технических наук СМОЛЯКОВ АНАТОЛИЙ СОЛОМОНОВИЧ СОЗДАНИЕ и усовершенствование ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ СОРТОВЫХ И ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (металлургическое производство) ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук Москва 2010

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

УДК 621.746.2

Кандидат технических наук

СМОЛЯКОВ АНАТОЛИЙ СОЛОМОНОВИЧ

СОЗДАНИЕ и усовершенствование ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ РАДИАЛЬНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ СОРТОВЫХ И ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.02.13 Ц Машины, агрегаты и процессы

(металлургическое производство)

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва

2010

Работа выполнена в Акционерной холдинговой компании Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова

Научный консультант доктор технических наук, профессор, Заслуженный машиностроитель РФ

Пасечник Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Дуб Владимир Семёнович

доктор технических наук,

профессор

Никитин Георгий Семёнович

доктор технических наук

Паршин Валерий Михайлович

Ведущая организация - ОАО Волжский трубный завод

Защита состоится 12.04.2011 в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного Совета Д.520.016.01. по присуждению ученой степени доктора технических наук в ОАО АХК Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова.

Адрес: 109428, г. Москва, Рязанский проспект, 8а, тел. (8-495) 730-45-39

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научно-технической библиотеке АХК УВНИИМЕТМАШФ.

Диссертация в виде научного доклада разослана ______________2011 г.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Дрозд В.Г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение		5
1.	Разработка конструкции и промышленное освоение принципиально новой радиальной машины непрерывного литья крупносортовых заготовок.	10
1.1.	Анализ влияния формы поперечного сечения прямоугольной непрерывнолитой заготовки на пористость её осевой зоны.	10
1.2.	Анализ влияния протяжённости зоны активного удержания затвердевающей корки непрерывнолитой радиальной заготовки на максимально возможную скорость её вытягивания.	13
1.3.	Анализ устойчивости радиальной прямоугольной непрерывнолитой заготовки против искажения профиля её поперечного сечения.	16
1.4.	Создание и промышленное освоение первой отечественной крупносортовой радиальной четырёхручьевой МНЛЗ Руставского металлургического завода. Разработка конструкции базовой радиальной крупносортовой МНЛЗ и её промышленное освоение на металлургических заводах России и зарубежных стран.	17
2.	Разработка конструкции и промышленное освоение первой отечественной многоручьевой радиальной машины непрерывного литья сортовых заготовок.	19
2.1.	Анализ динамического взаимодействия с непрерывнолитой заготовкой основных технологических узлов радиальной МНЛЗ.	19
2.1.1.	Анализ влияния зазоров в шарнирных соединениях механизма качания и в его приводе на величину времени опережения непрерывнолитой заготовки кристаллизатором.	21
2.1.2.	Анализ влияния зазоров в шарнирных соединениях цепных затравок на величину времени опережения непрерывнолитой заготовки кристаллизатором.	28
2.1.3.	Анализ взаимодействия валков тянуще-правильного устройства с непрерывнолитой заготовкой.	33
2.2.	Разработка конструкции и промышленное освоение радиальных многоручьевых сортовых МНЛЗ. Модернизация действующих сортовых МНЛЗ на металлургических заводах России и зарубежных стран.	39
3.	Модернизация основного технологического оборудования действующих радиальных машин непрерывного литья круглых трубных заготовок.	45
3.1.	Анализ влияния изгиба и правки круглой непрерывнолитой заготовки в процессе её затвердевания на величину овальности её поперечного сечения.	45
3.2.	Анализ формирования затвердевающей корки круглой непрерывнолитой заготовки в гильзе кристаллизатора. Определение конструктивных параметров рабочей полости гильзы. Анализ влияния разнотолщинности стенки гильзы на качество круглой заготовки.	49
3.3.	Модернизация действующих радиальных машин непрерывного литья круглых трубных заготовок на металлургических заводах России и зарубежных стран.	55
4.	Создание технологии и оборудования для производства гильз для непрерывного литья круглых трубных и сортовых заготовок.	57
5.	Основные выводы и результаты работы.	63
6.	Основные работы, опубликованные автором по теме диссертации в виде научного доклада.	65

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

Успешным освоением промышленных вертикальных машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в пятидесятых годах прошлого века была доказана высокая эффективность процесса непрерывного литья по сравнению с разливкой стали в изложницы.

В ходе эксплуатации вертикальных машин обозначились некоторые проблемные вопросы, такие, как ограниченные скорость литья и длина отливаемой заготовки, неудобства при монтаже, обслуживании и ремонте, значительные капитальные затраты при строительстве высоких башен или при сооружении глубоких колодцев и невозможность совмещения вертикальных машин с прокатными станами.

Высоко оценивая перспективы развития процесса непрерывной разливки стали, основатель и руководитель ВНИИМЕТМАШ (1959-1984) академик А.И.Целиков считал, что необходимо вести работы по изысканию и промышленному освоению других схем и конструкций машин непрерывного литья, которые, обладая преимуществами вертикальных, были бы лишены присущих им недостатков. Поэтому научно-исследовательская и конструкторская деятельность автора, результаты которой изложены в настоящем докладе, является актуальной для развития современной металлургической промышленности. С этой целью во ВНИИМЕТМАШ в 1962 году был организован конструкторский отдел машин непрерывного литья стали, в котором автор работает с 1963 года, сначала - главным конструктором проекта, с 1978 года - заведующим лабораторией, а с 2009 года по настоящее время - заведующим отделом. Автор руководил и руководит до настоящего времени разработками, выполняемыми во ВНИИМЕТМАШ с целью создания, развития и промышленного освоения нового поколения радиальных машин непрерывного литья стали.

Цель работы:

Целью настоящей работы является создание новых и усовершенствование существующих радиальных высокопроизводительных машин непрерывного литья сортовых и трубных заготовок, а также их промышленное освоение.

Работы, направленные на решение указанной задачи, проводились под руководством автора доклада. Основными из них являются:

разработка и создание принципиально новых МНЛЗ;
теоретическое обоснование разработки конструкций узлов МНЛЗ;
анализ динамического взаимодействия основных технологических узлов радиальных МНЛЗ с отливаемой непрерывнолитой заготовкой;
разработка новых конструктивных решений основного технологического оборудования, способствующих расширению марочного и размерного сортамента заготовок, а также увеличению производительности МНЛЗ;
промышленное освоение вновь созданных, а также модернизация действующих радиальных МНЛЗ;
разработка новой конструкции гильз кристаллизаторов для литья сортовых и круглых трубных непрерывнолитых заготовок, которые обеспечивают улучшение качества продукции и увеличение производительности МНЛЗ.

Научная новизна работы:

1. Впервые теоретически доказано, что устойчивость против искажения профиля поперечного сечения радиальной непрерывнолитой сортовой заготовки существенно больше, чем у заготовки, полученной в прямом кристаллизаторе, причем, разница тем больше, чем меньше радиус кривизны, что особенно важно для литья мелкосортовых заготовок.

2. Установлено, что для улучшения качества осевой зоны и уменьшения ромбичности сортовой заготовки целесообразно применение вместо квадратной прямоугольной заготовки.

3. Впервые предложена методика расчета длины активной зоны удержания сортовой заготовки, отливаемой на радиальных машинах непрерывного литья, что позволяет при высокоскоростной разливке исключить выпучивание корки слитка и обеспечить получение качественной сортовой заготовки.

4. Впервые проведен теоретический анализ деформирования затвердевающей корки круглого слитка в кристаллизаторе. Установлено, что для исключения разностенности корки, приводящей к искажению профиля поперечного сечения слитка и появлению трещин термического происхождения, на рабочей поверхности гильзы следует выполнить участки синусоидальных вогнутых поверхностей, убывающих сверху вниз по специальной кривой от максимума на верхнем торце гильзы до нуля на стыке с конической формообразующей частью.

5. Впервые выполнен анализ влияния разнотолщинности стенки гильзы, предназначенной для литья круглого слитка, на равномерность теплоотвода от него водой, обтекающей наружные стенки гильзы. Установлено, что общепринятая допустимая разнотолщинность гильз, равная 7%, при полном контакте корки слитка со стенками гильзы, который обеспечивается за счет рациональной рабочей полости типа ВМ-синус, не обеспечивает равномерный по всему периметру слитка теплоотвод, что может приводить к образованию овальности и дефектам круглого слитка. Разработаны новые технология и оборудование, позволившие уменьшить разнотолщинность гильз в 7 раз.

6. Впервые выполнен теоретический анализ динамических процессов при взаимодействии с затвердевающей сортовой и круглой трубной заготовкой таких узлов МНЛЗ как кристаллизатор, механизм качания кристаллизатора (МКК), затравка и тянущее устройство. Установлено отрицательное влияние зазоров в шарнирных соединениях между рычагами МКК и между звеньями затравок на качество слитка. Впервые разработаны новые конструкции бесшарнирной гибкой затравки, рессорного МКК и предварительно напряженного привода МКК с выборкой зазоров в зубчатом зацеплении, что исключает нарушение заданного режима качания кристаллизатора и позволяет повысить качество непрерывнолитых сортовых и круглых трубных заготовок.

7. Впервые выполнен теоретический анализ влияния изгиба и правки непрерывнолитой круглой заготовки в процессе её затвердевания. Установлено, что основной вклад в образование овальности даёт изгиб заготовки на базовый радиус, при этом овальность увеличивается при увеличении скорости литья.

Практическая ценность и реализация в промышленности:

Автор руководил следующими нижеперечисленными работами по созданию, проектированию, изготовлению и внедрению на отечественных и зарубежных промышленных предприятиях новых радиальных МНЛЗ различного назначения, а также модернизации существующих МНЛЗ и освоению вновь созданного оборудования.

1. Создание и промышленное освоение первой, крупнейшей в мировой практике на период создания, четырёхручьевой МНЛЗ радиального типа для производства крупносортовых заготовок из плавки весом 200 т на Руставском металлургическом заводе, которая открыла путь широкому применению радиальных крупносортовых машин непрерывного литья стали в металлургическую практику. После освоения этой МНЛЗ машины вертикального типа, за редким исключением, не строились.

2. Разработка совместно с Южуралмашзаводом проекта и промышленное освоение крупносортовых МНЛЗ радиального типа для металлургических заводов в г. Бхилаи (Индия), г.Визахапатнам (Индия), г. Бекабад (Узбекистан) и Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК).

Развивая эти работы, Южуралмашзавод поставил в дальнейшем подобные МНЛЗ Новокузнецкому и Орско-Халиловскому меткомбинатам и металлургическим заводам в Болгарии, Турции, Пакистане, Нигерии и Югославии.

3. Опыт и результаты исследований, проведенных под руководством автора, были использованы при создании и промышленном освоении первых отечественных сортовых шестиручьевых МНЛЗ металлургических заводов Молдавского и Амурметалл, а также Ц Новокраматорским машиностроительным заводом при проектировании двух шестиручьевых МНЛЗ для заводов в г. Енакиево (Украина) и двухручьевых МНЛЗ для заводов в г. Омутнинске и в г. Ярцево.

4. Под руководством автора были выполнены работы по модернизации действующих МНЛЗ с целью увеличения производительности, повышения выхода годного, расширения марочного и размерного сортамента, повышения качества заготовок. С этими целями были успешно проведены работы на МНЛЗ ОЭМК, Волжского трубного и Молдавского металлургического заводов; заводов Амурметалл, в г. Решице (Румыния), KSP Steel (Казахстан), Серп и молот и Нижнесергинского метизно-металлургического; метзаводов Фроловского, Волгоградского Красный Октябрь, Лиепаяс металлургс (Латвия), Белорусского, Баку Стил (Азербайджан) и Новоросметалл. Все эти работы существенно улучшили технико-экономические показатели производства непрерывнолитых заготовок.

5. Разработана оригинальная конструкция гильз кристаллизаторов для высокоскоростного непрерывного литья сортовых и круглых трубных заготовок. Создано оборудование и технология изготовления гильз. Создан и эксплуатируется на опытном заводе ВНИИМЕТМАШ участок для производства гильз для непрерывного литья сортовых и круглых заготовок. Гильзы на постоянной основе изготовляются для МНЛЗ различных предприятий, в т.ч. и на экспорт.

Основные решения, выносимые на защиту:

1. Анализ устойчивости радиальной непрерывнолитой заготовки против искажения профиля её поперечного сечения.

2. Анализ влияния формы поперечного сечения прямоугольной непрерывнолитой заготовки на пористость её осевой зоны.

3. Анализ влияния протяжённости зоны активного удержания затвердевающей корки непрерывнолитой радиальной заготовки на максимально возможную скорость её вытягивания.

4. Анализ динамического взаимодействия с радиальной непрерывнолитой заготовкой основных технологических узлов МНЛЗ.

5. Анализ деформирования затвердевающей корки круглой непрерывнолитой заготовки в гильзе кристаллизатора.

6. Анализ влияния изгиба и правки круглой непрерывнолитой заготовки в процессе её затвердевания на величину овальности её поперечного сечения.

7. Разработка конструкции и промышленное освоение базовой радиальной четырёхручьевой крупносортовой МНЛЗ на металлургических заводах России и зарубежных стран.

8. Разработка конструкции и промышленное освоение радиальных многоручьевых сортовых МНЛЗ на металлургических заводах России и зарубежных стран.

9. Модернизация действующих радиальных машин непрерывного литья сортовых и круглых трубных заготовок на металлургических заводах России и зарубежных стран.

10. Создание технологии и оборудования для производства гильз конструкции ВМ-синус, предназначенных для кристаллизаторов МНЛЗ металлургических заводах России и зарубежных стран.

