50 лет МНЛЗ

Новые системы и технологии вторичного охлаждения в слябовых машинах непрерывной разливки стали

Юрген Фрик Lechler GmbH, Метцинген Германия Рэй Бойль Lechler Ltd. Шеффилд Великобритания

ЧТО ТАКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ХАРД-ХАРД?

Охлаждение «Хард-Хард» - опрыскивание поверхности сляба большим объемом воды в верхних зонах охлаждения с целью снижения температуры поверхности сляба до 7000С и ниже, а также для ее поддержания в этом диапазоне. Данная технология предусматривает изменение конструкции форсунок, их конфигурации в верхних зонах слябовых МНЛЗ.

ПОЧЕМУ НЕОБХОДИМО ОХЛАЖДЕНИЕ «ХАРД-ХАРД»?

Чтобы сократить производственные затраты металлургических заводов, с одной стороны стремятся снизить до минимума количество машин непрерывного литья заготовок, с другой – увеличить скорость разливки в них, а, значит, их производительность.

Непрерывная разливка заготовок из низкоуглеродистых и проблемных сортов стали требует эффективного управления технологией вторичного охлаждения и большей гибкости в регулировании форсунок.

Выпучивание слябовых заготовок при высоких скоростях разливки обусловливает сокращение шага между роликами и увеличение интенсивности вторичного охлаждения. Последнее может вызвать недопустимые флуктуации температуры поверхности сляба.

В настоящее время осваиваются новые технологии, которые способны решить обозначенные проблемы, в их число входят схема охлаждения «Хард-Хард», различные способы управления шириной распыления, новые конструкции форсунок.

ОХЛАЖДЕНИЕ «ХАРД-ХАРД»

Увеличение скорости разливки заготовок из низкоуглеродистых сталей ведет к более длительному периоду их затвердевания и, соответственно, к большей протяженности секций машин. Межроликовое выпучивание ручья, проблемы, связанные со стабильностью кристаллизатора, и вытекающие из этого вопросы качества поверхности заготовки становятся реальными препятствиями на пути новых технологий.

Схема охлаждения «Хард-Хард» не способна решить проблему выпучивания, просто требует уменьшения межроликового шага. Ролики с небольшим шагом, в свою очередь, требуют небольшой высоты распыла, чтобы предотвратить неэкономный расход воды, обусловленный соприкосновением струи с роликами. Поэтому, чтобы обеспечить равномерное охлаждение сляба по всей ширине, применяют новую конфигурацию расположения форсунок. Число форсунок водовоздушной смеси в расчете на один межроликовый зазор может удвоиться по сравнению с обычной технологией вторичного охлаждения.

Обычно режимы охлаждения зависят от сорта стали. Низкоуглеродистые стали, практически не вызывающие каких-либо проблем, могут потребовать более интенсивного охлаждения, чем проблемные сорта, как это показано на рис.1. Как правило, интенсивность охлаждения снижается с повышением содержания углерода в стали. Основными причинами этого является падение температуры на поверхности слитка в месте попадания струи, а также последующий повторный разогрев поверхности.

Минимальный угол по глубине струи в обычных форсунках составляет 12-160. Ширина струи обычно составляет 80-1200. На рис.2 показана узкая полоса отпечатка распыленной струи высотой 200-250 мм по ширине слитка в верхних зонах охлаждения. Поверхность сляба на любой из сторон этой полосы остается почти неохлажденной и в зоне межроликового зазора могут происходить значительные температурные колебания.

Рис.1. Зависимость интенсивности охлаждения от марки стали

Зависимость температурных флуктуаций на поверхности сляба от сорта стали показана на рис. 3. Значительные перепады температуры поверхности, на которую попадает распыляемая жидкость, может привести к дефектам в слябе.

