями = 60 (мин)

Размещено на Allbest.ru