Апробация работы:

Доклады по материалам диссертации были выставлены, доложены и обсуждены на следующих выставках и форумах:

Международная выставка Трубы 2008, 31.03.2008 - 04.04.2008 г, г. Дюссельдорф, Германия.
Китайская ярмарка высоких технологий CHTF 2008, 05 - 20.10.2008 г., г. Шенчжень, Китай.
Международная выставка ЕХРО -ΧΧΙ, год России в Индии, 25-28.11.2008 г., г. Дели, Индия.
Второй Международный промышленный Форум Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении, 24 - 27.03.2009г., г. Челябинск, Центр международной торговли.
Третий Международный промышленный Форум Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении, 23 - 26.03.2010 г.
Двенадцатая Международная выставка Металл - Экспо 2006, 14 - 17.11.2006 г., г. Москва, ВВ - .
Международная специализированная выставка Трубы 2006, 24 - 28.04.2006 г., г. Дюссельдорф, Германия.
Международный промышленный Форум Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении, 20 - 23.03.2007 г.
Шестой Международный салон промышленной собственности Архимед, 18 - 21.03.2003 г., г. Москва, Сокольники.
Девятая Международная выставка Металл - Экспо 2003, 18 - 21.11.2003 г., г. Москва, ВВЦ.
Седьмой Московский Международный салон инноваций и инвестиций, 05 - 08.02.2007 г., г. Москва.
Третья Международная выставка - конгресс Высокие технологии. Инновации. Инвестиции - 98, 16 - 19.06.1998 г., г. Санкт - Петербург, Михайловский манеж.
Пятый конгресс сталеплавильщиков, 17.10.1998 г., г.Рыбница, Молдавия.
Тринадцатая выставка Металл - Экспо 2007, 13 - 16.11.2007 г., г. Москва, ВВЦ.
Международная выставка - ярмарка Инновации - 98, 20 - 24.10.1998аг., г. Москва, ВВЦ.
Международная выставка Высокие технологии. Инновации. Инвестиции, 12 - 15.06.2001 г., г. Санкт - Петербург, Михайловский манеж.
Выставка Машиностроение: творчество, изобретательство, рационализаторство и предпринимательство, 25 - 30.09.2001аг, г. Москва, ВВЦ.

По результатам рассмотрения докладов, сделанных на указанных выставках, получено семь дипломов, две золотые и две серебряные медали.

За две приведенные ниже работы, выполненные по теме диссертации, автор в составе творческого коллектива был удостоен премии Совета Министров СССР (1985 год) и премии Правительства Российской Федерации (2009 год):

1. Премия за 1985 г. Создание и использование эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами непрерывного литья заготовок в кислородно - конверторных цехах.

2. Премия за 2009 г. Разработка комплекса научных и технических решений по созданию и широкому внедрению конструкции и технологии производства гильзовых кристаллизаторов для высокопроизводительных машин непрерывного литья стальных заготовок.

Публикации по теме диссертации:

Основное содержание доклада опубликовано в 77 работах, в т.ч. в трёх коллективных монографиях, 15 научных статьях, 44 авторских свидетельствах, 6 патентах РФ и 9 патентах Германии, Франции и Великобритании. В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов по докторским диссертациям, опубликовано 12 работ. Результаты выполненных автором научно-исследовательских и конструкторских работ, в которых автор был руководителем или ответственным исполнителем, изложены в 52 отчетах ВНИИМЕТМАШ по НИОКР.

1. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОЙ РАДИАЛЬНОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ КРУПНОСОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК

С целью получения промышленного опыта производства непрерывнолитых заготовок для прокатки трубного и крупносортового металла в 1970 году было принято решение о создании на Руставском метзаводе радиальной четырехручьевой крупносортовой МНЛЗ.

1.1. Анализ влияния формы поперечного сечения прямоугольной непрерывнолитой заготовки на пористость её осевой зоны.

Блумы, получаемые на стане 1000 Руставского металлургического завода и предназначенные для трубозаготовочного стана, имеют квадратное поперечное сечение 250х250амм. Конструктивные параметры слябовой машины непрерывного литья позволяли произвести ее переоборудование на отливку слитков сечением 250х250амм. Однако практика показала, что слитки квадратного сечения подвержены двум серьезным дефектам - ромбичности и пористости. Основная причина возникновения ромбичности - неравномерное охлаждение углов слитка в кристаллизаторе. Частое колебание величины и направления ромбичности показывает, что условия охлаждения квадратного слитка в кристаллизаторе непрерывно изменяются. Это может быть вызвано сравнительно небольшими размерами и относительной жесткостью всех четырех граней квадратного слитка, не имеющих устойчивого контакта со стенками кристаллизатора. Максимально возможное увеличение двух граней слитка при сохранении площади его поперечного сечения позволяет сделать контакт широких граней со стенками кристаллизатора более устойчивым и, следовательно, приведет к выравниванию условий охлаждения слитка в кристаллизаторе и к уменьшению величины ромбичности.

Кроме того, отказ от квадратной формы поперечного сечения непрерывнолитого слитка положительно скажется на характере встречи фронтов кристаллизации и на его пористости.

Оценку пористости слитка можно сделать на основании расчетной схемы, приведенной на рис.1.1.

Рис.1.1. Расчетная схема слитка, находящегося в машине непрерывного литья.

В соответствии с результатами исследований процесса затвердевания слитка в машине непрерывного литья, минимальная толщина корочки слитка на расстоянии от мениска может быть определена по следующей зависимости:

, (1.1)

где - скорость литья заготовки;

- коэффициент, принимающий значение от 2,5 до 2,9.

В соответствии с расчетной схемой (рис.1.1) и зависимостью (1.1) можно определить длину жидкой фазы:

, (1.2)

где - ширина грани квадратного слитка.

Также можно определить ширину жидкой фазы на произвольном расстоянии от мениска:

. (1.3)

Введем понятие неравномерности кристаллизации . Неравномерность кристаллизации может быть определена как разность между максимальной толщиной корочки слитка и минимальной расчетной толщиной корочки в поперечном сечении слитка.

Если лунка жидкой фазы имеет форму пика, то неравномерность кристаллизации величиной на расстоянии от мениска или большем расстоянии может привести к появлению мостов, изолирующих часть жидкой фазы объемом . Образующаяся при этом пора имеет объем

, (1.4)

где: - плотность стали в жидком состоянии;

- плотность стали в твердом состоянии.

На основании изложенного можно получить зависимость для расчета объема пор:

, (1.5)

где .

Из (1.5) видно, что объем пор в квадратном слитке растет с увеличением скорости литья и с увеличением размера сечения.

Переход на отливку непрерывного слитка прямоугольной формы приводит к тому, что лунка жидкой фазы приобретает плоскую форму (рис.1.1). В этом случае образование мостов не всегда приводит к запиранию лунки и вероятность образования пор уменьшается тем больше, чем больше отношение

где: - ширина слитка;

- толщина слитка.

С учетом изложенного для МНЛЗ Руставского метзавода было принято

1.2. Анализ влияния протяжённости зоны активного удержания затвердевающей корки непрерывнолитой радиальной заготовки на максимально возможную скорость её вытягивания.

Для решения вопроса о выборе длины зоны активного удержания корочки заготовки, т.е. длины кристаллизатора и примыкающей к ней роликовой секции, был выполнен теоретический анализ влияния протяженности этой зоны на возможную скорость вытягивания . При расчетах исходили из условия, что эквивалентное напряжение в корочке слитка должно быть меньше предела текучести :

. (1.6)

- предел текучести, зависящий от температуры.

В качестве расчетного сечения будем брать сечение, находящееся в конце зоны активного удержания слитка.

При непрерывной разливке температура твердой фазы в конце зоны активного удержания слитка однозначно зависит от времени, в течение которого сечение слитка проходит расстояние от мениска до указанной зоны. Поэтому величину можно выразить как функцию времени, в течение которого сечение слитка проходит расстояние от мениска до конца зоны активного удержания.

Из литературных источников следует, что ,

где - - длина зоны активного удержания корочки слитка.

Величину будем определять на основе напряженного состояния корочки слитка с учетом условия пластичности Сен-Венана.

Величина главного напряжения может быть определена как напряжение растяжения, связанное с сопротивлением вытягиванию. Это напряжение направлено вдоль оси слитка.

Его величина зависит от давления слитка на стенки кристаллизатора и коэффициента трения . Давление слитка на стенки кристаллизатора будем определять как переменное по всей зоне активного удержания ферростатического давления.

Если обозначить радиус кристаллизатора в сантиметрах через , а угол, характеризующий положение сечения слитка в конце зоны активного удержания через , то при плотности жидкой стали и коэффициенте трения слитка о стенки кристаллизатора, равном получим:

, (1.7)

где - ускорение свободного падения.

Величина главного напряжения может быть определена как напряжение сжатия, связанное с изгибом корочки слитка под действием ферростатического давления. Для расчета этого напряжения будем исходить из того условия, что корочка слитка имеет вид прямоугольной рамы, нагруженной по внутреннему контуру. При этом стороны рамы представляют собой стержни, имеющие длину и . Высота поперечного сечения стержня равна толщине корочки, а ширина поперечного сечения стержня равна единице. Стержни рамы нагружены равномерно распределенной нагрузкой , где - расстояние по вертикали от уровня металла до нижней точки зоны активного удержания.

Напряжение направлено вдоль любого стержня, входящего в состав рассматриваемой рамы. При принятой расчетной схеме максимальные изгибающие моменты формируются в углах рамы. Соответствующая этому изгибающему моменту абсолютная величина напряжения сжатия в корочке слитка равна:

, (1.8)

где .

Среднее главное напряжение сжатия , формирующееся в корочке, направлено от центра к наружной стенке слитка. Это напряжение по абсолютной величине существенно меньше напряжений и .

С учетом изложенного, эквивалентное напряжение может быть определено из следующей зависимости:

. (1.9)

Подставив (1.7) (1.8) и (1.9) в (1.6) получим неравенство, из которого можно определить минимальную длину зоны активного удержания заготовки.

В результате расчетов были построены кривые, определяющие зависимости скорости литья от длины активной зоны удержания (рис.1.2).

Рис.1.2. Зависимость максимально возможной скорости литья от длины активной зоны удержания слитка.

Анализ этих кривых показывает, что с увеличением длины зоны удержания скорость литья сначала растет, а затем падает. Причем вблизи экстремума скорость мало зависит от длины .

Проведём линию , соединяющую точки экстремума кривых для различных сечений слитка. Длину зоны активного удержания, соответствующую точкам, лежащим на линии , можно приближенно определить по следующему уравнению:

. (1.10)

Уравнение (1.10) можно рекомендовать для практических расчетов при выборе длины активной зоны удержания радиального слитка квадратного или близкого к нему по форме прямоугольного сечения.

1.3. Анализ устойчивости радиальной прямоугольной непрерывнолитой заготовки против искажения профиля её поперечного сечения.

Реконструкция слябовой МНЛЗ с целью литья блумов вызвала необходимость сравнительного теоретического анализа двух способов непрерывного литья блумов (в вертикальный и в радиальный кристаллизаторы) с целью оценки образования ромбичности.

При расчете принимали поперечное сечение блума в виде прямоугольной рамы с внешними размерами и толщиной стенки .

Для сравнительной оценки ромбичности будем рассматривать диагональную деформацию вертикального слитка и радиального слитка под действием фиктивных распределенных нагрузок , приложенных к двум противоположным ребрам слитка, и направленных по диагонали навстречу друг другу (рис.1.3).

Рис.1.3. Расчетная схема для оценки влияния формы кристаллизатора на ромбичность слитка.

Сравнивали перемещения и угловых точек сечения слитков, разливаемых, соответственно на вертикальной и радиальной машинах.

Первую из указанных величин можно определить из следующей зависимости:

, (1.11)

где - распределенная диагональная нагрузка.

В случае радиального слитка в стенках рамы помимо напряжений в плоскости рамы возникают напряжения в окружном направлении. С учетом этого перемещение угловых точек слитка можно определить из следующей зависимости:

, (1.12)

где ; .

Отношение имеет вид:

. (1.13)

Анализируя полученный результат, можно сделать вывод о том, что ромбичность радиальной сортовой заготовки меньше ромбичности заготовки, полученной на вертикальной МНЛЗ.

1.4. Создание и промышленное освоение первой отечественной крупносортовой радиальной четырёхручьевой МНЛЗ Руставского металлургического завода. Разработка конструкции базовой радиальной крупносортовой МНЛЗ и её промышленное освоение на металлургических заводах России и зарубежных стран.

На основании выполненного в разделах 1.1.Ц1.3. анализа для Руставского метзавода под руководством автора была разработана принципиально новая конструкция крупносортовой радиальной четырёхручьевой МНЛЗ. Данные о машинах подобного типа в то время, как в отечественной, так и в зарубежной литературе отсутствовали. Это привело к необходимости изыскания оригинальных конструкторских и технологических решений на уровне изобретений [1, 5, 16, 25, 26, 30-56]. Машина (рис. 1.4.) была сооружена в мартеновском цехе Руставского метзавода, оборудованном печами емкостью 200 т.

Рис.1.4. Радиальная машина непрерывного литья заготовок Руставского металлургического завода.

В мировой металлургической практике не было опыта разливки непрерывным способом плавок такого большого веса. Принятый сортамент включал заготовки сечением 220х280 мм.

Конструкция машины содержит ряд впервые разработанных узлов:

- кристаллизатор с радиальной рабочей полостью;

- механизм качания кристаллизатора (МКК) с радиальной траекторией качания и гидравлическим приводом;

- тянуще-правильное устройство (ТПУ), обеспечивающее вытягивание слитка, его выпрямление и отделение от затравки;

- жесткая радиальная затравка с системой уборки и отделения;

- газорезка со следящей системой резки и рольгангом с убирающимися роликами;

- направляющие радиальной зоны вторичного охлаждения (ЗВО).

На МНЛЗ Руставского метзавода было успешно освоено производство крупносортовых заготовок сечением 220х280 мм, из которых на трубозаготовочном стане прокатывали круглые заготовки для труб нефтяного сортамента.

Положительные результаты, достигнутые при эксплуатации этой МНЛЗ на Руставском метзаводе, стали основным аргументов в пользу радиальных машин при принятии решения о выборе типа машины непрерывного литья крупносортовых заготовок, сооружение которых было запланировано в семидесятые годы на металлургических заводах СССР и зарубежных стран. В связи с этим было принято решение о создании базовой четырёхручьевой крупносортовой МНЛЗ, технический проект которой под руководством автора был разработан на Южуралмашзаводе в 1974 году. В 1977-1979 годах две первые такие машины были поставлены на Узбекский метзавод, затем 16 подобных МНЛЗ были поставлены на Бхилайский и Визакхапетнамский метзаводы (Индия), на заводы в г. Аджаокуте (Нигерия), в г. Железари-Зеница (Югославия), г. Карачи (Пакистан), г. Перника (Болгария), на Орско-Халиловский и Новокузнецкий меткомбинаты.