Рис.2. Отпечаток струи водовоздушной смеси, распыляемой из обычных плоскофакельных форсунок. (Narrow footprint – отпечаток по глубине струи)

Рис.3. График зависимости температурных флуктуаций на поверхности от сорта стали (Surface Temperature Drop under a Spray – Падение температуры поверхности под струей; Temperature drop (°C) – Падение температуры; Carbon content – Содержание углерода; Low – Низкое содержание углерода; High – Высокое содержание углерода; Casting direction – Направление разливки)

Дефекты в слябе, приписываемые к вторичному охлаждению, можно свести к минимуму или их избежать, ограничив флуктуации температуры поверхности сляба, как это показано на рис.3.

Схема охлаждения «Хард-Хард» является новой технологией, которая успешно решает вопросы температурных флуктуаций и межроликового выпучивания слябов. Технология охлаждения «Хард-Хард» заключается в том, что температура поверхности ручья быстро уменьшается до 7000С и ниже в первой зоне охлаждения после кристаллизатора, а затем поддерживается на всем протяжении до полного затвердевания.

Чтобы достичь таких температур, требуется высокоинтенсивное охлаждение, а, следовательно, большие объемы распыляемой воды. Если эти объемы воды подавать через типовые плоскофакельные форсунки, на поверхности сляба произойдут резкие циклические температурные флуктуации (Рис.4). Они будут иметь место в результате малой глубины факела струи в верхних зонах охлаждения (Рис.2).

Рис. 4. Интенсивное охлаждение при распылении водовоздушной смеси с помощью типовых плоскофакельных форсунок.

Эти циклические флуктуации достигают свыше 4500С в верхних зонах охлаждения МНЛЗ и приводят к термическим напряжениям в слитке, что может стать причиной появления внутренних и поверхностных дефектов.

Уменьшение флуктуации температуры поверхности до приемлемых уровней и одновременное продолжение теплоотвода с поверхности сляба требуют максимального увеличения глубины распыляемой струи в направлении разливки в пределах каждого межроликового зазора. Новая концепция компании Lechler в проектировании форсунок помогают получить принципиально новую конструкцию охлаждающей форсунки «Хард-Хард».

Рис.5 отображает теже параметры разливки и расходы воды, как и на рис.4, но с применением в зоне 1 форсунок для охлаждения «Хард-Хард».

Рис.5. Диаграмма интенсивного охлаждения с помощью форсунок «Хард-Хард»

Основное различие между обычными плоскофакельными форсунками и новыми форсунками «Хард-Хард» заключается в том, что в первой зоне флуктуации температуры поверхности сокращены. Кроме того, охлаждающие форсунки «Хард-Хард» потребляют меньше воды для достижения требуемого охлаждения благодаря увеличенному углу по малой оси, при котором образуется большая глубина распыления (рис.6) на поверхности сляба.

Рис. 6. Отпечаток струи водовоздушной смеси в охлаждающих форсунках «Хард-Хард» Large footprint – Отпечаток по глубине струи

ОХЛАЖДАЮЩАЯ ФОРСУНКА «ХАРД-ХАРД»

Наряду со снижением температуры поверхности, которое можно достигнуть с помощью форсунок «Хард-Хард», могут иметь место и потери вследствие закупоривания, что приводит к крупному локализованному повторному разогреву поверхности сляба. При повторных разогревах образуются высокие локализованные тепловые напряжения и возникают дефекты.

При разработке компанией Lechler водовоздушных охлаждающих форсунок «Хард-Хард», одним из основных конструктивных критериев служила разработка незабивающихся наконечников форсунки. Вот почему компания еще раз обратилась к концепции одинарной форсунки, т.е. форсунки с одним отверстием (Рис.7), отдав предпочтение высокой функциональной надежности устройства и меньшей потребности в его техобслуживании.

Эти форсунки устанавливаются по системе Lechler MasterCooler SMART на вертикальной пластине, то есть можно и дальше реализовать систему SMART, ставшей уже промышленным стандартом после ее первой установки на МНЛЗ более десяти лет тому назад.

Благодаря увеличению угла распыления по малой оси, форсунки устанавливают на очень малом расстоянии от поверхности сляба, чтобы предотвратить столкновение струи с опорными роликами. Как правило, высота струи достигает 70-100 мм, при которой сопло форсунки располагается ниже центра ролика. Поэтому сопло и трубка форсунки имеют такие размеры, что свободно проходят между роликами (Рис.8).

