Современные огнеупоры и эффективность их применения при производстве и разливке стали
  Доклад №18

Исследование влияния теплоотвода в кристаллизаторе МПНЛЗ на процесс формирования усадочной раковины

Головатый В.А., Куберский С.В., Ухин В.Е., Кулиш Ю.Ю.
ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»

Представлены результаты физического моделирования процесса формирования усадочной раковины в полунепрерывнолитой заготовке. В результате оценки полученных данных сделан вывод о перспективности дальнейших исследований управления теплоотводом в кристаллизаторе МПНЛЗ с целью уменьшения объема усадочной раковины и, как следствие, повышения выхода годного.

Ключевые слова: микро-завод, МПНЛЗ вертикального типа, полунепрерывнолитая заготовка, усадочная раковина, теплоотвод

Одно из перспективных направлений развития современной метал-лургии – это сооружение малых металлургических комплексов (микро-заводов) для обеспечения производства малотоннажных разовых партий металлопродукции. Эта необходимость обусловлена различными возможностями доступа к сырью, финансовым ресурсам отдельных компаний, наличием локальных потребителей проката, ситуации на рынке труда, спецификаций местных условий и т.д.[1-4].

Микро-металлургические производства можно рекомендовать к применению непосредственно [2]:

  • на машиностроительных предприятиях, имеющих металлургическое производство, для выпуска продукции небольших профилеразмеров для собственных нужд;
  • на небольших металлургических предприятиях при необходимости организации производства малых партий мелкосортного проката в короткие сроки;
  • при перепрофилировании или реконструкции машиностроительных предприятий;
  • при ликвидации или реконструкции крупных металлоемких сооружений, для переработки металлолома на месте производства работ.

В зависимости от производительности микро-заводы могут быть представлены несколькими типами, основанными на различиях в технологиях выплавки, разливки и прокатки, а также технических характеристиках и параметрах оборудования. В общем случае состав технологического оборудования микро-заводов будет подобен «традиционному» мини-заводу (рис. 1). В тоже время в каждом конкретном случае технологическая схема производства будет соответствовать сортаменту конечной продукции и программе выпуска (рис. 2).

Состав технологического оборудования традиционного мини-завода

Рисунок 1 – Состав технологического оборудования «традиционного» мини-завода

Технологическая схема производства микро-завода

Рисунок 2 – Технологическая схема производства микро-завода

Такая схема является достаточно эффективной как при строительстве новых микро-заводов, так и при реконструкции металлургических, машиностроительных и литейных предприятий [5]. Вместе с тем отсутствие задач выполнения разливки сериями (разливки будут в основном одиночных и спаренных плавок), и производство продукции из высококачественных сталей и сплавов, приводит к тому, что наиболее перспективным способом разливки будет разливка на машине полунепрерывной разливке стали (МПНЛЗ). Одной из основных тенденций развития технологии полунепрерывного литья является применение вертикальных МПНЛЗ для получения высококачественной заготовки (рис. 3).

МПНЛЗ вертикального типа

Рисунок 3 – МПНЛЗ вертикального типа: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – промковш; 3 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 – защитная труба; 5 – стопорный механизм; 6 – погружной стакан

Однако, несмотря на то, что способ разливки на МПНЛЗ, позицио-нируется, как способ с наилучшими технико-экономическими показателями при гарантированном обеспечении качества заготовки существует ряд проблем, важнейшей из которых является проблема выхода годного. Это обусловлено тем, что в головной части заготовки образуется усадочная раковина, величина и глубина распространения которой зависит от технологии завершающей стадии непрерывной разливки. Процесс полунепрерывного литья включает в себя как элементы технологии непрерывного литья стали, так и элементы литья в изложницы. Эти особенности дополняются и изменяются в зависимости от типа разливочных машин.

Если при непрерывном литье затвердевание заготовки по сечению заканчивается еще в процессе разливки, то при полунепрерывном литье полное затвердевание заготовки заканчивается спустя некоторое время после разливки. В последнем случае формирование наружных слоев заготовки происходит аналогично процессу непрерывного литья, а сердцевина затвердевает как в слитке, отлитом в изложницу. Такой характер затвердевания по сравнению с процессом формирования слитков в изложнице повышает физическую и химическую однородность металла, но по сравнению с непрерывным литьем вызывает развитие ликвационных явлений и усадочной раковины [6].

Использование традиционных методов уменьшения глубины усадочной раковины, которые предполагают обогрев и теплоизоляцию головной части слитка, при полунепрерывном литье сопряжено со значительными технологическими трудностями [7]. Существующие же методы борьбы с усадочными раковинами в стальных слитках и заготовках, равно как и с усадочными раковинами в крупных стальных слитках, описанных в трудах Д.А. Дюдкина и И.К. Марченко [8, 9] эффективны, но не достаточны в условиях современного производства и требованиях предъявляемых к качеству заготовки.

