Великий Андрей Борисович совершенствование технологии разливки стали на высокопроизводительных сортовых мнлз

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Основное содержание работы Общие выводы

Подобный материал:

• Соколов Андрей Борисович (д и. н., проф. Ярославского гпу) Английская история в оценках, 31.99kb.
• «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова», 175.27kb.
• Повышение эффективности асу тп непрерывной разливки стали, 470.08kb.
• Телефоны: (495) 783-39-64, 365-47-88, 360.64kb.
• Тянуще-правильное устройство машины непрерывного литья заготовок, 584.76kb.
• Конференция гостеприимно собрала представителей 46 научных, образовательных и промышленных, 177.57kb.
• «Linux в образовании», 641.82kb.
• «linux в образовании», 213.58kb.
• Вдокладе рассмотрены современные архитектурные принципы и методы реализации перспективных, 34.3kb.
• Методические рекомендации по изучению дисциплины Тематический план семинарских (практических), 111.54kb.

На правах рукописи


Великий

Андрей Борисович


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИИ РАЗЛИВКИ СТАЛИ НА

ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СОРТОВЫХ МНЛЗ


Специальность 05.16.02 –

Металлургия чёрных, цветных и редких металлов


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук


Магнитогорск – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».


Научный руководитель – доктор технических наук

профессор

Столяров Александр Михайлович.


Официальные оппоненты: доктор технических наук

Паршин Валерий Михайлович;

кандидат технических наук

профессор

Миляев Александр Федорович

Ведущая организация – ОАО «Челябинский металлургический

комбинат».


Защита состоится 27 октября 2009 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».


Автореферат разослан « » 2009 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета В.Н. Селиванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В промышленно-развитых странах практически вся производимая сталь разливается непрерывным способом на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В нашей стране доля стали, разливаемой непрерывным способом, постепенно растет, но ее величина по данным за 2007 год пока составляет всего 71 % от общего объема производства.

Значительный вклад в повышение доли непрерывно разливаемой в России стали внесло ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», в котором в начале третьего тысячелетия закончен переход от морально устаревшего способа разливки стали в изложницы к непрерывному способу разливки. Это произошло в результате ввода в эксплуатацию в 2004 году двух сортовых МНЛЗ фирмы «VAI». Проектная производительность машин, расположенных в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК», составляет 2 млн. т заготовки в год. Разливка металла большей части сортамента осуществляется открытой струёй. Закрытой струёй разливается сталь с особыми требованиями к химическому составу и качеству заготовок. По рекомендациям фирмы количество плавок в серии лимитировалось продолжительностью кампании промежуточного ковша МНЛЗ.

На начальном этапе освоения нового оборудования и технологии непрерывной разливки была успешно решена главная задача по обеспечению безаварийной работы машин при разливке стали требуемого сортамента. В процессе освоения нового оборудования и технологии потребовалось разработать технологию получения сортовой заготовки с размерами поперечного сечения 150×150 мм, которая не предусматривалась в контракте, но оказалась необходимой для новых сортовых станов фирмы «Даниэли». После успешного решения специалистами комбината этой и некоторых других возникших проблем МНЛЗ были выведены на проектную производительность.

На следующем этапе освоения нового оборудования и технологии непрерывной разливки актуальной задачей являлось улучшение качества отливаемой сортовой заготовки в условиях расширения сортамента производимой стали. Кроме того, для обеспечения наиболее полной загрузки новых сортовых станов «450», «350» и «170» с общей проектной производительностью 2,2 млн. т проката возникла необходимость повышения производительности сортовых МНЛЗ выше их проектных показателей.

Целью диссертационной работы является улучшение качества сортовой заготовки для повышения конкурентной способности готовой металлопродукции, повышение производительности сортовых МНЛЗ и увеличение выхода годного металла. Для достижения этой цели в условиях ОАО «ММК» потребовалось решить следующие основные задачи:

– изучить влияние способа заливки металла в кристаллизатор на качество сортовой непрерывнолитой заготовки;

– опробовать различные режимы электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе для улучшения качества отливаемой заготовки;

– разработать технологию разливки стали на сортовой МНЛЗ, позволяющую сократить простои машины;

– опробовать различные способы разделения металла разного химического состава в серии;

– изучить процесс формирования переходного участка сортовой непрерывнолитой заготовки смешанного состава;

– оценить экономическую эффективность внедрения усовершенствованной технологии производства сортовой непрерывнолитой заготовки в условиях ОАО «ММК».

Научная новизна работы заключается в следующем:

– разработана новая математическая модель формирования переходного участка смешанного химического состава сортовой непрерывнолитой заготовки при разделении плавок в серии оставлением рациональной массы жидкого металла предыдущей плавки в промежуточном ковше;

– выявлено распределение по длине лунки заготовки металла, заливаемого открытой струей в кристаллизатор сортовой МНЛЗ, и глубина проникновения заливаемой струи;

– произведена количественная оценка степени удельного влияния на процесс формирования переходного участка сортовой заготовки смешивания металла разного химического состава в промежуточном ковше и в кристаллизаторе МНЛЗ; установлены зависимости протяженности переходного участка сортовой заготовки сечением 150×150 мм смешанного состава от отношения между содержанием элемента в металле смежных в серии плавок, а также массы металла переходных участков заготовок от количества жидкого металла, оставляемого в промежуточном ковше при разделении смежных плавок в серии.