Особо следует сказать, что с учётом опыта пуска и освоения крупносортовых радиальных МНЛЗ базового типа в 1985 году была спроектирована радиальная МНЛЗ нового поколения для Оскольского электрометкомбината. Всего было изготовлено 4 таких машины, которые успешно вписались в сталеплавильное и прокатное производства, оборудование для которых целиком и полностью было поставлено из Германии. Эти машины до сих пор находятся в эксплуатации и на них разливают плавки весом до 170 тонн, причём марочный сортамент насчитывает более 100 марок сталей, включая подшипниковые и высоколегированные.

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ПЕРВОЙ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МНОГОРУЧЬЕВОЙ РАДИАЛЬНОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК

В 1985 году перед ВНИИМЕТМАШ была поставлена задача спроектировать первую отечественную многоручьевую радиальную сортовую МНЛЗ для разливки стали строительного марочного сортамента из ковшей ёмкостью до 120 тонн. Ранее такие машины в СССР не строились в связи с тем, что сортовые прокатные станы по разделению для стран-участниц СЭВ в нашей стране до 1985 года не сооружались.

В отличие от крупносортовых радиальных МНЛЗ литьё заготовок на сортовых МНЛЗ ведётся на скорости, в 4-8 раз превышающей скорость литья крупносортовой заготовки, в связи с чем результаты динамического взаимодействия с ещё не затвердевшей заготовкой основных технологических узлов МНЛЗ (кристаллизатора, МКК, затравки, валков тянуще-правильных клетей) приобретает первостепенное значение.

2.1. Анализ динамического взаимодействия с непрерывнолитой заготовкой основных технологических узлов радиальной МНЛЗ.

Процесс непрерывного литья осуществляется при постоянном динамическом взаимодействии формирующегося в кристаллизаторе слитка с кристаллизатором, механизмом качания кристаллизатора, зоной вторичного охлаждения, вытягивающими устройствами и - в начале процесса - с затравкой.

Эксплуатация МНЛЗ и развитие технологии выявили ряд жестких требований к конструкции и режимам работы узлов, обеспечивающих надежность процесса непрерывного литья.

Рассмотрим роль этих узлов, их взаимодействие и технологические особенности процесса вытягивания слитка.

Качество слитка и безаварийность работы МНЛЗ в значительной мере зависят от соотношения скоростей кристаллизатора и слитка [29]. На рис.2.1 приведены зависимости от времени скорости перемещения кристаллизатора и скорости перемещения слитка. Как видно на рис.2.1, кристаллизатор совершает гармонические колебания с частотой и амплитудой . Механизм качания кристаллизатора (МКК) настраивается таким образом, чтобы в течение времени , равного периоду качания кристаллизатора, существовало время , опережения, в течение которого скорость кристаллизатора в направлении движения слитка превышала скорость слитка. Эффект от качания кристаллизатора достигается лишь тогда, когда время опережения превышает некоторую заданную величину. Проведенными исследованиями и накопленным опытом установлено, что оптимальные значения должны находиться в пределах от 0,1 до 0,15 секунд.

Рис.2.1. Зависимости от времени скорости движения кристаллизатора и скорости движения слитка.

Особое значение требование соблюдения закона качания приобретает при высокоскоростной непрерывной разливке. На графике (рис.2.1) скорость вытягивания изображена постоянной. Однако это допущение не всегда верно. Колебания скорости вытягивания могут быть связаны с приводом тянущих устройств, а также с продольной жесткостью затравки. Если в период качания на поступательный характер движения кристаллизатора накладываются колебания скорости, то происходит резкое уменьшение времени опережения, что может привести к аварии. Поэтому необходимо устранять все причины, которые могут нарушить требуемый характер движения кристаллизатора. Одной из таких причин является периодическое раскрытие зазоров в кинематической системе Упривод-кристаллизаторФ. В такой же степени отрицательно влияют на соблюдение требуемого закона качания зазоры в шарнирах, соединяющих звенья цепной затравки между собой.

Недостатки существующих шарнирных МКК и шарнирных затравок особо проявились при повышенных скоростях вытягивания. Рассмотрим влияние зазоров на конкретных примерах.

2.1.1. Анализ влияния зазоров в шарнирных соединениях механизма качания и в его приводе на величину времени опережения непрерывнолитой заготовки кристаллизатором.

Для оценки влияния зазоров в МКК на величину опережения реальную конструкцию представим в виде упрощенной расчетной схемы, приведённой на рис.2.2.

Рис.2.2 Расчетная схема механизма качания кристаллизатора.

Для схемы приняты следующие обозначения:

- угол поворота ротора электродвигателя;

- угловая скорость ротора электродвигателя;

- динамический момент инерции вращающихся деталей, приведённый к оси вращения кривошипа;

- передаточное число редуктора;

- угол поворота кривошипа;

- угловая скорость кривошипа;

- радиус кривошипа;

- длина шатуна;

- приведенная к оси шатуна жесткость упругой системы механизма качания кристаллизатора;

- масса кристаллизатора и жестко связанных с ним подвижных деталей;

- максимальный зазор в системе привод-кристаллизатор, приведенный к шатуну;

- текущее значение зазора;

- скорость движения отливаемого слитка;

, , , - перемещения и скорости перемещения точек 1 и 2 соответственно.

Приведенная схема учитывает зазоры в трансмиссии и характеристики электродвигателя, что существенно уточняет решаемую задачу и позволяет использовать полученные результаты для анализа движения кристаллизатора.

В данной постановке расчетная динамическая схема механизма качания кристаллизатора представляет собой систему с двумя степенями свободы. В качестве независимых координат рассмотрим перемещение кристаллизатора и угол поворота кривошипа. Система уравнений движения данной системы запишется следующим образом:

(2.1)

где - суммарная сила, действующая на перемещении ;

- суммарный момент, действующий на угловом перемещении .

Величины и , входящие в систему уравнений (2.1), необходимо определить как функции времени , а также как функции координат , и производных по времени и от этих координат.

Силу , действующую вдоль шатуна, будем определять с учетом того, что в расчетной схеме шатун представлен в виде безмассового упругого стержня, имеющего жесткость и линейный зазор , изменяющийся от 0 до . Деформация элементов механизма качания кристаллизатора обязательно сопровождается рассеянием энергии, которое необходимо учитывать при расчетах. Учет рассеяния энергии будем производить путем добавления вязкого сопротивления, расположенного параллельно упругому элементу расчетной схемы и имеющего коэффициент вязкого сопротивления равный .

В этом случае силу можно представить в виде суммы:

, (2.2)

где - упругая составляющая продольной силы в шатуне;

- вязкая или демпфирующая составляющая продольной силы в шатуне.

Представим текущую длину шатуна в виде суммы

, (2.3)

где - длина шатуна в недеформированном состоянии и при отсутствии зазора;

- отклонение длины шатуна, связанное с его упругой продольной деформацией и раскрытием зазора .

Исходя из геометрии механизма качания, представленного на рис.2.2, можно записать:

, (2.4)

где - угол между шатуном и вертикальной осью МКК;

. (2.5)

Из (2.4) и (2.5) можно определить величину как функцию независимых координат и .

При этом упругую составляющую продольной силы в шатуне с учетом зазора можно определить следующим образом:

(2.6)

Продифференцировав по времени (2.4) с учетом соотношения (2.5), мы получим уравнение, из которого можно будет определить производную по времени переменной . Эта производная будет зависеть от независимых координат , и производных по времени и от этих координат:

. (2.7)

При известной величине можно определить демпфирующую составляющую продольной силы в шатуне:

(2.8)

Кроме силы , действующей на кристаллизатор со стороны шатуна МКК, на кристаллизатор действует сила веса кристаллизатора и соединенных с ним элементов механизма, а также сила трения со стороны отливаемого слитка. Сила веса направлена вниз, а направление силы трения зависит от направления скорости скольжения слитка относительно кристаллизатора. Если кристаллизатор при движении вниз опережает слиток, то на этой стадии движения сила трения, действующая на кристаллизатор, будет направлена вверх. На других стадиях движения кристаллизатора сила трения, действующая на кристаллизатор, будет направлена вниз.

Величина силы трения может быть определена из следующей зависимости:

где a - периметр сечения слитка;

- активная длина кристаллизатора;

- коэффициент трения в контакте между слитком и кристаллизатором;

- ускорение свободного падения.

С учетом изложенного, можно записать выражение для силы , действующей на перемещении кристаллизатора:

, (2.9)

где ;

Знак перед силой зависит от направления скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка.

Аналогично определим суммарный момент , действующий на угловом перемещении кривошипа. Этот момент может быть представлен как сумма момента , создаваемого силой , действующей со стороны шатуна, и момента , соответствующего электромагнитному моменту двигателя.

. (2.10)

С учетом определенной в (2.2) продольной силы , действующей в шатуне, величина момента, создаваемого этой силой может быть записана следующим образом:

. (2.11)

Электромагнитный момент двигателя может быть представлен линейным участком его механической характеристики:

, (2.12)

где - номинальный момент электродвигателя;

- номинальная угловая скорость ротора электродвигателя;

- угловая скорость ротора электродвигателя, соответствующая холостому ходу;

Момент двигателя, приведенный к оси вращения кривошипа равен:

, (2.13)

где u - передаточное число редуктора.

Таким образом, для первого и третьего уравнений системы (2.1) на основании зависимостей (2.2)Е(2.11) сформулированы правые части.

Система уравнений (2.1) должна иметь периодическое решение, период которого соответствует периоду колебаний кристаллизатора. Решение системы (2.1) можно получить, используя численные методы. Для этого будем численно решать начальную задачу. В процессе численного решения начальной задачи должны затухнуть возмущения, связанные с тем, что задаваемые нами начальные условия для всех переменных одновременно не соответствуют значениям этих переменных на периодическом режиме. В итоге решение начальной задачи должно выйти на установившийся периодический режим.

В качестве начальных условий для переменных, входящих в систему уравнений (2.1), возьмем следующие значения:

. (2.14)

Как показали примеры численного решения начальной задачи для системы уравнений (2.1) с начальными условиями (2.14), периодическое решение устанавливается за время, не превышающее одного периода движения кристаллизатора.

Применение разработанной модели рассмотрим на конкретном примере при следующих исходных данных:

Номинальный момент электродвигателя ЕЕЕЕЕЕЕ..115,5

Номинальная угловая скорость ротора ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ95,2

Угловая скорость холостого хода 0,05ЕЕЕЕЕЕ..ЕЕЕ104,7

Динамический момент инерции ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...1,63

Передаточное число редуктора ЕЕЕЕЕЕЕ..ЕЕЕЕЕЕЕ..ЕЕ.4.05

Приведённая продольная жесткость шатуна ЕЕЕЕЕ.ЕЕ.415⋅106

Радиус кривошипа ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.7,5

Длина шатуна ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.ЕЕ950

Максимальный приведенный зазор ЕЕЕ..ЕЕЕЕЕЕЕЕ.0,8

Сила трения между слитком и кристаллизатором ЕЕЕЕЕЕЕ.5000

Скорость вытягивания слитка ЕЕЕЕЕ.ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ..4

Масса кристаллизатора и рамы ЕЕЕЕЕЕЕ...ЕЕЕ..ЕЕ..Е.2000

Коэффициент вязкого сопротивления ЕЕЕ..ЕЕЕЕЕ270⋅103

Примечание: коэффициент демпфирования подбирали таким образом, чтобы отношение смежных амплитуд при затухающих свободных колебаниях составляло 2.

Было выполнено 3 расчёта для следующих значений максимального зазора: .

Результаты расчёта скорости кристаллизатора приведены на рис.2.3, 2.5, 2.7, а электромагнитного момента - на рис.2.4, 2.6 и 2.8.


Рис.2.3. График скорости кристаллизатора и скорости слитка в функции от времени при .	Рис.2.4. График электромагнитного момента в функции от времени при .

Рис.2.5. График скорости кристаллизатора и скорости слитка в функции от времени при .	Рис.2.6. График электромагнитного момента в функции от времени при .

Рис.2.7. График скорости кристаллизатора и скорости слитка в функции от времени при .	Рис.2.8. График электромагнитного момента в функции от времени при .

Из сравнения кривых скоростей кристаллизатора на рис.2.3, 2.5 и 2.7 видно, что зазор оказывает существенное влияние на характер изменения скорости кристаллизатора и на время опережения. Так, на рис.2.3, где зазор , время опережения равно . В случае, показанном на рис.2.5, где зазор , время опережения не превышает . А для случая, показанного на рис.2.7, где зазор , время опережения не превышает .

Так же значительно отличается характер изменения кривых на рис.2.4, где зазор и на рис.2.6 и рис.2.8, где зазор и соответственно.

2.1.2. Анализ влияния зазоров в шарнирных соединениях цепных затравок на величину времени опережения непрерывнолитой заготовки кристаллизатором.

Выше был приведен анализ влияния зазоров шарниров МКК на время опережения при условии постоянства скорости вытягивания слитка из кристаллизатора с помощью тянущего устройства.

Однако, на самом деле, скорость вытягивания может колебаться по различным причинам, и в частности из-за наличия зазоров в шарнирах цепных затравок.

Для оценки влияния конструктивных и технологических параметров системы кристаллизатор - слиток - затравка на характер изменения скоростей слитка и затравки была разработана математическая модель формирования динамических нагрузок. При этом реальную конструкцию представили в виде упрощенной расчетной схемы, приведенной на рис.2.9 [6].

В этой расчетной схеме цифрой 2 представлен кристаллизатор, цифрой 3 - слиток и цифрой 4 представлен элемент затравки, находящейся между валками тянущей клети.

Рис.2.9. Расчетная схема системы кристаллизатор - слиток - затравка

Кристаллизатор с помощью механизма качания совершает гармонические колебания с амплитудой и частотой .