Сопло форсунки «Хард-Хард», разработанной компанией Lechler

Рис. 7. Сопло форсунки «Хард-Хард», разработанной компанией Lechler

Охлаждающая форсунка «Хард-Хард» и межроликовый зазор

Рис. 8. Охлаждающая форсунка «Хард-Хард» и межроликовый зазор

Как правило, охлаждающие форсунки «Хард-Хард» располагают лишь в зоне 1, другие зоны охлаждения снабжаются обыкновенными плоскофакельнымии форсунками, что, в принципе, достаточно для поддержания температуры поверхности на требуемом уровне. В этих зонах можно внедрить систему управления шириной струи, чтобы не допустить переохлаждения углов слябов из микролегированных сортов стали, в случае необходимости «мягкого охлаждения». Достигнутые на практике скорости разливки с технологией «Хард-Хард» составляют 7 м/мин на тонкослябовых машинах и 3,5 м/мин на толстом слябе.

Система управления шириной распыления позволяет регулировать ширину отпечатка струи в зависимости от ширины сляба. Как правило, эта система используется в МНЛЗ при производстве микролегированных сортов стали. Существует множество методов управления шириной распыления.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ШИРИНОЙ РАСПЫЛЕНИЯ ПРИ МНОГОФОРСУНОЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЯХ

Многофорсуночные конфигурации могут быть следующих видов:

1) Расположенные вперемежку форсунки в межроликовых зазорах с целью предотвращения переохлаждения в зонах взаимного наложения отпечатков распыления (рис.9); такой конфигурацией пользуются в МНЛЗ для широкого диапазона сталей, включая микролегированные сорта.

2) Сплошное расположение форсунок во всех межроликовых зазорах (рис.10); такую конфигурацию принимают в слябовых МНЛЗ, предназначенных для выпуска смешанной продукции, но сосредоточенной в большей степени на выпуске листовой продукции из микролегированной стали. Такой конфигурацией пользуются также в МНЛЗ при производстве тонких слябов.

РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДА ВОДЫ ПРИ РЕГУЛИРОВАНИИ ШИРИНЫ РАСПЫЛЕНИЯ В МНОГОФОРСУНОЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЯХ

В простейшей форме регулирование шириной распыления осуществляется с помощью одного-двух регуляторов расхода, которые определяют расход воды в контуре зоны, и двухпозиционных клапанов, включающих или отключающих форсунки с регулируемой шириной распыления. По мере изменения ширины сляба наиболее удаленные от центра форсунки автоматически включаются/отключаются (рис.11) и регуляторы расхода выполняют свои функции соответственно.

Этот простой и недорогой метод регулирования может привести к недоохлаждению кромок сляба, к локализованному выпучиванию ручья и к нестабильности уровня кристаллизатора.

Последствия могут быть более тяжелыми, если форсунки в режиме включения и выключения водовоздушной смеси окажутся меньшего размера, чем центральные форсунки, используемые для охвата минимальной ширины ручья. Так как все форсунки зоны охлаждения по ширине ручья, независимо от их размера, управляются одним регулятором потока, то чрезвычайно сложно достигнуть одинаковых характеристик регулирования по всем форсункам.

К сожалению, а это случается часто, это требование игнорируют, как в технических характеристиках новых машин, так и при закупке запасных форсунок из сомнительных источников.

Рис. 11. Элементарная система регулирования ширины распыления (Flowmeter - Расходомер; FCV - Регулятор расхода; ON/OFF Valve - Двухпозиционный клапан; Pump - Насос; Motor - Электродвигатель; Middle - Средняя ширина; Narrow - Малая ширина; Wide - Большая ширина)

Пример, графически представленный на рис.12, отражает конфигурацию форсунок на рис.11 с двумя крупными форсунками в центре и меньшими форсунками, установленными в контурах охлаждения слябов средней и большой ширины. В соответствии с результатами, полученными при моделировании процесса затвердевания, а также анализируя кривые охлаждения на втором уровне управления операторской панели МНЛЗ, удельный расход в центральной форсунке составляет 351 л/мин при давлении воды 3,2 бар. В меньших калибрах форсунок с регулируемой шириной распыления расход составляет 15 л/мин при том же давлении.