Практическая значимость работы состоит в том, что в результате проведенных исследований повышена плотность осевой части отливаемой заготовки и горячекатаного проката, увеличена производительность сортовой МНЛЗ на 3,0 % (отн.) вследствие сокращения простоев машины, на 65 % (отн.) снижено количество отбракованного металла по причине несоответствия химического состава сортовых заготовок требованиям стандарта. Усовершенствованная технология разливки стали на сортовых МНЛЗ внедрена в производство в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК» с общим экономическим эффектом 12,5 млн. руб.


Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XIII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (Челябинск, 2007 г.), III Конгрессе металлургов Урала «Металлургия стали. Проблемы и решения» (Челябинск, 2008 г.), Х конгрессе сталеплавильщиков (г. Магнитогорск, 2008 г.) и на ежегодных конференциях МГТУ по итогам научно-исследовательских работ в 2006…2008 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей в журналах и сборниках, в том числе две статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и двух приложений. Она изложена на 114 страницах машинописного текста, включая 9 таблиц, 33 рисунка и 101 источник.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении изложены актуальность темы диссертационной работы, ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрены конструкция сортовых МНЛЗ, особенности технологии разливки стали на таких машинах и качество отливаемой заготовки, способы внешних воздействий на процесс формирования сортовой непрерывнолитой заготовки. Отмечено, что для отливки сортовых заготовок с размерами поперечного сечения не более 150×150 мм в основном используются шестиручьевые МНЛЗ радиального типа. Производительность одного ручья современной МНЛЗ может достигать 200…250 т сортовой заготовки в год. Это возможно вследствие высокоскоростной разливки стали в кристаллизаторы параболической формы с гидравлическим приводом качания. Под кристаллизатором сортовая заготовка подвергается жесткому водяному охлаждению. Длительность работы МНЛЗ методом «плавка на плавку» определяется сроком службы промежуточного ковша. Основным способом разливки стали на сортовых МНЛЗ является разливка открытой струей. Наиболее распространенными дефектами литого металла являются внутренние трещины и ликвационные полоски, подкорковые пузыри, точечная неоднородность и ромбичность сечения заготовки. Для улучшения качества отливаемого металла на сортовых МНЛЗ из всех известных способов внешнего воздействия наиболее широко применяется электромагнитное перемешивание металла, в основном, в кристаллизаторе машины. Приведены техническая характеристика и сведения об устройстве двух сортовых МНЛЗ фирмы «VAI», эксплуатирующихся в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК». Пятиручьевая машина радиального типа имеет базовый радиус 9 м. Проектная производительность МНЛЗ равна 1 млн. т сортовой заготовки в год. По контракту на машине могут отливаться заготовки с размерами поперечного сечения от 100×100 мм до 152×170 мм. Максимальная скорость вытягивания заготовок из кристаллизатора изменяется в широком диапазоне – 2,7…5,6 м/мин. Вместимость сталеразливочного и промежуточного ковшей составляет соответственно 180 и 28 т. На машине применяется гильзовый многоконусный кристаллизатор «Diamold». Кристаллизатор одной из МНЛЗ имеет устройство электромагнитного перемешивания металла фирмы «ABB Automation Systems». Это устройство представляет собой укороченную катушку, расположенную с внешней стороны нижней части кристаллизатора. На первом участке зоны вторичного охлаждения применяется водяное охлаждение, а на трех остальных – водовоздушное. Использование «мягкого» водовоздушного охлаждения является отличительной особенностью данных сортовых машин.

Сталь на сортовой МНЛЗ может разливаться двумя способами. Открытой струей разливается сталь с содержанием алюминия менее 0,006 % на заготовки всех сечений. Регулирование подачи металла из бесстопорного промежуточного ковша в кристаллизаторы производится путем быстрой замены нижних разливочных стаканов с диаметром калиброванного отверстия от 15 до 20 мм. В качестве смазки гильзы кристаллизатора используется растительное или синтетическое масло. Закрытой струей разливается сталь с особыми требованиями к химическому составу и качеству заготовки сечением не менее 124×124 мм. На поверхность жидкого металла в кристаллизатор равномерно подается шлакообразующая смесь. При разливке стали закрытой струей длительность серии лимитируется стойкостью стопоров промежуточного ковша. По рекомендациям фирмы «VAI» промежуточный ковш при разливке закрытой струей может эксплуатироваться в течение 10 ч, а при разливке открытой струей – в три раза дольше. Далее в течение паузы длительностью 30…40 мин производится переподготовка машины с осуществлением замены промежуточного ковша. В настоящее время разливка металла бóльшей части сортамента осуществляется на заготовки сечением 150×150 мм.