Затравка, кроме элемента 4, который находится в валках тянущей клети и движется равномерно со скоростью , представлена также упругим участком, находящимся между тянущей клетью и кристаллизатором. Величина представляет собой линейную жесткость этого упругого участка. Кроме того, на участке между тянущей клетью и кристаллизатором затравка может иметь зазоры, текущая суммарная величина который равна . Рассеяние энергии, имеющее место в динамически процессах, будем учитывать с помощью вязкого сопротивления, установленного параллельно жесткости . Величину коэффициента вязкого сопротивления будем определять из того условия, что отношение двух соседних амплитуд свободных колебаний рассматриваемой динамической системы будет равно 2.

В расчетной схеме и далее в тексте приняты следующие обозначения:

- перемещение кристаллизатора;

- линейная скорость кристаллизатора;

- перемещение слитка;

- линейная скорость слитка;

- перемещение затравки;

- линейная скорость элемента затравки, находящегося в тянущей клети ();

- линейная жесткость участка затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- коэффициент вязкого сопротивления на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- текущее значение зазора на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- максимальное значение зазора на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- сила трения между кристаллизатором и слитком;

Ц масса слитка;

Движение слитка и заготовки в рассматриваемой упругой системе кристаллизатор - слиток - затравка описывается следующей системой уравнений:

(2.15)

где - суммарная сила, действующая на перемещении слитка;

Величину необходимо определить как функцию независимых координат , и их производных по времени , , а также параметров , , как известных функций времени, описывающих движение кристаллизатора.

Силу можно представить в виде суммы трех составляющих:

, (2.16)

где - сила, действующая на слиток 3 со стороны кристаллизатора 2;

- сила, действующая на слиток 3 со стороны затравки 4;

- вес слитка.

Сила по абсолютно величине равна силе трения слитка о кристаллизатор. Направление силы совпадает с направлением скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка. Таким образом:

. (2.17)

Для того, чтобы определить направление скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка, сформулируем закон движения кристаллизатора. Как было отмечено выше, кристаллизатор с помощью механизма качания совершает гармонические колебания с амплитудой и частотой . В этом случае перемещение кристаллизатора и скорость перемещения кристаллизатора равны:

(2.18)

где - круговая частота продольных гармонических колебаний кристаллизатора.

Зная скорость движения кристаллизатора и скорость слитка можно определить направление скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка и, соответственно, можно определить направление силы трения, действующей на слиток со стороны кристаллизатора.

Сила , действующая со стороны затравки на слиток, по аналогии с (3.2) можно представить в виде суммы:

, (2.19)

где - упругая составляющая силы в затравке;

- вязкая или демпфирующая составляющая силы в затравке.

При этом упругую составляющую продольной силы в затравке с учетом зазора можно определить следующим образом:

(2.20)

где - смещение элемента затравки, находящегося в тянущей клети, относительно слитка, находящегося в кристаллизаторе.

Производная по времени переменной может быть определена через скорость слитка и скорость элемента затравки, находящегося в тянущей клети:

. (2.21)

При известной величине можно определить демпфирующую составляющую продольной силы в затравке:

(2.22)

Таким образом, для первого уравнения системы (2.15) на основании зависимостей (2.16)Е(2.22) сформулирована правая часть.

Система уравнений (2.15) по аналогии с системой (2.1) должна иметь периодическое решение, период которого соответствует периоду колебаний кристаллизатора. Решение системы (2.15), также как и системы (2.1) можно получить, используя численные методы. Для этого будем численно решать начальную задачу.

В качестве начальных условий для переменных, входящих в систему уравнений (2.15), возьмем следующие значения:

. (2.23)

Как показали примеры численного решения начальной задачи для системы уравнений (2.15) с начальными условиями (2.23), периодическое решение устанавливается за время, не превышающее одного периода движения кристаллизатора.

Применение разработанной модели рассмотрим на конкретном примере при следующих исходных данных:

частота качания кристаллизатора ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.3,0

амплитуда качания кристаллизатора ЕЕ...ЕЕЕЕЕ..ЕЕ3,0

установившаяся скорость затравки ЕЕЕ...ЕЕЕ..ЕЕЕ2,0

масса слитка в кристаллизаторе Е...ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ.120,0

жесткость затравки ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ...Е...ЕЕ.137⋅106

коэффициент вязкого сопротивления ЕЕЕЕЕЕЕЕ12⋅103

сила трения слитка о стенки кристаллизатора ЕЕЕ..ЕЕ..1500

Результаты расчета скоростей кристаллизатора и слитка в функции времени t приведены на рис.2.10а, 2.10б и 2.10в.

Из сравнения кривых, приведенных на рисунках видно, что зазор оказывает существенное влияние на время опережения. Так, на рис.2.10а, где зазор , величина опережения практически совпадает с идеализированным случаем, не учитывающим жесткость затравки. В случае, показанном на рис.2.10б, где зазор , время опережения не превышает 0,07 сек, что может привести к нарушению технологического режима. При дальнейшем увеличении зазоров время опережения уменьшается. Так, при зазоре (рис.2.10в) время опережения равняется 0,04 сек.

Полученные результаты подтверждают мнение о целесообразности замены цепных затравок на беззазорные упругие затравки.

Разработанная методика может быть использована при анализе динамических явлений в упругих системах МНЛЗ.

Рис.2.10. График скоростей кристаллизатора и слитка:

а) - ; б) - ; в) - .

2.1.3. Анализ взаимодействия валков тянуще-правильного устройства с непрерывнолитой заготовкой.

Вытягивание затравки со слитком, а затем слитка без затравки из кристаллизатора и ЗВО осуществляется парами валков тянуще-правильного устройства (ТПУ).

При недостаточном давлении валков на затравку и слиток могут возникать пробуксовки, отрицательно влияющие на стабильность скорости вытягивания слитка. Избыточная величина давления может привести к раскатке тела затравки и к возникновению дефектов макроструктуры заготовки - горячим трещинам.

По этой причине целесообразно разработать конструкцию полноприводных тянущих устройств, в которых все валки связаны с приводом.

Для расчета температурного поля и фазового состояния заготовки использовали методику, основанную на равновесной модели затвердевания с учетом двухфазной зоны, и конечно-разностный метод решения задачи теплопроводности.

Исследование показало, что при повышенном неконтролируемом давлении валков на заготовку, содержащую жидкую фазу (рис.2.11), в макроструктуре, образуются трещины.

Рис.2.11. Конфигурация двухфазной зоны для слитка 125х125 мм из малоуглеродистой стали, скорость разливки 4,2 м/мин. f - относительное содержание жидкой фазы.

Таким образом, от ТПУ высокоскоростной МНЛЗ требуется:

- стабильная скорость вытягивания и отсутствие пробуксовок для обеспечения требуемого закона качания и времени опережения, что может быть достигнуто повышением давления валков на заготовку;

- ограничение давления, связанное с опасностью поражения макроструктуры горячими трещинами.

Так как эти требования противоречат друг другу, при разработке новой конструкции ТПУ необходимо искать компромиссное решение.

Это обстоятельство учтено при анализе взаимодействия валков ТПУ с непрерывнолитой заготовкой.

Суммарная мощность привода, необходимая для обеспечения вытягивания непрерывнолитой заготовки, складывается из мощностей, затраченных на деформирование непрерывнолитой заготовки при ее выпрямлении , и обжатии в валках ТПУ, а также суммы мощностей, необходимых на преодоление сил трения в кристаллизаторе и роликовой проводке зоны вторичного охлаждения:

(2.24)

где - скорость разливки;

- сила трения слитка о кристаллизатор;

- вес слитка на радиальном участке.

Уравнение для определения силы трения слитка о кристаллизатор приведено в разделе 2.1.2.

Определение мощности, затрачиваемой на деформирование непрерывнолитой заготовки при ее выпрямлении и обжатии в валках ТПУ, является достаточно сложной задачей.

В общем виде эта мощность для объема деформируемого тела вычисляется по формуле:

, (2.25)

где и - интенсивности напряжений и скоростей деформаций.

При температурах, близких к температуре затвердевания, деформация ползучести значительно больше пластической и упругой деформаций, и, поэтому последними можно пренебречь. В этом случае деформирование характеризуется существенным влиянием скорости деформации на величину напряжения. Все это дает основание использовать в расчетах уравнение состояния нелинейно-вязкого тела.

Примем степенную зависимость между интенсивностью напряжений и интенсивностью скоростей деформации :

, (2.26)

где - , и - постоянные величины, зависящие от материала, которые определяются на основе экспериментальных исследований;

- показатель ползучести.

Мощность, необходимую для распрямления непрерывнолитой заготовки, определим, используя гипотезу плоских сечений на основе следующего выражения:

, (2.27)

где - изгибающий момент в поперечном сечении заготовки;

-скорость изменения кривизны заготовки при ее разгибании;

- участок, на котором происходит разгибание слитка;

- осевая координата слитка в направлении движения.

Начальный радиус кривизны слитка равен .

С учетом свойств материала слитка (2.26) из (2.27) получим выражение для определения мощности, затрачиваемой на распрямление слитка:

, (2.28)

где представляет собой температурно-геометрическую характеристику жесткости сечения при изгибе.

Величина может быть определена из следующей зависимости:

где - координата, отсчитываемая по высоте сечения слитка.

Силу натяжения слитка, создаваемую валками ТПУ и необходимую для разгибания заготовки и преодоления силы трения в кристаллизаторе можно определить из следующего выражения:

. (2.29)

Привод валков ТПУ должен обеспечить силу натяжения слитка, а также обеспечить неизбежно возникающее обжатие слитка при его прохождении через валки. Причем обжатие слитка при прохождении через валки ТПУ должно быть минимальным.

Для того чтобы определить мощность , затрачиваемую на обжатие слитка в клети ТПУ, свойства материала слитка будем принимать такими же, как и при определении мощности , затрачиваемой на разгибание слитка. В результате получим:

, (2.30)

где - радиус валков ТПУ;

- абсолютное обжатие слитка валками в клети ТПУ;

Из (2.30) можно определить функциональную связь между силой давления валков на слиток и обжатием:

, (2.31)

На рисунке 2.12 показана функциональная связь между силой давления на валки ТПУ и величиной обжатия непрерывнолитой заготовки при различных скоростях разливки.

Рис.2.12. Зависимость силы давления на валки от величины обжатия заготовки в валках ТПУ для малоуглеродистой стали.

Скорость разливки 4,2 м/мин - в центре заготовки жидкая фаза.

Скорость разливки 3,0 м/мин - в центре заготовки двухфазная зона.

Скорость разливки 2,5 м/мин - полностью затвердевшая заготовка.

Проведенные расчеты позволили выполнить анализ привода валков ТПУ. Рассмотрены два варианта привода: с одним нижним приводным валком и двумя приводными валками.

Схема сил взаимодействия валков с непрерывнолитой заготовкой показана на рисунке 2.13.

Рис.2.13. Распределение сил взаимодействия валков ТПУ со слитком:

а) - схема с двумя приводными валками;

б) - схема с одним нижним приводным валком.

На рис.2.13 показаны нормальные контактные напряжения и касательные контактные напряжения , действующие в очаге деформации со стороны валков ТПУ на слиток. Кроме того, на этом рисунке показаны точки и , принадлежащие, соответственно верхнему и нижнему валку, в которых касательные контактные напряжения меняют знак. Эти точки отделяют зону опережения, примыкающую к выходу из очага деформации, от зоны отставания, примыкающей к входу в очаг деформации. На этом рисунке показаны также обжатие слитка, длина дуги захвата, угол захвата и сила (2.29) заднего натяжения, которую необходимо обеспечить роликами ТПУ при вытягивании слитка из кристаллизатора.

При симметричном процессе вытягивания слитка двумя приводными валками контактные условия на обоих валках одинаковые, соответственно, длина зоны отставания в очаге деформации на верхнем валке равна длине зоны отставания в очаге деформации на нижнем валке. Максимальная величина заднего натяжения может быть обеспечена в том случае, если зона отставания занимает всю длину очага деформации. Эта величина может быть определена из следующей зависимости:

, (2.32)

где - коэффициент контактного трения между слитком и валками в очаге деформации.

Если ТПУ имеет один приводной валок (в нашем случае нижний), то момент, создаваемый контактными напряжениями, действующими на верхний валок со стороны слитка, должен быть равен нулю. Это обеспечивается за счет примерного равенства длин зон опережения и отставания в контакте верхнего тянущего валка со слитком. Максимальная величина заднего натяжения может быть обеспечена в том случае, если зона отставания занимает всю длину зоны контакта нижнего валка со слитком. Эта величина может быть определена из следующей зависимости:

, (2.33)

Из (2.32) и (2.33) можно определить величину отношения и :

. (2.34)

Из (2.34) следует, что при одной и той же силе давлении валков на слиток тянуще-правильное устройство с двумя приводными валками может обеспечить силу вытягивания более чем в два раза превышающую силу вытягивания, которую может обеспечить тянуще-правильное устройства с одним приводным валком.

Допустимая величина силы и, соответственно, обжатия в ТПУ ограничивается деформационной способностью затвердевающего металла в температурном интервале хрупкости.

2.2. Разработка конструкции и промышленное освоение радиальных многоручьевых сортовых МНЛЗ. Модернизация действующих сортовых МНЛЗ на металлургических заводах России и зарубежных стран.

Спроектированные под руководством автора шестиручьевые сортовые МНЛЗ Молдавского металлургического завода были пущены в эксплуатацию в 1985 году. Основными структурными составляющими завода являлись электросталеплавильный цех с двумя 100-тонными дуговыми печами, две шестиручьевые МНЛЗ, отливающие заготовки 125х125 мм, и мелкосортнопроволочный прокатный стан. Проектная мощность завода составляла 700 тыс. тонн в год.

В последующие годы в результате существенного увеличения мощности печного трансформатора, использования альтернативных источников энергии в печи, внедрения агрегата печь-ковш производительность одной электродуговой печи емкостью 100-120 т превысила 1 млн. т в год. Новая технология позволила обеспечить выполнение требований по температуре, химическому составу, чистоте по неметаллическим включениям, предъявляемых к стали, предназначенной для разливки на МНЛЗ.

В связи с этим было принято решение перейти на работу одной технологической линией в составе: дуговая электропечь, установка печь-ковш, шестиручьевая МНЛЗ, мелкосортный проволочный прокатный стан. При этом объем производства в ЭСП - должен был составлять 1,0 млн. тонн в год стали в год.