Рис. 12. Теоретические и практические параметры форсунок (Water flowrate (l/min) - Расход воды (л/мин); Copy nozzle large capacity - Копия форсунки с высокой производительностью; Large capacity nozzle - Форсунка с высокой производительностью; Small capacity nozzle - Форсунка с низкой производительностью; Water pressure (bar) - Давление воды (бар); Сopy nozzle small capacity - Копия орсунки с низкой производительностью)

Если фактические характеристики форсунок не соответствуют характеристикам, оговоренным в их спецификации, что и показано на рис.12, то может иметь место сильное переохлаждение в середине и недоохлаждение по краям ручья.

Этот эффект можно увидеть на рис.13, где графически показано изменение плотности орошения по ширине ручья в зависимости от конфигурации форсунок, изображенных на рис.12. Синяя колонка означает плотность, какой она должна быть, а красная – фактическую плотность воды, когда расход в центральных форсунках повышается на 25% и становится на 30% меньше, чем это оговорено в спецификации форсунок с регулируемой шириной распыления.

Этот эффект не выявляется в системе управления вторичным охлаждением, так как общий расход воды в зоне охлаждения совпадает со значением в спецификации, а вот ее распределение по поверхности ручья не является равномерным.

Рис. 13. Изменение распределения воды по ширине сляба (Liquid distribution of nozzle arrangement - Разброс расходов воды в зависимости от конфигурации форсунок; Spec. liquid density (l/min*m) - Удельная плотность (л/мин * м); Number of measurement tubes - Количество измерительных трубок; Liquid distribution of OEM nozzles - Форсунки оригинальные; Liquid distribution COPY nozzles - Копии форсунок)

Результаты охлаждения показаны на карте поверхностных температур (рис.14), где отчетливо виден W-образный профиль окончательного затвердения. Такой профиль может привести зонам ликвации в центре ручья, даже при использовании мягкого обжатия сляба.

Перемежающая конфигурация форсунок по межроликовым зазорам предназначена для обеспечения равномерного охлаждения вдоль длины ручья. При невнимательном отношении к этой конфигурации или ее игнорировании неравномерное охлаждение по ширине сляба в межроликовых промежуткахх приведет к неравномерности температуры поверхности сляба. Эта неравномерность может привести к деформациям при окончательном затвердевании и образованию W-образного профиля.

Чтобы улучшить процесс управления, следует заменить простые двухпозиционные клапаны регуляторами потока, один на каждую ширину ручья (то есть по одному на среднюю и большую ширину). Это дает возможность независимого управления потоками через форсунки с регулируемыми шириной распыления, так как форсунки можно будет включать и отключать независимо друг от друга (рис.15), с целью получения равномерного распределения температуры по поверхности.

Рис. 14. Карта температуры поверхности сляба (Under cooling - перегрев; W-shape - W-форма; Surface thermal maps of 1/2 wide side and narrow side - Карты температуры поверхности на полуширине и узкой стороне; Distance from meniscus (m) - Расстояние от мениска (м); Temperature Key - Температурный код; Client: Hard-Hard - Форсунка: Хард-Хард; Half Slab Width (mm) - Полуширина сляба (мм); Thickness (mm) - Толщина (мм))

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ШИРИНЫ РАСПЫЛЕНИЯ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТЕ СТРУИ

С целью преодоления проблем, связанных с неравномерным охлаждением, разработаны автоматические системы, которые обеспечивают соответствие ширины распыляемой струи к ширине сляба по всей длине ручья.