Во второй главе представлены результаты изучения качества сортовой непрерывнолитой заготовки сечением 150×150 мм из стали марки Ст.3сп, разлитой открытой (1845 темплетов) и закрытой (314 темплетов) струей. Сравнение результатов оценки качества макроструктуры (рисунок 1) подтвердило, что металл, разлитый закрытой струей имеет лучшее качество по сравнению с металлом, разлитым открытой струей. Наибольшее различие наблю-





Рисунок 1 – Результаты оценки дефектов «ликвационные полоски и трещины

угловые» (а), «краевая точечная загрязненность» (б), «газовый

пузырь поверхностный» (в) и «ромбичность» (г) сортовой

заготовки сечением 150×150 мм из стали марки Ст.3сп,

разлитой закрытой струей (сплошная линия и ) и

открытой струей (пунктирная линия и )

дается по степени развития дефектов макроструктуры «ликвационные полоски и трещины угловые», «краевая точечная загрязненность», «газовый пузырь поверхностный», а также «ромбичность» сечения отлитой заготовки. Поэтому для улучшения качества сортовых непрерывнолитых заготовок следует более широко использовать способ разливки стали на МНЛЗ закрытой струей.

Для изучения влияния параметров ЭМП на процесс формирования кристаллических зон заготовки и развитие химической неоднородности металла были проведены исследования при непрерывной разливке стали с содержанием углерода 0,65…0,90 %. Разливка стали осуществлялась открытой струей на заготовки сечением 150×150 мм. В ходе исследований варьировались частота тока в диапазоне 3,0…5,5 Гц при постоянной величине силы тока 400 А, а также сила питающего устройство тока в интервале 300…500 А при постоянной частоте тока 3,5 Гц. Из отлитых заготовок вырезались поперечные темплеты, на поверхности которых после соответствующей обработки оценивалась относительная площадь, занимаемая крупными равноосными (полиэдрическими) кристаллами.

После анализа полученных результатов сделан вывод, что электромагнитное перемешивание металла в нижней части кристаллизатора сортовой МНЛЗ позволяет увеличить размеры зоны полиэдрических кристаллов и уменьшить химическую неоднородность сортовой заготовки. Наиболее сильное влияние на размеры зоны полиэдрических кристаллов оказывает сила тока, питающего устройство для ЭМП, по сравнению с частотой тока (рисунок 2).

Установлена зависимость между относительным изменением содержания углерода и относительной площадью поперечного темплета, занимаемой полиэдрическими кристаллами (рисунок 3). Относительное изменение содержания углерода подсчитывалось, как отношение разности между максимальным содержанием элемента в металле на поверхности поперечного темплета и его содержанием в исследуемой точке к исходному содержанию элемента в ковшевой пробе, выраженное в процентах. Расширение зоны полиэдрических кристаллов способствует уменьшению ликвации примесей, растворённых в металле. Поэтому силу тока рекомендовалось увеличить до максимально возможной величины – 500 А при частоте

тока не более 5 Гц.

Широкое опробо­вание режима электро­магнитного перемешива­ния с такими параметра­ми показало, что происхо­дит существен­ное повышение плотности осевой части отлитой заготовки. Доля изученных темплетов углеродистого и низколегированного металла с центральной пористостью ве-

личиной более 2,5 баллов сокра-тилась в три ра-за.

Однако наряду с положительным влиянием ЭМП на качество заготовки было отмечено увеличение количества прорывов короч-ки затвердевшего металла заготовки на выходе ее из кристалли-

затора. Толщина оболочки аварийного «чулка» была на 1…3 мм меньше в случае использования электромагнитного перемешивания металла. Причиной этого является чрезмерно интенсивная циркуляция расплава, вызывающая размывание затвердевшей корочки металла.

Поэтому для дальнейших исследований был рекомендован режим перемешивания с использованием пониженных значений частоты и силы тока:

3,5 Гц и 350 A. Применение такого режима перемешивания позволило пол-

ностью исключить прорывы металла по трещинам и уменьшить общее количество прорывов корочки заготовки под кристаллизатором на 86 % (отн.).

При изучении качества макроструктуры стали марок 70 и 85 установлено (рисунок 4), что при использовании разрабо-

танного режима


электромагнитного перемешивания степень развития дефекта «центральная пористость» заготовки снижается примерно вдвое – в среднем с 1,3 до 0,7 балла.

Исследование качества сортового горячекатаного проката диаметром 15 мм, полученного из непрерывнолитых заготовок, показало, что степень развития дефекта «подусадочная ликвация» в перемешанном металле в два раза ниже – 0,23 балла по сравнению с 0,46 баллами в контрольном металле.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по повышению производительности сортовой МНЛЗ и увеличению выхода годного металла. Повышение производительности действующих машин непрерывного литья заготовок возможно двумя способами: увеличением скорости вытягивания заготовок из кристаллизаторов с рабочих величин до максимально допустимых или увеличением продолжительности работы машины без остановок вследствие повышения количества металла, разливаемого в одной серии. При использовании первого способа вытягиваемая из кристаллизатора заготовка имеет меньшую толщину корки затвердевшего металла, вследствие чего возрастает опасность аварийных прорывов металла с последующей внеплановой остановкой МНЛЗ или образования различных дефектов, в основном – поверхностных и внутренних трещин. На основании опыта, накопленного при освоении непрерывной разливки стали на слябовых криволинейных МНЛЗ кислородно-конвертерного цеха, предпочтение было отдано второму способу – повышению серийности разливаемого металла.