Поставленная задача была достигнута путем коренного усовершенствования технологии производства и модернизации сталеплавильного, разливочного и прокатного оборудования, что позволило существенно сократить производственные издержки и повысить конкурентоспособность продукции завода.

Модернизация основных технологических узлов МНЛЗ проводилась по следующим основным направлениям:

- оптимизация конструкции и эксплуатационных свойств промежуточных ковшей, повышение стойкости рабочей футеровки, обеспечение точного центрирования струй металла из промковша в кристаллизаторы;

- повышение эффективности и равномерности формирования корки стали в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения;

- уменьшение сопротивления вытягиванию слитка, обеспечение кинематической точности работы механизма качания кристаллизатора;

- снижение отрицательного влияния деформации корки при разгибе и вытягивании в тянуще-правильном устройстве (ТПУ) на размеры поперечного сечения и макроструктуру заготовки;

- уменьшение деформации торцов заготовок при порезке на мерные длины;

- обеспечение прямолинейности заготовок при охлаждении на холодильнике;

- комплексная защита жидкого металла от вторичного окисления;

- использование электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток;

- применение системы быстрой замены дозаторов промковша во время разливки стали;

- комплексная автоматизация управления МНЛЗ.

Мероприятия, обеспечивающие повышение стабильности процесса разливки стали и увеличение фонда рабочего времени оборудования МНЛЗ, были направлены на:

- увеличение стойкости оборудования в условиях длительного воздействия повышенной температуры, воды и окалины;

- интенсивное внутреннее циркуляционное водяное охлаждение элементов машин;

- защиту узлов трения от внешней среды;

- применение современных систем смазки узлов трения (система масло-воздух);

- повышение кинематической точности работы механизмов путем замены шарнирных узлов трения упругими шарнирами рессорного типа;

- организацию регламентной замены сменных узлов, а также ремонт оборудования на МНЛЗ путем замены узлов подготовленными блоками.

Модернизация, выполненная с учётом изложенного в п. 2.1 теоретического анализа, коснулась основных технологических узлов МНЛЗ. Так, например, разработана новая конструкция кристаллизатора, обеспечившая равномерное течение охлаждающей воды со скоростью 12 м/сек за счет самоцентрирующейся обечайки и плавающей диафрагмы.

Успешно прошли длительные испытания МКК рессорного типа. В течение 10 лет эксплуатируются полноприводные тянуще-правильные клети.

Опыт и результаты освоения МНЛЗ Молдавского метзавода были использованы при проектировании и промышленном внедрении сортовых МНЛЗ на заводах в Енакиево, Омутнинске и Ярцево, а также при реконструкции действующих сортовых МНЛЗ на металлургических заводах в России и зарубежных стран.

В таблице 2.1 приведён перечень заводов, на которых было модернизировано основное технологическое оборудование действующих сортовых МНЛЗ и для которых под руководством автора были разработаны новые конструктивные решения ТПУ, МКК и затравок.

Таблица 2.1. Перечень заводов, на которых под руководством автора были реконструированы сортовые МНЛЗ.

№

Объект

Сечение загото-вок, мм.

Кол-во ручьев, шт.

Кол-во

МНЛЗ, шт.

Тип

МНЛЗ

Год

реконструкнции

Вес плавнки, т

Выполненные во ВНИИМЕТМАШ работы

1	Дургапурс-кий метзавод (Индия)	100х100	6	1	Радиаль-ная, R5 м	2000	100	Техно-рабочий проект (ТРП) участка уборки. Поставка гильз кристаллизаторов.
2	Метзавод Новонросснметалл	125х125	3	1	Радиаль-ная, R8 м	1992	40	ТРП реконструкции кристаллизаторов.
3	Сулинский метзавод,	125х125	3	1	Радиаль-ная, R5 м	1995-2006	25	ТРП реконструкции кристаллизаторов, гильз, коллекторов и форсунок вторичного охлаждения и оборудования МКК.
4	Метзавод Баку Стил (Азербайд-жан)	125х125	3	1	Радиаль-ная, R4, 9 м	1998	40	ТРП и поставка реконструированных кристаллизаторов и гильз.
5	Метзавод Серп и молот	140х140 140х300 140х420	2	1	Верти-кальная с изгибом	1998-2000	12	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов, оборудования ЗВО, затравок и подъемно-поворотного стенда.
6	Белорусский метзавод, г. Жлобин	125х125	6	2	Радиаль-ная, R6 м	1998-2000	120	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов и гильз.
7	Метзавод Лиепаяс металлургс, г. Лиепая, Латвия	150х150	8	2	Вертика-льнная с изгибом	1999-2001	170	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов и ЗВО.
8	Фроловский электросталенплавильный завод	125х125	3	1	Вертика-льнная с изгибом	2000	50	ТРП реконструкции кристаллизаторов.
9	Нижнесергинснкий метизно-металлурги- чеснкий завод	125х125	6	1	Радиальная, R9 м	2000	120	ТРП реконструкции кристаллизаторов и бесшарнирных гибких затравок.
10	Волгоградский метзавод Красный Октябрь	120х120 200х200	6	1	Радиальная, R8,5 м	2002	100	ТРП реконструкции промежуточного ковша, тележки для него и бесшарнирных гибких затравок.

В новой конструкции ТПУ один из валков блока приводится от внешнего привода, а привод другого валка осуществляется от первого через зубчатые колёса. Конструкция разработанного ТПУ показана на рис.2.14. Конструкция защищена патентом № 2247004.

Рис.2.14. Тянуще-правильное устройство с одним общим приводом на верхний и нижний валки.

Была разработана новая конструкция МКК рессорного типа. Рычаги с подшипниковыми шарнирами были полностью заменены плоскими рессорными элементами, в которых эффект взаимного перемещения достигается за счет их упругой деформации (рис.2.15).

Рис.2.15. Рессорный механизм качания кристаллизатора МНЛЗ Молдавского металлургического завода.

На рис.2.16 приведены осциллограммы токовых нагрузок электродвигателей приводов МКК традиционного рычажного типа (а) и нового рессорного типа (б).

В рессорном механизме плавная токовая нагрузка свидетельствует о спокойном качании кристаллизатора и его мягком взаимодействии с коркой формирующегося слитка.

а - механизм качания кристаллизатора рычажного типа,

б - механизм качания кристаллизатора рессорного типа.

Рис.2.16. Осциллограммы токовых нагрузок электродвигателя привода механизма качания кристаллизатора.

Для привода механизма качания был разработан специальный редуктор с устройством выбора зазоров. В этом редукторе (рис.2.17), содержащем зубчатую передачу шевронного типа, радиальный зазор в зацеплении устраняется пружиной, воздействующей на вал- шестерню в осевом направлении. Усилие пружины выбирается таким образом, чтобы радиальная составляющая осевого усилия (с учетом угла наклона зуба) превышала максимальное окружное усилие вал - шестерни на колесо на 20 - 30%.

Рис.2.17. Специальный редуктор привода МКК с устройством для выбора зазоров в зацеплении.

На современных сортовых и крупносортовых МНЛЗ с переменным радиусом кривизны применение жесткой дугообразной затравки становится невозможным. Поэтому под руководством автора была разработана упругая бесшарнирная затравка (рис.2.18), которая состоит из однолистовой рессоры с закрепленными на ней жесткими сегментами. По условиям изготовления собственно рессора выполнена из отдельных полос (участков) длиной от 2000 до 4000 мм, которые воспринимают и передают изгибающие и продольные нагрузки полностью.

Впервые в России бесшарнирная затравка была разработна и изготовлена в 2000 году для МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода.

Рис.2.18. Упругая бесшарнирная затравка.

1 - головное звено; 2, 3, 5, 7 - верхние полузвенья; 4 - нижнее полузвено;

6 - боковая направляющая; 8 - хвостовое звено; 10 - ось головного звена;

11 - специальный болт.

Промышленное внедрение этой затравки подтвердило предположение, что отсутствие шарниров положительно влияет на качество слитка в начальный период процесса разливки. Подтвердилось также и то, что значительно уменьшились динамические нагрузки на элементы привода механизма качания кристаллизатора.

В настоящее время гибкие затравки, изготовленные по проекту автора, помимо Белорусского металлургического завода успешно также эксплуатируются на МНЛЗ завода Серп и Молот, Волгоградского металлургического завода Красный Октябрь, Нижнесергинского метизно-металлургического, Ярцевского литейно-прокатного и Волжского трубного заводов.

3. МОДЕРНИЗАЦИЯ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ РАДИАЛЬНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ КРУГЛЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Для исследования процесса непосредственного получения круглых непрерывнолитых заготовок и их применения в трубопрокатном производстве был выполнен анализ причин возникновения овальности, дефектов поверхности и макроструктуры круглых заготовок.

3.1. Анализ влияния изгиба и правки круглой непрерывнолитой заготовки в процессе её затвердевания на величину овальности её поперечного сечения.

Необходимым условием для получения качественной круглой заготовки является решение проблемы, связанной с изгибом слитка в криволинейной зоне МНЛЗ и разгибом в зоне тянущих клетей. На основании математического анализа происходящих при этом процессов были разработаны основные технические решения для реконструкции блумовой МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода с целью литья круглых трубных заготовок диаметром 200, 160 и 140 мм. После этого стало возможным выбрать технически и экономически обоснованную схему технологической линии реконструированной МНЛЗ.

Был рассмотрен вариант реконструкции, при котором сохранялся существующий марочный и размерный сортамент с сохранением существующей технологической линии МНЛЗ:

- прямой кристаллизатор;

- вертикальный участок направляющих роликов;

- зона плавного изгиба;

- радиальный участок R10000 мм;

- зона плавного выпрямления.

Была разработана математическая модель деформирования оболочки заготовки при ее изгибе. Задача определения напряженно-деформированного состояния затвердевающей заготовки относится к классу задач механики сплошной среды для тел с изменяющимися границами.

Рассмотрено основное уравнение, необходимое для анализа процессов деформирования непрерывного слитка.

Вектор скоростей полных деформаций (векторная запись удобна для конечно-элементной формулировки)

, (3.1)

где - вектор полных деформаций, который определяется в виде суммы нескольких компонент:

где - вектор скоростей упругих деформаций;

- вектор скоростей деформаций ползучести;

- вектор скоростей температурных деформаций.

Методика расчёта основана на модели поведения материала в виде упруго-нелинейного вязкого тела с учётом температурной деформации и конечно элементного алгоритма решения задачи деформирования слитка. Так как рассматривается деформирование заготовки в широком диапазоне температур, в данной модели использована традиционная степенная зависимость скоростей деформаций ползучести от напряжений.

Конечно-элементная сетка строится по специальному шаблону, представляющему собой полную сетку для поперечного сечения заготовки, причем узлы этого шаблона совпадают с узлами конечноразностной сетки температурной задачи. Расчет проводился для геометрии роликовой проводки МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода. Для оценки влияния изгиба на овальность заготовки искажение её профиля рассчитывалось в осесимметричной постановке. На рис. 3.1 и 3.2 показаны форма и распределения перемещений в поперечном сечении на различных этапах прохождения рассматриваемого сечения вдоль технологической оси МНЛЗ для заготовки диаметром 200 мм при скорости разливки 2,4 м/мин. Для заготовок диаметром 140 и 160 мм общая картина деформирования оставалась практически такой же. Отметим, что образование овальности заготовки идет на фоне усадки поперечного сечения при его затвердевании и охлаждении.

Основной вклад в образовании овальности дает изгиб заготовки на базовый радиус.

Расчетная овальность круглой заготовки () за счет изгиба:

200 мм при скорости 1,8 м/мин 0,55 %

200 мм при скорости 2,4 м/мин 0,63 %

140Е160 мм при скорости 2,8Е4,9 м/мин 0,45Е0,55 %

Горизонтальные перемещения Вертикальные перемещения

Рис. 3.1. Искажение поперечного сечения слитка диаметром 200 мм после лизгиба на базовый радиус (скорость разливки 1,8 м/мин)

(перемещения на верхнем рисунке увеличены в 10 раз)

Горизонтальные перемещения Вертикальные перемещения

Рис. 3.2. Искажение поперечного сечения слитка диаметром 200 мм после выпрямления (скорость разливки 1,8 м/мин)

(перемещения на верхнем рисунке увеличены в 10 раз)

Наибольшая расчётная величина овальности при правке для диаметра 200 мм не превосходит 0,5 %.

По существующим нормам приёмки допускается овальность до 1,5 %. Следовательно, непосредственно изгиб и правка круглой заготовки дает суммарную овальность в пределах указанного допуска.

3.2. Анализ формирования затвердевающей корки круглой непрерывнолитой заготовки в гильзе кристаллизатора. Определение конструктивных параметров рабочей полости гильзы. Анализ влияния разнотолщинности стенки гильзы на качество круглой заготовки.

С целью создания новой конструкции гильзы для непрерывного литья круглой заготовки рассмотрен процесс взаимодействия формирующейся оболочки круглого слитка со стенками кристаллизатора с учетом усадки и контактных явлений как основы образования овальности. Результатом этого анализа стала разработка гильзы кристаллизатора с новой формой рабочей полости.

Решение задачи обеспечивается тем, что в верхней части гильзы выполнены (рис.3.3) участки вогнутых поверхностей, при этом их форма, количество и длина зависят от размерного и марочного сортамента отливаемых слитков.


Рис.3.3. Конструктивное выполнение вновь разработанной гильзы кристаллизатора для литья круглых заготовок.

При разработке новой конструкции круглой гильзы необходимо было оценить образование зазора/натяга между внутренней стенкой гильзы кристаллизатора и формирующейся корочкой слитка.

На рис.3.4 приведено изменение зазора по длине кристаллизатора для круглой заготовки диаметром 156 мм (конусность гильзы постоянная - 1,4%/м).

Из рисунка видно, что при нелинейных функциях усадки и теплового потока добиться равномерного зазора по длине кристаллизатора при постоянной конусности невозможно. Кроме того, усадка заготовки помимо теплового потока зависит и от множества других факторов: скорости литья, марки стали, конструкции кристаллизатора и т.д. Следовательно, задание переменной по длине кристаллизатора конусности может обеспечить оптимальный зазор только в определённом диапазоне параметров разливки.