В этих системах используются две диагонально перемещающихся форсунки, обеспечивающие надлежащее распределение воды при наложении двух струй (рис.16). Преимущества заключаются в том, что форсунки могут охлаждать оптимальную ширину поверхности сляба, не переохлаждая при этом углы.

Рис. 15. Сложная система управление шириной распыления (Large nozzle capacity - Форсунки с высокой производительностью; Small nozzle capacity - Форсунки с низкой производительностью; Flowmeter - Расходомер; FCV - Регулятор потока; Pump - Насос; Motor - Электродвигатель; Middle - Средняя ширина; Narrow - Малая ширина; Wide - Большая ширина)

КОНЦЕПЦИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ВОДЫ ПРИ ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТЕ СТРУИ

Система управления контуром вторичного охлаждения с перемещающимися форсунками представляется более сложной, чем в обыкновенных системах двухпозиционного (ВКЛ/ВЫКЛ) регулирования ширины распыления, так как расход воды зависит от двух параметров – скорости разливки и расположения форсунок.

Рис. 16. Регулирование ширины распыления при перемещающихся форсунках (Slab Width Increasing - Увеличение ширины сляба; Nozzles Move to New Position - Перемещение форсунок в новое положение)

Отпечаток распыляемой струи на поверхности сляба непосредственно связан с положением форсунки. Верный расчет требуемого расхода воды позволит обеспечить необходимый теплоотвод, а для этого необходимо знать точное расположение форсунки в любой момент времени. Системы перемещения форсунок, которые могут быть как электромеханическими, так и гидравлическими, управляются шириной сляба, датчиками положения, определяющими координаты форсунки. Неисправность в этих элементах немедленно приведет к сбою в системе охлаждения.

С этой целью компания Lechler разработала новый тип форсунки, вновь применив концепцию MasterCooler SMART с целью надежного и жесткого монтажа (рис.17). Жесткое крепление трубки форсунки водовоздушной смеси к ребру жесткости предотвращает отклонение трубки при перемещении привода. Система регулирования шириной факела струи при переменной высоте последней представляет собой еще один дополнительный механизм в уже ставшей сложной технологии охлаждения современной разливки слябов. Она еще больше усложняет требования, предъявляемые к конструкции машины и его управлению. Такая система также требует очень высокой степени знаний, навыков и дисциплины при техническом обслуживании с целью обеспечения последовательной функциональности в жестких условиях непрерывной разливки.

Рис. 17. Формы перемещения форсунки (+298 Нм bending moment resulting from force + 800 Н - Момент изгиба +298 Нм в результате усилия + 800 Н; Stiffening plate required due to bending moment from + 298 Нм - Ребро жесткости для момента изгиба + 298 Нм)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье еще раз отражается важность правильно построенной системы вторичного охлаждения в рамках усложняющихся современных машин разливки слябов. Конфигурация машины и концепция системы охлаждения определяются сортом стали выпускаемой продукции и предполагаемой производительностью машины. В статье приведены различные технические решения и концепции. Нельзя ответить утвердительно или отрицательно на то, что является лучшим решением – применение многофорсунчатых конфигураций с регулированием ширины распыла или использование двух форсунок с регулированием высоты распыляемой струи, во всяком случае, с потребностями надо обращаться к различным машиностроительным и сталеплавильным компаниям, реализующими обе концепции. Обладая огромными знаниями и опытом разработки и изготовления свыше 110 ручьев современных слябовых МНЛЗ, оснащенных форсунками Lechler MasterCooler, компания Lechler предлагает оптимальные конструкции форсунок для всех видов охлаждения.

Предыдущий пример, в котором описываются различия в характеристиках форсунок и их влияния, подчеркнуто, что зачастую мельчайшие детали при выборе форсунок упускаются из внимания, а они могут привести к катастрофическим последствиям в плане качества продукции и производительности машин. Обеспечение и поддержание требуемого качества охлаждающей воды и сжатого воздуха в сочетании с высококлассной методикой технического обслуживания являются очень существенными факторами в оптимизации эксплуатационных характеристик МНЛЗ.

© Юрген Фрик, Рэй Бойль 2010



СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