Для увеличения количества металла, разливаемого в одной серии, на начальном этапе были осуществлены мероприятия по улучшению качества футеровки промежуточного ковша. В результате этого продолжительность кампании промежуточного ковша была увеличена при разливке основным способом – открытой струей с 30 до 40 ч. Кроме того, был разработан алгоритм запуска ручьев МНЛЗ в автоматическом режиме при разливке стали закрытой струей, что позволило увеличить среднее количество плавок в серии на 30 % (отн.). Однако этого оказалось недостаточно для кардинального увеличения количества плавок в одной серии. Поэтому на следующем этапе была опробована замена промежуточного ковша без прерывания серийной разливки. Фирмой «VAI» такая операция не предусматривалась, так как ее продолжительность соизмерима с продолжительностью затвердевания сортовых заготовок небольшого сечения.

Разработка технологии замены промежуточного ковша без прерывания серии проходила в два этапа. На первом этапе был осуществлен хронометраж всех операций, необходимых для замены промежуточного ковша без прекращения серийной разливки стали. В результате этого продолжительность остановки ручья МНЛЗ составила около 5 мин. С учетом того, что продолжительность полного затвердевания наиболее часто отливаемой сортовой заготовки сечением 150×150 мм равняется примерно 7 мин, результаты проведенного хронометража были признаны удовлетворительными.

На втором этапе проведено практическое опробование замены промежуточного ковша при переходе в серии со стали марки 35ГС на сталь марки Ст.3сп. Продолжительность паузы, в течение которой металл в кристаллизаторы не поступал, составила на разных ручьях от 4 мин 45 с до 5 мин 25 с. Рабочая скорость вытягивания заготовок из кристаллизаторов равнялась 2,1 м/мин. При осмотре поверхности переходных заготовок были обнаружены

захоложенные участки с грубыми поясами и сильным изломом в местах разделения металла смежных плавок. Анализ качества макроструктуры металла показал, что в заготовке из металла первой плавки находится усадочная раковина протяженностью до трех метров от разделительного пояса (рисунок 5).

Причиной ее образования является отсутствие подпитки жидким металлом из-за образования моста при помещении адаптера в кристаллизатор. Общая протяженность переходного участка заготовки смешанного химического состава не превышала 0,5 м. При этом были

выявлены недостаточно

отработанные элементы технологии: использовавшаяся конструкция адаптера-холодильника не обеспечивала надежного сцепления металла смежных в серии плавок, интенсивность охлаждения заготовки в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения в процессе остановки машины для замены промежуточного ковша была чрезмерной.

При последующих исследованиях была предложена новая конструкция адаптера, обеспечивающая надежное сцепление металла двух смежных плавок в месте разделения. Конструкция адаптера из двух концентрично расположенных и связанных между собой труб с боковыми отверстиями защищена патентом РФ на полезную модель. Расход воды на кристаллизатор и зону вторичного охлаждения был существенно снижен для исключения переохлаждения заготовки.

Усовершенствованная технология серийной разливки стали с заменой промежуточного ковша внедрена в производство с июня 2006 года и используется по настоящее время. Среднее количество плавок в одной серии возросло в 1,5 раза, а максимальное их количество – в 2,6 раза (данные 2006 года). Следствием этого явилось увеличение производительности сортовой МНЛЗ в среднем на 3,0 % (отн.). Экономический эффект от внедрения разработанной технологии замены промежуточного ковша на сортовых МНЛЗ без прерывания серийной разливки составил 4,6 млн. руб. в год.

Значительное увеличение количества плавок в одной серии при наличии широкого сортамента производимого металла вызвало необходимость решения новой проблемы – разливки в одной серии металла разного химического состава с минимальными потерями. При такой разливке образуются переходные участки заготовок смешанного состава, которые переводятся в пониженную марку или в брак, что ведет к снижению выхода годного металла. Разработанный способ одновременной замены сталеразливочного и промежуточного ковшей на сортовой МНЛЗ может эффективно использоваться для разделения металла смежных в серии плавок. При этом способе потери металла с переходными участками минимальны. Однако в реальных условиях невозможно постоянно использовать только один способ разделения, так как не всегда получается совмещение смены марок стали в серии с заменой промежуточного ковша. Поэтому для минимизации потерь металла актуальной задачей оказалось исследование возможностей другого способа разделения металла в серии – оставления в промежуточном ковше определенной массы металла предыдущей плавки в серии.