Рис.3.4. Изменение зазора по длине кристаллизатора для круглой

заготовки диаметром 156 мм (конусность постоянная - 1,4%/м).

Для исследования особенностей взаимодействия затвердевающей оболочки заготовки в кристаллизаторе с профилированной стенкой гильзы был проведен анализ деформирования затвердевающей оболочки круглого слитка на участке кристаллизатора с четырьмя синусоидальными вогнутостями.

Математическая модель деформирования поперечного сечения затвердевающей круглой заготовки построена на основе теории изгиба криволинейных стержней. Разработан алгоритм, позволяющий расчетным путем получить распределение контактного давления по периметру оболочки заготовки при ее взаимодействии со стенками гильзы в процессе движения вдоль кристаллизатора.

В целях определения рациональной геометрии внутренней полости гильзы возможно построение приближенной расчетной модели. Это основано на том, что при моделировании деформационных процессов в заготовке на начальном этапе ее затвердевания в кристаллизаторе принимается во внимание тот факт, что процессы теплоотдачи и деформирования главным образом происходят в радиальном направлении. Это позволяет рассматривать деформирование оболочки заготовки как последовательность деформирования движущегося кольцевого сечения заготовки при равномерных по периметру и переменных по высоте охлаждении и затвердевании.

Считая, что в верхней части кристаллизатора затвердевание кольцевой оболочки слитка начинается равномерно (независимо от угла) и, используя приведенную среднюю температуру по толщине кольца, сводим данную задачу к задаче деформирования однородного кольца. При деформировании оболочки слитка полная скорость деформаций складывается из скорости деформации ползучести и скорости температурной деформации . Последняя связана с температурной усадкой формирующейся оболочки заготовки. В результате уравнение состояния при деформировании материала затвердевшей оболочки слитка запишем в следующем виде:

, (3.2)

где - коэффициент линейного расширения ;

- характеристика материала при высокотемпературном деформировании .

В данном выражении использована линейная зависимость скорости деформации ползучести от напряжения, что характерно для температур предплавления на начальной стадии образования оболочки слитка. Линейная зависимость существенно упрощает решение задачи и позволяет для круглых слитков использовать известные в теории упругости формулы, описывающие деформирование стержневых колец при изгибе.

При движении кольца вдоль кристаллизатора на участке гильзы с синусоидальными вогнутостями, скорость радиальных перемещений элементов кольца в зависимости от угловой координаты можно записать в следующем виде:

, (3.3)

где - число вогнутостей синусоидальной формы внутренней поверхности гильзы;

a - коэффициент определяющий конусность по вогнутостям;

b - коэффициент определяющий конусность по выступам.

Введем параметр - скорость радиальных перемещений с учетом изменения геометрии формы и температурной усадки слитка.

, (3.4)

где - изменение радиуса кольца за счет температурной усадки затвердевающей корочки слитка.

Построим решение контактной задачи взаимодействия кольцевой оболочки слитка со стенками гильзы кристаллизатора. Разобьем кольцо на n одинаковых элементов длиной , где . Каждый j-ый элемент характеризуется координатой и контактной силой

где - нормальное контактное напряжение.

С другой стороны, скорость радиального перемещения в i-ом элементе является результатом суммарного влияния всех j-ых контактных давлений. В результате, просуммировав скорости радиальных перемещений под действием всех j-ых контактных давлений, получаем систему n линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных :

, (3.5)

где , , соответственно - изгибающий момент, нормальная и поперечная силы в поперечном сечении кольца с угловой координатой при его нагружении единичными встречными силами в точках с угловой координатой .

Уравнение (3.5) получено на основе известного в сопротивлении материалов решения для кольца, нагруженного двумя единичными встречными силами. Его решение позволяет получить распределение контактных давлений по периметру круглого слитка при его взаимодействии со стенками кристаллизатора.

Для анализа геометрических параметров гильзы с синусоидальными вогнутостями использована безразмерная форма записи зависимости (3.4):

, (3.6)

где ;

- безразмерный параметр геометрии внутренней полости гильзы, объединяющий коэффициенты и , определяющий глубину воронкообразной части гильзы:

Также удобно ввести относительную толщину кольцевой оболочки

слитка

Таким образом, для анализа влияния геометрии формы внутренней поверхности гильзы на распределение контактных давлений и равномерность охлаждения заготовки в кристаллизаторе достаточно рассмотреть влияние на деформирование оболочки двух параметров и . Приведенные ниже результаты относятся к форме гильзы с 4-мя вогнутостями в верхней части.

Данный расчет позволяет определить критическое значение параметра , при котором контактное напряжение в области синусоидальных вогнутостей падает до нуля. Эта ситуация создает опасность возникновения газовых зазоров и местных разогревов оболочки слитка. С другой стороны, нельзя допустить и больших значений контактного напряжения, так как это приводит к возрастанию сил трения, и как следствие - к повышенному износу внутренней поверхности гильзы, а также к возможному разрыву оболочки заготовки. Рассматривая различные положения кольцевого элемента оболочки (задавая различные значения его относительной толщины ), подбираем такие значения параметра конусности , при котором обеспечивается приемлемая равномерность контактного напряжения по периметру и его величина. Таким образом, выбранные на основании данного расчёта рациональные значения внутренней полости гильзы в верхней воронкообразной части обеспечивают значительное снижение овальности круглой заготовки и при этом исключают образование поверхностных и подповерхностных трещин. В частности, для относительной толщины = 0,02 рациональное значение = 0,02, для = 0,04 - = 0,05, для = 0,06 - = 0,1 и для = 0,08 - = 0,2.

Для отклонений от среднего значения контактных напряжений не более 10% параметр в конце воронкообразного участка гильзы должен быть не менее 0,4Е0,5 при относительной толщине оболочки в конце воронкообразного участка гильзы с синусоидальными вогнутостями не более 0,05Е0,07.

На МНЛЗ-1 Волжского трубного завода, были установлены кристаллизаторы и гильзы новой конструкции ВМ-синус [2, 8Е15, 18, 19, 23, 68]. В конце литья заготовок диаметром 156 мм (на четвёртой плавке в серии) при скорости вытягивания 2,9 м/мин в один из кристаллизаторов была введена сера. В результате была получена непрерывнолитая заготовка длиной 4500 мм, затем были отобраны поперечные темплеты с шагом порядка 150 мм, их подвергли шлифованию и сделали серные отпечатки, показанные на рис.3.5. Из рисунка видно, что распространение фронта кристаллизации к центру слитка происходит равномерно. Равномерный фронт кристаллизации обеспечивается разработанной конструкцией гильзы

Рис.3.5. Серные отпечатки с поперечных темплетов, сделанные после проведения эксперимента (h - толщина оболочки слитка; L - расстояние от мениска в кристаллизаторе). Скорость разливки 2,9 м/мин.

кристаллизатора в сочетании с новой системой вторичного охлаждения для литья круглых заготовок.

Во время освоения гильз ВМ-синус для круглых заготовок диаметром 156 мм на МНЛЗ-2 Волжского трубного завода, было установлено, что наилучшие результаты в части получения равномерного фронта затвердевания и, следовательно, - исключения овальности и трещин термического происхождения, были получены в тех случаях, когда перед формированием на оправке рабочей поверхности круглой гильзы её трубную медную заготовку обтачивают с целью уменьшения разностенности. Указанное объясняется тем, что рабочая поверхность гильзы ВМ-синус по сравнению с гильзами, изготавливаемыми другими фирмами, по своим размерам и конфигурации в наибольшей степени соответствует размерам и конфигурации наружной поверхности кристаллизующейся непрерывнолитой круглой заготовки, что обеспечивает плотный контакт между заготовкой и гильзой почти по всему периметру и по всей длине рабочей полости гильзы. В таких условиях, когда происходит интенсивный теплоотвод от заготовки к гильзе, оказалось, что равномерность теплоотвода по периметру заготовки не может быть обеспечена при существующих общепринятых мировых нормах допустимой разнотолщинности стенок гильзы в пределах +0,5 мм, т.е. поле допуска составляет около 1 мм, что в среднем равняется 6-7% от толщины стенок гильзы. В связи с этим при изготовлении гильз указанный допуск нами был уменьшен в 7 раз, что благотворно сказалось на качестве непрерывнолитой круглой трубной заготовки.

3.3. Модернизация действующих радиальных машин непрерывного литья круглых трубных заготовок на металлургических заводах России и зарубежных стран.

Результаты описанных выше выполненных работ и исследований были использованы при разработке новой конструкции кристаллизатора для разливки непрерывнолитых круглых заготовок диаметром 156 мм и оборудования зоны вторичного охлаждения при проведении реконструкции МНЛЗ-2 и модернизации кристаллизатора для заготовки диаметром 150 мм на реконструированной фирмой SMS-Demag МНЛЗ-1 Волжского трубного завода. Главной задачей при разработке новой конструкции оборудования для непрерывного литья круглых заготовок было увеличение рабочей скорости разливки, уменьшение овальности, увеличение серийности плавок и уменьшение брака.

Достигнутые результаты подтвердили предусмотренные проектом реконструкции МНЛЗ-2 Волжского трубного завода технико-экономические показатели:

- скорость разливки увеличена на 25-30%;

- сократилась продолжительность разливки одной плавки со 120 минут до 90 минут;

- производительность МНЛЗ-2 увеличена на 30%;

- количество плавок в серии возросло до 4,3;

- количество прорывов уменьшилось в 10 раз;

- расход огнеупоров сократился на 25-40%;

- стойкость гильз кристаллизаторов увеличилась на 40-45%;

- отсортировка круглых заготовок на обточку по дефектам поверхности сократилась в 2,5-3 раза.

Годовой экономический эффект от реконструкции МНЛЗ-2 составил около 31,98 млн. руб. (по данным центральной заводской лаборатории Волжского трубного завода), в том числе:

- за счёт снижения расхода огнеупоров - 84,6 руб/т (около 17,2 млн. руб. или 53,4 % от общего экономического эффекта);

- за счёт увеличения производительности МНЛЗ-2 - 17,1 руб/т (около 13,2 млн. руб. или 41,3 % от общего экономического эффекта);

- за счёт уменьшения количества заготовок направленных на обточку - 10 руб/т (около 1,58 млн. руб. или 4,9 % от общего экономического эффекта).

Для решения задач по улучшению качества непрерывнолитых круглых заготовок 156, увеличению скорости и повышению стабильности процесса разливки на МНЛЗ-1 по заданию ВТЗ были реконструированы кристаллизаторы, изготовленные фирмой SMS-Demag. В них были установлены гильзы конструкции ВМ-синус, в результате чего была достигнута максимальная скорость разливки 3,5 м/мин и брак снижен с 4,5 % до 0,18%, овальность заготовок уменьшена с 0,46 % до 0,01 %.

Аналогичные задачи см. таблицу 3.1 были решены при разработке под руководством автора основного технологического оборудования в связи реконструкцией трехручьевой МНЛЗ металлургического завода ТМК-Решица (Румыния) для литья круглых заготовок диаметром 350 и 177 мм. На пятиручьевой МНЛЗ Северского трубного завода для литья заготовок диаметром 156 мм и трехручьевой МНЛЗ завода УKSP SteelФ для литья заготовок диаметром 210 мм и 300 мм выполненные под руководством автора работы по их реконструкции находятся в стадии завершения.

Таблица 3.1. Перечень заводов, для которых был выполнен проект реконструкции МНЛЗ для литья круглых трубных заготовок.

№	Об ъект	Сечение заготовок, мм	Кол-во ручьев, шт.	Тип МНЛЗ	Год Реконструкции	Вес плавки, т	Работы, выполненные под руководством автора
1	Волжский трубный завод	∅ 156 ∅ 196	4	Криволиннейнная, R14ам	2005-2006	150		Техно-рабочий проект реконструк-ции кристаллизато-ров, ЗВО и гибких затравок.
2	Метзавод ТМК-Решица (Румыния)	∅ 177 ∅ 350	3	Радиаль-ная, R13 м	2008-2009	110		Технический проект реконструкции. кристаллизаторов. Участие в освоении и достижении проектных показателей.
3	Метзавод г.аПавлодар (Казахстан)	150х150 ∅ 210 ∅ 300	3	Радиаль-ная, R10 м	2009-2010	60		Техно-рабочий проект реконструк-ции ЗВО, ТПУ и кристаллизаторов.
4	Северский трубный завод	∅ 156	5	Криволиннейнная, R12ам	2010	150		Техно-рабочий проект реконструкции кристаллизаторов и ЗВО.

4. СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИЛЬЗ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ КРУГЛЫХ ТРУБНЫХ И СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК,

Круглые гильзы кристаллизаторов изготавливают из круглых горячекатаных прессованных труб, поставляемых заводами по обработке цветных металлов.

Для выравнивания толщины стенок круглых медных труб разработали технологию их вытягивания на прямой круглой конусной оправке.

С учетом этой операции, круглые медные трубы для изготовления гильз кристаллизаторов для отливки круглых трубных заготовок выбираются из расчета получения периметра внутренней полости трубы, равного 1,05Е1,1 периметра внутренней поверхности полости заготовки. Толщина стенки исходной круглой трубы должна быть на 25Е35 % больше заданной стенки гильзы, что обеспечивает холодную деформацию стенки при дорнировании 5Е12 % и деформацию стенки при протяжке заготовки на длинной оправке, равную 15Е25 %.

С целью снижения разнотолщинности стенок круглой гильзы, используются калибрующая оправка и калибрующая фильера.

Перед волочением исходной заготовки (медной круглой трубы) её отжигают при температуре 550 0С в течение полутора часов для улучшения условий формования. Заготовку, медную прессованную трубу с допуском на наружный размер 2,0 мм и толщиной стенки 20 мм с допуском 1,8 мм, что соответствует разнотолщинности 7%, протягивают через формующую фильеру на оправке. После этого на токарный станок устанавливают заготовку вместе с оправкой и обтачивают до необходимого диаметра, обеспечивающего требуемую равномерность толщины стенки, а также заданную чистоту наружной поверхности (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Обточка медной заготовки на токарном станке.