Известно, что глубина усадочной раковины в слитках и заготовках полунепрерывного литья составляет значительную часть их длины, в результате чего до 10% металла идет в отходы, что обуславливает необходимость совершенствования процесса при производстве заготовок и исследования процессов формирования усадочной раковины при полунепрерывном литье.

Целью проведенного физического моделирования являлась качественная и количественная оценка процессов формирования усадочной раковины непрерывнолитой заготовки, а также изучение теоретической возможности управления ими. При выполнении исследований на физической модели ставились следующие задачи:

  • обоснование выбора моделирующего вещества;
  • создание физической модели МПНЛЗ полунепрерывного типа.

Для исследования теплофизических процессов и явлений формирования твердой фазы при затвердевании на практике обычно применяют два типа моделей: «горячие» и «холодные». Для холодных моделей стремятся использовать прозрачные рабочие вещества органического и неорганического происхождения. В научной литературе достаточно подробно описаны опыты на нафталине, парафине, воске, салоле, тимоле, бетоле, бензофеноле, циклогексаноле, гипосульфите, камфене и др. веществах. Принято считать, что такие вещества обеспечивают достаточно полное воспроизведение процесса продвижения фронта затвердевания, теплопереноса, формирование дефектов макроструктуры и одновременно дают представление о гидродинамической картине в процессе затвердевания. Однако большинство этих веществ требуют специальных защитных мероприятий из-за токсичности их паров и неприятных запахов [2, 10,11]. Как показал анализ, оптимальным для данного физического моделирования является парафин, как не токсичное, легкоплавкое вещество, обладающее значительной объемной усадкой, и высокой теплоемкостью. Основные свойства парафина приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Некоторые свойства парафина

Некоторые свойства парафина

Физическое моделирование производились на созданной лабораторной установке МПНЛЗ вертикального типа, выполненной в масштабе 1:10 (рис. 4).

Одним из важных элементов любой МПНЛЗ является кристаллизатор, так как он определяет рациональную работу машины и оптимальное качество заготовки. Для исследований процессов теплопереноса на лабораторной установке был изготовлен кристаллизатор (рис.5) представляющий собой алюминиевую рубашку внутри которой вмонтирована гильза, изготовленная из медной полой трубы круглого сечения. Между кожухом и гильзой кристаллизатора предусмотрен зазор, через который с определенным расходом пропускается вода для охлаждения гильзы и отвода тепла от затвердевающего модельного вещества.

Общий вид лабораторной установки вертикальной МПНЛЗ

Рисунок 4 – Общий вид лабораторной установки вертикальной МПНЛЗ: 1 – стопор и стопорный механизм; 2 – печь; 3 – защитная труба; 4 – медный водоохлаждаемый кристаллизатор; 5 – затравка; 6 – тянущая клеть; 7 – привод тянущей клети

Кристаллизатор лабораторной МПНЛЗ

Рисунок 5 – Кристаллизатор лабораторной МПНЛЗ: 1 – алюминиевая рубашка; 2 – гильза кристаллизатора; 3 – зазор для охлаждения гильзы кристаллизатора водой; 4 – затравка

Изучение влияния интенсивности охлаждения заготовки в кристал-лизаторе МПНЛЗ на процесс формирования усадочной раковины проводилось в два этапа. На первом этапе исследований моделировался процесс полунепрерывной разливки стали. Для этого парафин из печи 2 (рис. 4) через защитную трубу 3 подается в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 4. Дозирование парафина осуществляется с помощью стопора и стопорного механизма 1. Заготовка вытягивается из кристаллизатора с помощью затравки 5 при помощи тянущей клети 6 и ее привода 7. Длина отливаемой заготовки определялась величиной хода затравки. Полученная в процессе моделирования заготовка охлаждалась на воздухе в вертикальном положении до полного затвердевания. Технологические параметры моделирования представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Технологические параметры исследования

Технологические параметры исследования

По окончанию процесса затвердевания образовавшаяся усадочная раковина заполняется подкрашенным моделирующим веществом, для обозначения границ и формы усадочной раковины. Этот метод позволяет идентифицировать не только границы усадочной раковины, но и такие внутренние дефекты непрерывнолитой заготовки как осевая пористость, полости, мосты и т.д. На втором этапе исследований производилась качественная и количественная оценка усадочных раковин в полученных методом полунепрерыной разливки на физической модели образцах. Для этого каждый из 22 отлитых слитков был разрезан вдоль продольной оси (рис. 6).

Разрезанные заготовки фотографировали и по полученным фотографиям производилась качественная и количественная оценка параметров усадочных раковин в зависимости от условий проведения эксперимента (рис. 7).

В результате анализа данных физического моделирования установлено, что интенсивность охлаждения существенно влияет на процесс формирования усадочной раковины полунепрерывнолитой заготовки и имеет криволинейную зависимость, представленную на рисунке 8. Как видно из рисунка наименьшую глубину усадочная раковина имеет при расходе воды для охлаждения кристаллизатора в 2,25 л/мин и увеличивается по линейной зависимости до значения расхода охлаждающей жидкости в 4,5 л/мин. Дальнейшее изменение глубины усадочной раковины при расходах воды от 4,5 до 14 л/мин носит сложный криволинейный характер, что, видимо, связано с формированием газового зазора между корочкой моделирующего вещества и стенкой гильзы кристаллизатора лабораторной установки.