В процессе проведенных исследований разделение металла разного состава в серии производилось следующим образом:

– в промежуточном ковше оставлялось не менее 12 т металла предыдущей в серии плавки, что соответствовало примерно глубине ванны жидкого металла не ниже 350 мм; при дальнейшем снижении уровня металла происходит образование веерообразной струи, подаваемой в кристаллизатор, вследствие низкого ферростатического давления расплава либо становится вообще не возможной разливка металла из ковша из-за применения стартовых труб;

– граница разделения металла смежных в серии плавок по ручьям обозначалась автоматически системой АСУ МНЛЗ, после того, как разливался остаток металла предыдущей плавки из промежуточного ковша с учетом массы погонного метра отливаемой заготовки;

– от каждого ручья выделялись переходные заготовки в зависимости от заказанной мерной длины.

После разделения плавок и охлаждения переходных заготовок из их головной и хвостовой части отбирались пробы, производился анализ металла с использованием эмиссионного спектрометра «ARL – 4460» в месте, соответствующем осевой части заготовки, и металл назначался в соответствии с его химическим составом.

В 2008 году проведено пять разделений металла разного химического состава оставлением разной массы металла в промежуточном ковше при отливке открытой струей сортовых заготовок сечением 150×150 мм:

Условное Марка Отношение содержания элемента Масса металла

обозначение стали^* в металле смежных плавок в ковше, т

разделения C Si Mn

А Ст.1сп 2,7 4,1 3,0 12

25Г2С

Б 09Г2С 1,7 3,8 2,6 12

Ст.3сп

В 09Г2С 2,2 3,4 2,5 15,5

Ст.3сп

Г 35ГС 1,9 3,9 1,9 16,5

Ст.3сп

Д Ст.3сп 1,6 4,2 2,6 17,5

25Г2С

^*) Марки приведены по порядку разливки металла в серии

Скорость вытягивания заготовок на опытных плавках изменялась в диапазоне от 2,0 до 2,5 м/мин. Длина мерных частей заготовок на всех разделениях была одинаковой и равнялась 12 м за исключением разделения Б – 11,1 м.

На рисунке 6 показано характерное изменение содержания элементов по длине переходных участков сортовых заготовок разделения А. Горизонтальными линиями показано содержание химических элементов, регламентируемое стандартом в металле смежных в серии плавок. Анализ представленных данных показывает, что при разливке стали открытой струей смещение переходных участков сортовых заготовок, отлитых на разных ручьях МНЛЗ, может быть существенным – до 10 м.

Зависимость массы переходных участков сортовой заготовки от массы жидкого металла в промежуточном ковше МНЛЗ представлена на рисунке 7. Использова­ние данного способа разделения металла разных марок в серии позволяет получать массу сортовых заготовок смешанного состава, которая, примерно, в 2,5 раза превышает массу оставленного в ковше металла. Рациональная масса оставляемого металла составляет 12 т.

При внедрении в производство способа разделения металла разного химического состава при серийной разливке с оставлением рациональной массы металла предыдущей плавки в промежуточном ковше на 65 % (отн.) снизилось количество отбракованного металла по причине несоответствия

химического состава сортовых заготовок требованиям стандарта. Годовой


экономический эффект составил около 7,9 млн. руб.

При проведении экспериментальных исследований длина переходных участков сортовых заготовок смешанного состава определялась приближенно, так как в производственных условиях темплеты могут вырезаться только от головных или концевых частей мерных длин заготовок. Результаты дан-ных исследований не позволили также оценить влияние на длину переходного участка очень важного параметра – химического состава металла

смежных в серии плавок. Проведение дополнительных экспериментов в цеховых условиях является достаточно трудоемкой и сложно решаемой задачей. Поэтому изучение процесса формирования переходного участка сортовой

заготовки целесообразно провести с использованием метода математического моделирования.

В четвертой главе приведены описание математической модели процесса формирования переходного участка сортовой заготовки, ее настройки и результатов моделирования.

Объектом моделирования являлся способ разделения металла в серии с оставлением в промежуточном ковше рационального количества жидкого металла предыдущей в серии плавки. Уровень жидкого металла в промежуточном ковше поддерживался постоянным до полного обновления металла. При этом процесс формирования переходного участка заготовки состоит из двух этапов: смешивание металла разного химического состава в промежу-




точном ковше, смешивание металла в кристаллизаторах сортовой МНЛЗ.

Для первого этапа общую продолжительность смешивания металла в промежуточном ковше можно разбить на некоторое количество равных интервалов времени величиной . Для каждого интервала времени составляется материальный баланс химического элемента E, содержание которого наиболее сильно раз-

личается в металле смежных плавок. Балансовое уравнение выглядит следующим образом:




(1)

где – масса металла в промежуточном ковше в начале и конце

интервала времени, кг;

– содержание химического элемента E в металле для

начала и конца интервала времени, в долитом металле

второй плавки, %.

N – количество ручьев МНЛЗ, шт.;

– толщина и ширина отливаемой заготовки, м;

– плотность металла отливаемой заготовки, т/м³;

– скорость вытягивания заготовки из кристаллизатора

i –го ручья МНЛЗ, м/мин;

– величина интервала времени, мин.