Базовой поверхностью для центрирования заготовки в станке является наружная поверхность калибрующей оправки. Обточка наружного диаметра заготовки на токарном станке до чистой поверхности составляла 0,5Е1 мм. С помощью указанных операций волочения на калибрующей оправке и токарной обработке наружной поверхности заготовки разнотолщинность гильз снижается с 7 % до 0,5-1 % .

Снижение разнотолщинности привело к увеличению равномерности теплового потока в кристаллизаторе и способствовало снижению овальности непрерывнолитой заготовки.

Одной из основных операций является дорнирование заготовки двумя дорнами цилиндрической формы в штамп-контейнере. Причём дорнирование (накатка) является оригинальной частью технологии производства гильз кристаллизаторов. При этом существенно снижается шероховатость внутренней поверхности заготовок, увеличивается прочность и твёрдость внутреннего слоя. Однако вес штамп-контейнера составляет 610 килограмм и для каждого сечения требуется свой штамп-контейнер или вкладыш к нему, что требует больших материальных затрат.

Формовка круглых радиальных гильз большего размера производится без штамп-контейнера с помощью дополнительной формующей длинной оправки и фильеры, с целью экономии средств при производстве круглых гильз без применения штамп контейнера.

Так, при производстве гильз для металлургического завода ТМК-Решица (Румыния) с внутренним диаметром 177 мм использовали три длинных оправки - прямую калибрующую для последующей обточки наружной поверхности заготовки на токарном станке; радиальную, формующую радиус гильзы; чистовую, формующую внутреннюю полость гильзы с вогнутостями на стенках (рис. 4.2). Дорнирование заготовки осуществляли без контейнера с применением дорна с увеличивающимся диаметром рабочей поверхности. После дорнирования заготовку подвергают отжигу для снятия наклёпа при температуре 550 0С и шлифуют внутреннюю поверхность заготовки для удаления дефектов.

Обжатие при волочении заготовки через фильеру на окончательной длинной оправке составляет 20-25 %. Такое холодное обжатие обеспечивает твёрдость стенки гильзы не менее 80 НВ и получение внутренних и наружных размеров в соответствии с требованиями чертежа.

После полировки внутренней поверхности гильзы передают на хромирование (толщина хрома 90-110 мкм), а затем полируют их рабочую поверхность и осуществляют контроль геометрических размеров.

Подобная технология и аналогичное оборудование под руководством автора были также разработаны для производства гильз кристаллизаторов, предназначенных для литья непрерывнолитых сортовых заготовок (рис. 4.3).

Рис. 4.2. Чистовая оправка образующая окончательную геометрию внутренней полости.

Рис.4.3. Специализированный участок ВНИИМЕТМАШ для изготовления кристаллизаторов различных типоразмеров.

Кроме того, под руководством автора были разработаны, изготовлены и поставлены машина и технологический инструмент для изготовления гильз ЮжноЦкорейской фирме УПунсанФ (рис. 4.4), а также реконструированы на Белорусском метзаводе существующая машина и технологический инструмент, поставленный фирмой УДаниелиФ, с целью изготовления гильз конструкции ВМ-синус.

Рис. 4.4. Машина для изготовления гильз кристаллизаторов, поставленная фирме УПунсанФ (Южная Корея).

Сводный перечень заводов-потребителей гильз изготовляемых во ВНИИМЕТМАШ приведён в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Перечень заводов-потребителей гильз, изготовляемых во ВНИИМЕТМАШ.

№ п/п	Завод (город, страна)	Сечение заготовки, мм	Количество ручьев	Базовый радиус МНЛЗ, мм	Конструкция гильз
	Молдавский металлургический завод (Рыбница, Молдова)	125х125	6	6000	ВМ-синус
		140			параболическая
		150			параболическая
	Амурметалл (Комсомольск-на-Амуре, Россия)	125х125	6	6000	ВМ-синус
	Лиепаяс металургс (Лиепая, Латвия)	150х150	16	прямая	ВМ-синус
	Баку Стил (Баку, Азербайджан)	120х120	3	4876,8	ВМ-синус
	Баку Стил (Баку, Азербайджан)	150х150	3	4876,8	ВМ-синус
	Нижнесергинский метизно-металлургический завод (Ревда, Россия)	125х125	6	8000	ВМ-синус
		150х150	6	8000	ВМ-синус
	Узбекский металлургический завод (Бекабад, Узбекистан)	200х200	4	прямая	Прямая без покрытия
	Енакиевский металлургический завод (Енакиево, Украина)	100х100	12	7000	ВМ-синус
		120х120			ВМ-синус
		125х125			ВМ-синус
		130х130			ВМ-синус
		140х140			ВМ-синус
		150х150			ВМ-синус
	Gekosteel (Хама, Сирия)	100х100	4	4000	одноконусные
	Ekingeler (Искендерун, Турция)	100х100		5000	одноконусные
	Durgapur Steel Plant (Дургапур, Индия)	100х100	12	6000	ВМ-синус
	Inchon Iron (Ю. Корея)	120х120	6	7000	ВМ-синус
	United Iron and Steel Mfg. Co. (Иордания)	100х100	3	6000	ВМ-синус
	Сулинский металлургический завод (Сулин, Россия)	125х125	3	5000	ВМ-синус
	Мечел (Челябинск, Россия)	100х100	6	9000	трехконусная
	Фроловский электросталеплавильный завод (Фролово, Россия)	100х100	3	прямая	двухконусная
	Фроловский электросталеплавильный завод (Фролово, Россия)	125х125	3	прямая	двухконусная
	Серп и Молот (Москва, Россия)	140х140	1	прямая	одноконусная
	Белорусский металлургический завод (Жлобин, Беларусь)	125х125	6	5000	ВМ-синус
	Белорусский металлургический завод (Жлобин, Беларусь)	140х140	6	5000	ВМ-синус
	Trinecke Zelezarny (Триница, Чехия)	150х150	8	9000	ВМ-синус
	Волжский трубный завод (Волжский, Россия)	156	4	14000	ВМ-синус
		196			ВМ-синус
		Ремонт 150			ВМ-синус
	Западно-Сибирский металлургический комбинат (Новокузнецк, Россия)	150х150	8	12000	ВМ-синус
	Красный Октябрь (Волгоград, Россия)	120х120	6	8500	одноконусная
	Красный Октябрь (Волгоград, Россия)	200х200	6	8500	одноконусная
	Ярцевский литейно-прокатный завод (Ярцево, Россия)	125х125	2	7000	ВМ-синус
	Омутнинский металлургический завод (Омутнинск, Россия)	150х150	2	7000	ВМ-синус
	Омутнинский металлургический завод (Омутнинск, Россия)	130х130	2	7000	ВМ-синус
	KSP Steel (Павлодар, Казахстан)	150х150	3	10000	ВМ-синус
	KSP Steel (Павлодар, Казахстан)	210	3	10000	ВМ-синус
	ТМК-Решица (Румыния)	177	3	13000	ВМ-синус
	Северский трубный завод (Полевской, Россия)	156	5	12000	ВМ-синус

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании экспериментальных исследований и теоретического анализа влияния формы затвердевающей оболочки радиальной непрерывнолитой заготовки на качество и скорость её литья предложена и обоснована целесообразность создания первой, не имевшей аналогов на период создания, промышленной отечественной крупносортовой радиальной четырёхручьевой МНЛЗ Руставского металлургического завода, ставшей прообразом МНЛЗ следующего поколения.

2. Разработана и вместе с Южуралмашем освоена в промышленных масштабах типовая крупносортовая радиальная МНЛЗ, которая с некоторыми изменениями внедрена на металлургических заводах России, Индии, Нигерии, Узбекистана, Пакистана, Югославии, Болгарии, Турции и др. стран. Созданы и освоены четыре крупносортовые МНЛЗ нового поколения на Оскольском электрометаллургическом комбинате, которые успешно вписались в одну технологическую линию с высокопроизводительным сталеплавильным и прокатным оборудованием, полностью поставленным на комбинат фирмами Германии. На этих машинах из 170-тонных ковшей отливают крупносортовые заготовки из 100 марок сталей, включая высоколегированные и подшипниковые. Реконструкция подъёмно-поворотного стенда для разливочных ковшей, позволившая на 20-25 тонн увеличить вес плавки и на 400000 т увеличить производительность отделения непрерывной разливки стали, выполнена под руководством автора.

3. На основании анализа формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в зависимости от конструкции технологических узлов МНЛЗ (кристаллизатора, механизма качания, тянуще-правильного устройства, оборудования зоны вторичного охлаждения) разработана и освоена в промышленных масштабах первая отечественная многоручьевая машина непрерывного литья заготовок на Молдавском металлургическом заводе (ММЗ). В дальнейшем подобные МНЛЗ были сооружены и успешно освоены на заводе Амурметалл и - совместно с Новокраматорским машзаводом и ММЗ - на Енакиевском, Омутнинском и Ярцевском метзаводах. Результаты выполненного под руководством автора указанного выше анализа позволили выполнить модернизацию кристаллизаторов и ряда других узлов сортовых МНЛЗ на металлургическизх заводах: Сулинском, Новороссметалл, Баку Стил (Азербайджан), Дургапурском (Индия), Лиепаяс металлургс (Латвия) и Фроловском электросталеплавильном заводе. На всех указанных заводах в результате реконструкции возросла производительность, увеличилась серийность, снизилась аварийность, существенно улучшилось качество заготовки и увеличился выход годного.

4. В результате анализа динамического взаимодействия с отливаемой заготовкой основных технологических узлов сортовых МНЛЗ и исследования влияния шарнирных соединений в механизмах этих узлов на качество непрерывнолитой сортовой заготовки были разработаны конструкции беззазорных механизмов качания и предварительно напряжённых этих механизмов приводов, бесшарнирных гибких затравок, а также новая конструкция приводов тянущих валков, позволяющая от одного двигателя приводить одну или две пары нижних и верхних валков одной клети и обеспечить при этом от двух - до трёхкратного уменьшения давления валков на заготовку при одновременном улучшении её качества и увеличении скорости её литья. Указанные усовершенствования конструкции МНЛЗ внедрены на металлургических заводах - Молдавском, Амурметалл, Волгоградском Красный Октябрь, Московском Серп и молот, Белорусском, Ярцевском литейно-прокатном, Нижнесергинском метизно-металлургическом и Волжском трубном. Проект подобной модернизации под руководством автора выполнен и реализуется в настоящее время на металлургическом заводе KSP-Steel (Казахстан). Возможность и практическая ценность подобной модернизации МНЛЗ возрастает в связи с постоянно растущими требованиями улучшения качества заготовки, расширения марочного сортамента разливаемых марок стали и повышения производительности МНЛЗ.

5. Выполнены теоретический анализ деформирования в кристаллизаторе затвердевающей корки круглой непрерывнолитой заготовки и анализ влияния разнотолщинности стенки гильзы на качество заготовки. Определены с учётом усадки основные закономерности образования овальности круглой заготовки. На основании этих анализов разработана и освоена в промышленных масштабах новая конструкция гильзы кристаллизатора (торговая марка ВМ-синус) для непрерывного литья круглой заготовки. Так, внедрение таких гильз на МНЛЗ-1 и МНЛЗ-2 Волжского трубного завода позволило увеличить скорость литья заготовки ∅ 156 мм на 30% и количество плавок в серии - на 35%. При этом отсортировка по овальности, поверхностным и подповерхностным дефектам уменьшилась в 2,5-3,0 раза, а количество прорывов жидкого металла уменьшилось в 2 раза. Всё это позволило только на МНЛЗ-2 получить годовой экономический эффект около 32 млн. руб. (в ценах 2005 года).

6. Разработана промышленная технология изготовления круглых гильз ВМ-синус, которая по сравнению с существующей за рубежом технологией производства круглых гильз позволила уменьшить разнотолщинность стенки гильзы с 7% до 1% и снизить расход меди на 40-50%. Гильзы по этой технологии изготавливаются для МНЛЗ Волжского и Северского трубных заводов, завода KSP Steel (Казахстан) и ТМК-Решица (Румыния).

7. Разработана математическая модель определения условий, при которых появляется основной дефект круглой непрерывнолитой заготовки - её недопустимая овальность при правке и изгибе в процессе затвердевания. Эта модель позволяет рассчитывать криволинейную (многорадиусную) технологическую ось МНЛЗ для литья круглых заготовок, чем необходимо руководствоваться при реконструкции МНЛЗ с целью увеличения скорости литья и производительности, а также при переводе МНЛЗ с литья крупного сорта на литьё круглых заготовок. Так, реконструкция крупносортовой МНЛЗ ТМК-Решица с целью литья круглых трубных заготовок диаметром ∅ 177 мм - вместо получения таких заготовок путём прокатки из непрерывнолитых заготовок 260х340 мм - позволила при производстве бесшовных труб увеличить выход годного на 5%. При этом на заводе было ликвидировано прокатное производство, что позволило снизить эксплуатационные затраты при получении круглых трубных заготовок диаметром ∅ 177 мм.

8. Творческий вклад автора в создание, освоение, усовершенствование и развитие промышленного применения радиальных МНЛЗ отмечен присуждением ему в 1985 премии Совета Министров СССР и в 2009 году премии Правительства РФ, а также присвоением ему в 2010 году звания Заслуженный изобретатель РФ.

Основные работы, опубликованные автором по теме диссертации в виде научного доклада.