Общий вид образца извлеченного из установки

Рисунок 6 – Общий вид образца извлеченного из установки: 1 – образец извлеченный из установки; 2 – разрезанный образец; 2а – усадочная раковина; 2b – мост; 2с – осевая пористость.

1

Рисунок 7 – Фотографии образцов при различных параметрах разливки: 1 – кристаллизация без охлаждения 30 мин.; 2 – кристаллизация без охлаждения с до-ливкой; 3 – кристаллизация с максимальным охлаждением 16 мин.; 4 – кристаллизация с максимальным охлаждением и доливкой; 5 – кристаллизация с максимальным охла-ждением, доливкой, полной кристаллизацией без охлаждения; 6 – кристаллизация без охлаждения 20 мин., полной кристаллизацией с охлаждением; 7 – кристаллизация без охлаждения 25 мин., доливкой, полной кристаллизацией с охлаждением 7 мин.

Зависимость глубины усадочной раковины от интенсивности охлаждения расплава в кристаллизаторе

Рисунок 8 – Зависимость глубины усадочной раковины от интенсивности охлаждения расплава в кристаллизаторе

Формирование такого газового зазора снижает тепловой поток от заготовки к гильзе, о чем свидетельствует уменьшение глубины усадочной раковины в диапазоне расходов охлаждающей воды с 4,5 до 9 л/мин.

Проведенные исследования влияния интенсивности теплооотвода в кристаллизаторе МПНЛЗ на формирование усадочной раковины в заготовке позволили сделать следующие выводы:

  • управляя теплоотводом в кристаллизаторе МПНЛЗ при разливке металлов и сплавов можно влиять на глубину и форму усадочной раковины полунепрерывнолитой заготовки в целях уменьшении обрези и повышения выхода годного;
  • контролируя процесс формирования усадочной раковины для последующей доливки разливаемого металла или сплава можно минимизировать обрезь головной части заготовки и повысить выход годного.

Дальнейшие исследования в области оценки влияния параметров полунепрерывной разливки стали на формирование усадочной раковины и внутренних дефектов заготовки требуют создания математической модели и проведения детального изучения процессов затвердевания на физических моделях с использованием в качестве моделирующего вещества легкоплавких металлов неэвтектиков.

Библиографический список

  • 1. Смирнов А.Н. Металлургические мини-заводы. Монография / А.Н. Смирнов, В.М. Сафонов, Л.В. Дорохова, А.Ю. Цупрун. – Донецк: Норд-Пресс, 2005. – 469 с.
  • 2. Смирнов А.Н. Непрерывная разливка сортовой заготовки. Монография / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, А.Л. Подкорытов, В.Е. Ухин, А.В. Кравченко, А.Ю. Оробцев. – Донецк: Цифровая типография, 2012. – 417 с.
  • 3. Запускалов Н. «Микрозавод» - новая концепция в металлургии // Черные металлы. – 2004. - №11. – С. 10-24.
  • 4. Смирнов А.Н. Конкурентноспособность микро металлургических заводов: технологические аспекты / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, И.В. Шутов, Д.В. Спиридонов // Сбор. науч. трудов. Вып. №34. –Алчевск: ДонГТУ. -2011. – С.112-121.
  • 5. Смирнов А.Н. Некоторые особенности развития концепции металлургических микро-заводов в Украине / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2012. – -№7. – С. 137-140.
  • 6. Марченко И.К. Полунепрерывное литье стали. – Москва: Металлургия,1986. – 246 с.
  • 7. Смирнов А.Н. Производство слитков стали и промышленных сплавов: учебное пособие / А.Н. Смирнов, С.Л. Макуров, В.М. Сафонов. – Донецк: И-во «Ноулидж», 2013. – 436 с.
  • 8. Дюдкин Д.А., Крупман Л.И., Максименко Д.М. Усадочные раковины в стальных слитках и заготовках. – Москва: Металлургия, 1983. – 136 с.
  • 9. Марченко И.К., Бровман М.Я. Производство крупных стальных слитков. – Москва, Металлургия,1980. – 240 с.
  • 10. Смирнов А.Н. Исследование особенностей формирования кри-сталлической структуры непрерывнолитой заготовки трапециевидного профиля / А.Н. Смирнов, В.Е Ухин, И.В. Шутов, В.А Головатый // Наукові праці ДонНТУ. Вып. №13. –Донецк: ДонНТУ. – 2011. – С. 113-121.
  • 11. Смирнов А.Н. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях/ А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, С.В. Момот, В.Н. Амитан. – Донецк:И-во «ВИК», 2002. – 169 с.
  Доклад №18
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