Поинтервальный расчет конечного содержания элемента E продолжается до тех пор, пока его содержание в металле промежуточного ковша не достигнет величины, соответствующей требованиям стандарта к содержанию этого элемента в металле второй марки стали. Полученные цифровые данные расчета аппроксимируются в виде уравнения регрессии зависимости

(2)

где – продолжительность от начала подачи металла второй плавки в

промежуточный ковш, мин.

На втором этапе происходит смешивание металла разного химического состава в кристаллизаторах МНЛЗ. При разработке второй части модели использовался метод конечных элементов. С учетом специфики условий разливки металла открытой струей на сортовой МНЛЗ переходный участок представлялся в виде десяти горизонтальных слоев высотой по 100 мм. Принято, что параметры жидкого металла в разных точках объема каждого элементарного слоя являются одинаковыми. Весь процесс смешивания металла в кристаллизаторе делится на последовательные интервалы времени величиной

, в течение каждого из которых отливается один слой. Все параметры процесса разливки в течение любого интервала времени приняты постоянными, их изменение производится при переходе к следующему интервалу времени.

В течение каждого интервала времени – цикла происходят следующие события: 1) вытягивание заготовки из кристаллизатора с наружным обжатием элементарных слоёв исходной высоты; 2) заливка в кристаллизатор основной порции нового металла; 3) затвердевание металла элементарного слоя с понижением уровня жидкого металла в кристаллизаторе из-за усадки; 4) доливка в кристаллизатор нового металла для компенсации усадки; 5) распределение всего залитого в кристаллизатор нового металла по элементарным слоям с увеличением их объема и высоты; 6) усреднение металла в каждом элементарном слое увеличенного объема; 7) перемещение нижнего элементарного слоя перемешанного металла окончательного состава в часть лунки неперемешиваемого металла с возвратом к элементарным слоям исходной высоты.

В пятом событии цикла распределение металла между слоями задается с использованием коэффициентов k_i, сумма которых равняется единице. При моделировании эти коэффициенты являются настроечными. Величины этих коэффициентов характеризуют не только распределение металла по высоте отливаемой заготовки, но и отражают также влияние комплекса всех процессов, включая ликвацию элементов. Цикл заканчивается расчетом среднего содержания химического элемента E в элементарном слое жидкого металла после усреднения залитого металла.

В электронных таблицах Excel-2000 составлена программа для моделирования процесса формирования переходного участка сортовой непрерывнолитой заготовки. Результатом моделирования является рассчитанное содержание изучаемого элемента в осевой части переходного участка отлитой заготовки.

Настройка разработанной модели производится с использованием экспериментальных данных изучения химического состава переходных участков отлитых заготовок. При настройке модели производится подбор значений настроечных коэффициентов k_i таким образом, чтобы обеспечивалось наименьшее расхождение расчетных и эмпирических данных о содержании изучаемого элемента в заготовке. Для подбора значений настроечных коэффициентов используется сервисная функция поиска решений в электронных таблицах Excel-2000. Степень расхождения между расчетными и опытными данными характеризует ошибка расчёта, вычисляемая по формуле

(3)


где – содержание элемента в центре заготовки по расчету

и опытным данным для i – го исследования, %;

n – количество проведенных исследований, шт. ;

– разность содержания элемента в маркировочных

пробах металла смежных в серии плавок, %.

Наименьшее значение ошибки расчёта получается при определенных значениях настроечных коэффициентов. На рисунке 8 показано распределение относительного количества заливаемого в кристаллизатор металла новой плавки по длине отливаемой сортовой заготовки.


Рисунок 8 – Распределение относительного количества заливаемого

в кристаллизатор металла новой плавки по длине

отливаемой сортовой заготовки сечением 150×150 мм

при разливке стали открытой струей

Открытая струя жидкого металла из промежуточного ковша проникает на глубину 0,5 м, составляющую примерно две третьих высоты столба металла в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ. Для получения информации о точности настройки модели проведено сравнение опытных и расчетных данных с использованием корреляционно-регрессионного анализа. Уравнение линейной регрессии зависимости опытных данных содержания марганца в металле от его расчетных значений имеет вид

[Mn]_опыт = 1,013 [Mn]_расч – 0,048. (4)

Коэффициент парной корреляции равен 0,957, а его критическое значение при 60 наблюдениях и уровне значимости 0,001 составляет 0,415, что свидетельствует о статистической значимости полученной зависимости с высокой вероятностью. Настройка разработанной математической модели формирования переходного участка сортовой заготовки смешанного состава произведена с достаточной точностью и данная модель может быть использована для детального изучения распределения элементов по длине переходного участка непрерывнолитой заготовки и изучения влияния различных факторов на эту длину.

С использованием модели исследовано влияние на протяженность переходного участка смешанного состава заготовки химического состава металла смежных в серии плавок и массы оставляемого в промежуточном ковше металла. Для изучения изменения содержания углерода по длине заготовки были выбраны следующие пары марок разливаемой в серии углеродистой стали: Ст.1сп и Ст.3сп, Ст.1сп и Ст.4сп, Ст.1сп и Ст.5сп, Ст.1сп и Ст.6сп. Расчеты для каждой пары марок стали выполнены в двух вариантах, отличающихся последовательностью разливки металла выбранных марок в серии. Размеры поперечного сечения отливаемой заготовки составляли 150×150 мм. Скорость вытягивания заготовок из кристаллизатора равнялась 2,3 м/мин. Масса металла в промежуточном ковше составляла 12 т. При моделировании принято допущение, что момент начала подачи в промежуточный ковш металла новой плавки совпадает с моментом начала формирования переходного участка заготовки, как это практикуется в реальных цеховых условиях.

Анализ результатов расчета показал, что прогнозируемая протяженность переходного участка сортовой заготовки только с учетом смешивания металла в промежуточном ковше в среднем равняется 16,2 м, а окончательная длина участка составляет 18,0 м. Следовательно, формирование переходного участка в основном – примерно на 90 % лимитируется смешиванием металла разного химического состава в промежуточном ковше и лишь на 10 % смешиванием металла в кристаллизаторах МНЛЗ.

На рисунке 9 приведена зависимость максимальной протяженности переходного участка сортовой заготовки от отношения содержания углерода в металле смежных в серии плавок.

Увеличение вышеназванного отношения в два раза приводит к существенному возрастанию длины переходного участка заготовки – примерно втрое. При величине отношения до трех максимальная протяженность переходного участка смешанного состава отлитой заготовки не превышает 20 м.




Рисунок 9 – Зависимость максимальной протяженности переходного

участка сортовой заготовки от отношения содержания

углерода в металле смежных в серии плавок при массе

металла в промежуточном ковше 12 т

Такой металл целесообразно разливать с оставлением в промежуточном ковше рациональной массы металла – 12 т. Металл, состав которого отличается сильнее – более чем в три раза, следует разливать с использованием другого способа разделения – при одновременной замене сталеразливочного и промежуточного ковшей.

На модели также изучено влияние на протяженность переходного участка сортовой заготовки массы оставляемого в промежуточном ковше металла предыдущей в серии плавки, составлявшей 12, 14 и 16 т. Установлено, что расчетная масса металла переходных участков смешанного химического состава сортовых заготовок в 1,5 раза превышает массу жидкого металла, оставляемого в промежуточном ковше при разделении смежных плавок в серии.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При разливке стали на сортовой МНЛЗ закрытой струей достигается более высокое качество металла непрерывнолитой заготовки по сравнению с разливкой открытой струей. Улучшение качества металла проявляется в меньшей степени развития ликвационных полосок и трещин угловых, краевой точечной загрязненности, газового поверхностного пузыря и ромбичности поперечного сечения заготовки.

2. Усовершенствован режим электромагнитного перемешивания жидкого металла в нижней части кристаллизатора сортовой МНЛЗ с рациональными параметрами частоты и силы тока, позволяющий повысить плотность осевой части отливаемой заготовки и улучшить качество горячекатаного проката.

3. Разработана технология разливки стали на сортовой МНЛЗ методом «плавка на плавку», отличающаяся тем, что замена промежуточного ковша производится без прерывания серии. Это позволило увеличить производительность сортовой МНЛЗ на 3,0 % (отн.) вследствие сокращения простоев машины.

4. Разделение в серии металла смежных плавок с содержанием одного или нескольких химических элементов, различающимся более чем в три раза, целесообразно осуществлять только при одновременной замене сталеразливочного и промежуточного ковшей. Протяженность переходного участка сортовой заготовки смешанного состава в этом случае имеет минимальную протяженностью – около 0,5 м, что позволяет снизить потери металла в результате его отсортировки или отбраковки и повысить выход годного металла.

5. При меньшем различии содержания химических элементов в металле смежных плавок, возможно, осуществление другого способа разделения в серии – оставлении в промежуточном ковше металла предыдущей плавки в количестве 12 т, гарантирующим исключение образования веерообразной струи вследствие низкого ферростатического давления расплава. Фактическая масса металла переходных участков сортовых заготовок в 2,5 раза превышает массу металла, оставленного в промежуточном ковше. При внедрении в производство этого способа разделения на 65 % (отн.) снизилось количество отбракованного металла по причине несоответствия химического состава сортовых заготовок требованиям стандарта.

6. Разработана математическая модель формирования переходного участка смешанного химического состава сортовой непрерывнолитой заготовки при разделении плавок в серии оставлением рациональной массы жидкого металла в промежуточном ковше.

7. Выявлено распределение по длине лунки заготовки металла, заливаемого открытой струей в кристаллизатор сортовой МНЛЗ. Глубина проникновения заливаемой струи не превышает 0,5 м от свободной поверхности металла в кристаллизаторе.

8. Формирование переходного участка сортовой заготовки в основном – на 90 % – лимитируется смешиванием металла разного химического состава в промежуточном ковше и лишь на 10 % смешиванием металла в кристаллизаторе МНЛЗ.

9. Увеличение отношения между содержанием элемента в металле смежных в серии плавок в два раза приводит к возрастанию длины переходного участка сортовой заготовки сечением 150×150 мм примерно втрое. Расчетная масса металла переходных участков смешанного состава сортовых заготовок в 1,5 раза превышает массу жидкого металла, оставляемого в промежуточном ковше при разделении смежных плавок в серии.

10. Способ разливки на сортовой МНЛЗ с заменой промежуточного ковша без прерывания серии и способ разделения металла разного состава в серии с оставлением рациональной массы металла в промежуточном ковше внедрены в производство в электросталеплавильном цехе ОАО «ММК» с общим экономическим эффектом 12,5 млн. руб.


Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Итоги двухлетней эксплуатации сортовых МНЛЗ в ОАО «ММК» / В.Ф. Дьяченко, Д.В. Юречко, А.Б. Великий и др. // Сталь. – 2007. – №2. – С. 45 – 47.

2. Влияние электромагнитного перемешивания на структуру и химическую неоднородность в сортовой непрерывнолитой заготовке / А.Б. Великий, А.С. Казаков, В.П. Филиппова и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2007. – № 4. – С. 37 – 40.

3. Способ оперативной корректировки мерной длины заготовки в процессе разливки на сортовых МНЛЗ ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, А.Б. Великий, Д.В. Юречко и др. // Бюллетень научно-технической и экономической информации. Чёрная металлургия. – 2007. – №1. – С. 22 – 24.

4. Марочкин О.А., Великий А.Б. Анализ проблемных зон сортовых МНЛЗ и мероприятия по их устранению // Тезисы докладов международной научно-технической конференции. – ОАО «ММК». – Магнитогорск, 2004. – С. 23.

5. Итоги двухлетней эксплуатации сортовых МНЛЗ в ОАО «ММК» / В.Ф. Дьяченко, Д.В. Юречко, А.Б. Великий и др. // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: Сб. тр. Центральной лаборатории ОАО «ММК». – Вып. 10. – Магнитогорск, 2006. – С. 73 – 77.

6. Способ оперативной корректировки мерной длины заготовки в процессе разливки на сортовых МНЛЗ №1 и 2 электросталеплавильного цеха ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, А.Б. Великий, Д.В. Юречко и др. // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: Сб. тр. Центральной лаборатории ОАО «ММК». – Вып. 10. – Магнитогорск, 2006. – С. 94 – 97.

7. Реконструкция мартеновского цеха в электросталеплавильный – следующий этап повышения эффективности сталеплавильного производства ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, И.М. Захаров, А.Б. Великий и др. // Материалы XIII Международной конференции. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ. – 2007. – Ч.2. – С. 148 – 152.

8. Великий А.Б., Юречко Д.В. Исследование переходных участков сортовой непрерывнолитой заготовки при разливке металла различного химического состава // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. – Вып. 7. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2007. – С. 56 – 62.

9. Изучение зоны смешанного металла при разливке стали разных марок в одной серии на сортовых МНЛЗ / А.Б. Великий, А.Г. Алексеев, Ю.М. Желнин и др. // Совершенствование технологии в ОАО «ММК»: Сб. тр. Центральной лаборатории ОАО «ММК». – Вып. 12. – Магнитогорск, 2007. – С. 136 – 139.

10. Реконструкция мартеновского цеха в электросталеплавильный – следующий этап повышения эффективности сталеплавильного производства ОАО «ММК» / А.В. Сарычев, И.М. Захаров, А.Б. Великий и др. // Металлургия стали. Проблемы и решения: Материалы III Конгресса металлургов Урала. – Челябинск: ООО «Изд. Рекпол». – 2008. – С. 42 – 48.

11. Разработка запуска в автоматическом режиме сортовых МНЛЗ при разливке стали закрытой струей / А.Б. Великий, О.А. Сатушев, Д.В. Юречко и др. // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – Вып. 7. – С. 148 – 152.

12. Великий А.Б., Юречко Д.В. Разработка технологии замены промежуточного ковша при серийной разливке стали на сортовых МНЛЗ // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – Вып. 7. – С. 162 – 167.

13. Великий А.Б., Юречко Д.В. Переходные участки смешанного состава сортовых непрерывнолитых заготовок при разливке стали методом «плавка на плавку» // Металлургия стали. Проблемы и решения: Материалы III Конгресса металлургов Урала. – Челябинск: ООО «Изд. Рекпол». – 2008. – С. 56 – 58.

14. Исследование причин искажения профиля сортовой непрерывнолитой заготовки / А.Б. Великий, В.П. Филиппова, П.С. Монастырский и др. // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2008. – Вып. 7. – С. 152 – 157.

15. Великий А.Б., Столяров А.М. Моделирование процесса формирования переходного участка сортовой непрерывнолитой заготовки смешанного состава // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2009. – Вып. 8. – С. 198 – 204.

16. Пат. 85380 Российская Федерация, МПК B 22 D 11/00. Устройство для непрерывной разливки стали методом «плавка на плавку» / Ушаков С.Н., Великий А.Б., Прохоров С.В., Юречко Д.В., Казаков А.С. (РФ). №2009109893/22; Заявл. 18.03.2009; Опубл. 10.08.2009. Бюл. №22. – С. 1056.