Майоров А.И., Смоляков А.С. Машины радиального типа для стальных заготовок. / В монографии л60 лет научно-конструкторской и производственной деятельности ВНИИМЕТМАШ. М.: Наука. 2005, с. 374-380.
Ганкин В.Б., Николаев Г.И., Е, Смоляков А.С. и др. Кристаллизаторы ВНИИМЕТМАШ для высокоскоростного литья сортовых и круглых заготовок. / В монографии л60 лет научно-конструкторской и производственной деятельности ВНИИМЕТМАШ. М.: Наука. 2005, с. 392-400.
Ганкин В.Б., Ротенберг А.М., Смоляков А.С. и др. Модернизация машин непрерывного литья сортовых заготовок. / В монографии Академик Александр Иванович Целиков. М.: Наука. 2003, с. 139-151.
Смоляков А.С., Целиков А.А., Шифрин И.Н. и др. Беззазорные упругие затравки криволинейных машин непрерывного литья заготовок. / В монографии Академик Александр Иванович Целиков. М.: Наука. 2003, с. 134-139.
Шифрин И.Н., Ганкин В.Б., Е, Смоляков А.С. и др. Вклад ВНИИМЕТМАШ в развитие машин непрерывного литья стальных заготовок. / В монографии ВНИИМЕТМАШ и металлургическое машиностроение. М.: Наука. 2009, с.129147.
Дроздов А.В., Смоляков А.С. Динамика упругой системы МНЛЗ кристаллизатор-слиток-затравка-ТПМ. / Тяжелое машиностроение. 2010, №5, с. 5-13.
Смоляков А.С., ЦеликоваА.А., Сумский С.Н. и др. Беззазорные упругие затравки криволинейных МНЛЗ. / Сталь, №10, 2002, c.77-79.
ШапироаА.В., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Влияние конструктивных и технологических параметров оборудования зоны кристаллизации МНЛЗ на качество непрерывнолитых круглых заготовок. / Тяжелое машиностроение, 2007, №5, с.а9-15.
ШапироаА.В., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Технология и оборудование для производства и ремонта круглых гильз кристаллизаторов. / Черные металлы, 2008, №10, с. 14-19.
ШапироаА.В., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Выбор конструкции МНЛЗ и оценка тепловой работы зоны кристаллизации. / Сталь, 2008, №3, с. 68-73.
Николаев Г.И., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Разработка и освоение конструкции оборудования и технологии для непрерывного литья круглых стальных заготовок. / Черные металлы, 2006, №11, с. 17-22.
Смоляков А.С., Ганкин В.Б., ШапироаА.В. и др. Модернизация МНЛЗ для литья круглых заготовок. / Сталь, 2005, №8, с. 77-78.
Смоляков А.С., Ганкин В.Б., ШапироаА.В. и др. Модернизация машин непрерывного литья круглых заготовок на ОАО Волжский трубный завод. / В кн. Технологии и оборудование для внепечной обработки и непрерывной разливки стали. М.: Теплоэнергетика, 2006, с. 165-179.
Ганкин В.Б., Николаев Г.И., Смоляков А.С. и др. Работы ВНИИМЕТМАШ в области создания кристаллизаторов для литья сортовых и круглых заготовок. / В сб. л60 лет непрерывной разливки в России. М.: Интерконтакт Наука, 2007, с.а309-311.
Шапиро А.В., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Влияние конструктивных и технологических параметров МНЛЗ на качество непрерывнолитых круглых заготовок. / В сб. трудов конференций и семинаров. М.: Металлургиздат. 2007, с. 238-250.
Чарный А.Х., СмоляковаА.С. Оборудование установок непрерывной разливки стали. / В каталоге - справочнике Сталеплавильное оборудование. М.: НИИИнформтяжмаш. 1969, с.а121-171.
Смоляков А.С., ЦеликоваА.А., Сумский С.Н. и др.Беззазорные упругие затравки криволинейных МНЛЗ./ В сб. трудов международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А.И. Целикова. М.: Информация - XXI век. 2004, с. 130-133.
яльков А.Г., Маркович В.И., Е, Смоляков А.С. и др. Модернизация МНЛЗ для литья круглых заготовок на Волжском трубном заводе. / Металлург, 2005, №9, с.а62.
Патент РФ № 2325969 Гильзовый кристаллизатор для высокоскоростного непрерывного литья металлов. Шифрин И.Н., Ганкин В.Б., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 10.06.2008, Б.И. № 16.
Патент РФ №2264275 Механизм качания кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок. Баначенков В.Г., Киреев В.Н., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 20.11.2005, Б.И. №32.
Патент РФ №2258576 Гибкая затравка. Буторов А.В., Данилов И.П., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 20.08.2005, Б.И. № 23.
Патент РФ №2247004 Тянущее устройство машины непрерывного литья заготовок. Опубл. 27.02.2005, Б.И. №
Патент РФ № 2308348 Гильзовый кристаллизатор для высокоскоростного непрерывного литья круглых заготовок. Шапиро А.В., Смоляков А.С., ШифринаИ.Н. и др. Опубл. 20.10.2007, Б.И. №29.
Патент РФ №2193472 Гибкая затравка. Смоляков А.С., Целиков А.А., ШифринаИ.Н. и др. Опубл. 27.11.2002, Б.И.
А.С. СССР №1359060 Машина для непрерывного литья заготовок. Целиков А.А., Смоляков А.С., Шифрин И.Н. и др. Опубл. 15.12.1987, Б.И. №46.
А.С. СССР № 1091992 Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитой заготовки. Целиков А.А., Смоляков А.С., Ганкин В.Б. и др. Опубл. 15.05.84, Б.И. №18.
А.С. СССР № 969444 Устройство автоматического регулирования скорости качания кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок. Филатов С.А., Энгоян А.М., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.10.82, Б.И. №40.
А.С. СССР № 916069 Устройство автоматического управления механизма качания. Филатов С.А., Ротенберг А.М., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.03.82, Б.И. №12.
А.С. СССР № 933197 Способ непрерывного литья заготовок. Энгоян А.М., Шусторович В.М., Смоляков А.С. и др. Опубл. 07.06.82, Б.И. №21.
А.С. СССР № 933206 Устройство для подвода металла под уровень. ЦеликоваА.А., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Опубл. 07.06.82, Б.И. №21.
А.С. СССР № 908494 Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитого слитка. ЦеликоваА.А., Майоров А.И., Смоляков А.С. и др. Опубл. 28.02.82, Б.И. №8.
А.С. СССР № 904878 Радиальная машина непрерывного литья металлов. ЦеликоваА.А., Ротенберг А.М., Смоляков А.С. и др. Опубл. 15.02.82, Б.И. №6.
А.С. СССР № 932264 Устройство для измерения веса металла в ковше. ЦеликоваА.А., Тимохин О.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.05.82, Б.И. №20.
А.С. СССР № 667324 Устройство для подъема промежуточного ковша. ЦеликоваА.А., Смоляков А.С., Суладзе О.Н. и др. Опубл. 15.06.79, Б.И. №22.
А.С. СССР № 719794 Устройство для подачи охладителя на слиток. ЦеликоваА.А., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Опубл. 05.03.80, Б.И. №9.
А.С. СССР № 593811 Подъемно-поворотный стол. ЦеликоваА.А., Тимохин О.А., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 25.02.78, Б.И. №7.
А.С. СССР № 597499 Радиальная машина непрерывного литья металлов. ЦеликоваА.А., Смоляков А.С., Ермолюк Т.Д. и др. Опубл. 15.03.78, Б.И. №10.
А.С. СССР № 614884 Стакан для вертикального подвода металла в кристаллизатор. ЦеликоваА.А., Ганкин В.Б., Смоляков А.С. и др. Опубл. 15.07.78, Б.И. №26.
А.С. СССР № 684819 Подъемно-поворотный стенд для сталеразливочных ковшей. ЦеликоваА.А., Тимохин О.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.05.81, Б.И. №20.
А.С. СССР № 605673 Механизм качания кристаллизатора. Потапенко В.К., Богословский А.К., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 05.05.78, Б.И. №17.
А.С. СССР № 651890 Устройство для настройки направляющих секций зоны вторичного охлаждения. Потапенко В.К., Богословский А.К., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 15.03.79, Б.И. №10.
А.С. СССР № 474388 Устройство для вытягивания слитка. ЦеликоваА.А., Смоляков А.С., Кожевников И.Е. и др. Опубл. 25.06.75, Б.И. №23.
А.С. СССР № 468700 Рольганг машины непрерывного литья металлов. СмоляковаА.С., ЦеликоваА.А., Кривошеев О.А. и др. Опубл. 30.04.75. Б.И. №16.
А.С. СССР № 455795 Устройство для съема слитков. Ротенберг А.М., СмоляковаА.С., ЦеликоваА.А. и др. Опубл. 05.01.75., Б.И. №1.
А.С. СССР № 395166 Подъемно-поворотный стол. Молочников Н.В., ЦеликоваА.А., СмоляковаА.С. и др. Опубл. 28.08.1973, Б.И. №35.
А.С. СССР № 398082 Радиальная установка непрерывной разливки металлов. Молочников Н.В., ЦеликоваА.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 30.10.79, Б.И. №40.
А.С. СССР № 384603 Устройство для обслуживания промежуточных ковшей. Молочников Н.В., ЦеликоваА.А., СмоляковаА.С. и др. Опубл. 29.05.1973. Б.И. №25.
А.С. СССР № 365915 Машина для непрерывного литья металлов. МолочниковаН.В., ЦеликоваА.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 15.11.1979, Б.И. №42.
А.С. СССР № 378050 Устройство для монтажа и демонтажа направляющих секций зоны вторичного охлаждения. Молочников Н.В., ЦеликоваА.А., СмоляковаА.С. и др. Опубл. 15.06.74, Б.И. №22.
А.С. СССР № 289670 Кристаллизатор многоручьевой установки непрерывной разливки металлов. Шарадзенидзе С.А., Суладзе О.Н., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 05.03.75, Б.И. №9.
А.С. СССР № 350324 Затравка радиальной машины непрерывного литья. МолочниковаН.В., ЦеликоваА.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 30.03.85, Б.И. №12.
А.С. СССР № 270478 Устройство для резки слитков в установках непрерывной разливки стали. Шарадзенидзе С.А., Суладзе О.Н., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 08.05.70, Б.И. №16.
А.С. СССР № 263824 Установка непрерывной разливки металлов и сплавов. Соловьев Ю.П., Попова М.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 23.08.86, Б.И. №31.
А.С. СССР № 261662 Совмещенный агрегат непрерывной разливки и прокатки. Коваль К.И., МолочниковаН.В., СмоляковаА.С. и др. Опубл. 23.11.86, Б.И. №43.
А.С. СССР № 326019 Устройство для центрирования промежуточных ковшей. ЦеликоваА.А., МолочниковаН.В., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 19.01.72, Б.И. №4.
А.С. СССР № 203848 Устройство для центриронвания струи металла. МолочниковаН.В., Патрикеев В.С., Смоляков А.С. и др. Опубл. 15.11.79, Б.И. №42
А.С. СССР № 762293 Способ определения протяженности жидкой фазы в непрерывнолитом слитке. Дружинин Н.Н., Филатов С.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 15.08.82, Б.И. №30.
Патент РФ №2193472 Гибкая затравка. Смоляков А.С., ЦеликоваА.А., ШифринаИ.Н. и др. Опубл. 27.11.2002, Б.И.
А.С. СССР № 1364390 Способ управления непрерывным литьем заготовок. ЦеликоваА.А., Смоляков А.С., ШифринаИ.Н. и др. Опубл. 07.01.88, Б.И. №1.
А.С. СССР № 916065 Устройство для вторичного охлаждения. ЦеликоваА.А., Майоров А.И., Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.03.82, Б.И. №12.
А.С. СССР № 414046 Устройство для нагрева промежуточных ковшей. МолочниковаН.В., ЦеликоваА.А., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 05.11.74, Б.И. №5.
А.С. СССР № 339100 Сборный радиальный кристаллизатор. ЦеликоваА.А., Кожевников И.Е., Е, СмоляковаА.С. и др. Опубл. 15.11.79, Б.И. №42.
А.С. СССР № 287761 Устройство для подвода охладителя к кристаллизатору. ЦеликоваА.А., Ротенберг А.М., Смоляков А.С. и др. Опубл. 05.11.79, Б.И. №41.
А.С. СССР № 1787670 Способ непрерывной разливки тонких слябов. ГанкинаВ.Б., Деев А.И., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 15.01.93, Б.И. №2.
А.С. СССР № 1694333 Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок. Айзин Ю.М., Ефремов В.Р., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.11.91, Б.И. №44.
А.С. СССР № 1752496 Устройство для замены удлиненного погружного стакана. Айзин Ю.М., Баккал А.Р., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 07.08.92, Б.И. №29.
А.С. СССР № 1171193 Способ непрерывного литья заготовок и кристаллизатор для его осуществления. Энгоян А.М., Смоляков А.С., Никокошев Н.Т. и др. Опубл. 07.08.85, Б.И. №29.
А.С. СССР № 1177039 Устройство для вторичного охлаждения непрерывно-литых заготовок. Целиков А.А., Смоляков А.С., Ганкин В.Б. и др. Опубл. 07.09.85, Б.И. №33.
Патент Великобритании № GB1237038 A continuous metal casting plant including a device for checking the positioning of curved location surfaces. Молочников Н.В., Целиков А.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 30.06.1971.
Патент Германии № DE1608095 Vorrichtung zum Schaukeln der Kuehlkokille einer Stranggussanlage,vorzugsweise einer radialen Stranggussanlage. Молочников Н.В., Целиков А.А., Смоляков А.С. Опубл. 05.11.1970.
Патент Великобритании № GB1208168 A mechanism for rocking a mould of continuous casting machines. Молочников Н.В., Целиков А.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 07.10.1970.
Патент Германии № DE1290675 Vorrichtung zum Heben und Senken von Giesspfannen. Молочников Н.В., Ротенберг А.М., Смоляков А.С. и др. Опубл. 12.01.1968.
Патент Германии № DE1583720 Auszugstuck fur radiale Metallstranggubanlage. Молочников Н.В., Целиков А.А., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 01.10.1970.
Патент Германии № DE1583718 Einrichtung zum Kokillenschaukeln. МолочниковаН.В., Целиков А.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 27.08.1970.
Патент Франции № FR1541375 Lingot d'amorcage pour dispositif radial de coule continue de metal. Молочников Н.В., Целиков А.А., Е, Смоляков А.С. и др. Опубл. 04.10.1968.
Патент Франции № FR1537397 Dispositif pour la coule de mtal en continu. МолочниковаН.В., Целиков А.А., Смоляков А.С. и др. Опубл. 23.08.1968.
Патент Великобритании № GB1176200 Improvements in or relating to Devices for Raising and Lowering Tundishes on Continuous Casting Machines. МолочниковаН.В., Ротенберг А.М., Смоляков А.С. и др. Опубл. 01.01.1970.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog