Оптимизация потоков стали в промковше при разливке сверхдлинными сериями на многоручьевых сортовых МНЛЗ
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Оптимизация потоков стали в промковше при разливке сверхдлинными сериями на многоручьевых сортовых МНЛЗ

Смирнов А.Н., Кравченко А.В., ДонНТУ
Подкорытов А.Л., ОАО "ЕМЗ"
Климов В.Г., Соловых С.Г. ООО «Кальдерис Украина»

Одним из направлений развития техники и технологии разливки стали на сортовую заготовку является увеличение производительности МНЛЗ и минимизация затрат, непосредственно связанных с организацией процесса литья. В этом аспекте крайне важным технологическим элементом является обеспечение высокого показателя серийности разливки (несколько десятков ковшей) непосредственно из одного промковша (ПК) [1]. Например, в ОАО «Челябинский металлургический комбинат» достигнута средняя серийность разливки 39 плавок (максимальная 54 плавки) [2], а на металлургическом заводе «Badische Stahlwerke GmbH» (Германия) средняя серийность составляет 45-50 плавок из одного ПК на 5-ти ручьевой сортовой МНЛЗ [3]. Это обеспечивает стабильность работы МНЛЗ, а также снижает удельные затраты на огнеупоры, обеспечивающие процесс литья, и удельные отходы металла, связанные с остановкой машины. Между тем, практика разливки стали сверхдлинными сериями показывает, что для организации такого процесса требуются некоторые усовершенствования конструкции ПК, относящиеся к их внутренней конфигурации, а также конструкции футеровки, которая учитывала бы словия контакта футеровки со шлаком и металлом в течение нескольких десятков часов. При этом вследствие периодической замены сталеразливочных ковшей (СК) происходит падение уровня стали в ПК, что приводит к достаточно длительному контакту металла с кислородом воздуха и шлаком нижних уровней футеровки стен ПК. Длительность разливки стали из одного ПК сортовой МНЛЗ лимитируется двумя основными факторами: износом стаканов-дозаторов и опережающим износом футеровки ПК в зоне падения струи, вытекающей из СК. Проблема износа внутренней полости стаканов-дозаторов полностью решается путем оптимизации технологии подготовки стали к разливке и применением устройств для быстрой замены стаканов-дозаторов, которые в настоящее время достаточно хорошо разработаны как зарубежными фирмами так и отечественными исследователями [4]. Применение устройства для быстрой замены стакана-дозатора обеспечивает повышение стабильности процесса литья за счет хорошей организации струи и постоянства расхода стали, а также минимизацию вторичного окисления металла на участке промковш-кристаллизатор.

Опережающий износ рабочего слоя футеровки ПК идет в области шлакового пояса, прилегающей к зоне падения струи, что объясняется турбулизацией потоков в этой части ПК и интенсивным перемешиванием потоков стали с покровным шлаком вследствие бурления. При разливке сверхдлинными сериями активный контакт торкрет-слоя ПК с покровным шлаком составляет несколько десятков часов, что практически исключает возможность эффективного применения высокостойких огнеупоров без дополнительных мероприятий по их защите, что требует рациональной организации движения потоков стали, исключающей интенсивное разрушение рабочего слоя футеровки ПК. Анализируя работу ПК многоручьевой сортовой МНЛЗ при разливке длинными и сверхдлинными сериями следует выделить следующее:

- постоянный контакт определенной части днища ПК со струей металла, падающей из СК, что приводит к размыванию огнеупорного слоя в месте падения струи;

- периодическое изменение уровня металла в ПК (во время замены СК), что изменяет динамику движения потоков стали;

- бурление металла и его активное перемешивание с покровным шлаком в зоне падения струи стали, что обусловливает износ рабочего слоя футеровки;

- попадание в ПК шлака из СК, что существенно изменяет свойства и толщину покровного шлака в ПК по ходу разливки;

- разность температуры стали в центральных и крайних ручьях, была минимальной, что обеспечивает стабильность процесса литья.

Учет перечисленных особенностей работы ПК для разливки сверхдлинными сериями невозможен без применения специальных устройств (металлоприемников, порогов и т.п.), влияющих на гидродинамику в ванне ПК в течение всего цикла разливки.

При разработке конфигурации внутренней полости металлоприемника были приняты следующие принципы:

- она должна обеспечивать эффективное торможение падающей струи и ограничивать турбулентность потоков, вызванных падением струи металла из СК;

- ограничивать перемешивание металла с покровным шлаком определенной зоной и предотвращать интенсивное перемешивание металла и шлака у стен ПК в зоне падения струи;

- положение и конфигурация окон металлоприемника должны обеспечивать движение потоков в направлении дозаторов крайних ручьев и предотвращать попадание порций металла из СК непосредственно в стаканы-дозаторы средних ручьев;

- не усложнять подготовку ПК к разливке.

Это достигнуто при использовании металлоприемника так называемой «ведрообразной» формы с боковыми окнами (рис. 1)[5], эффективность которой зависит от его размеров и параметров разливки. Оптимизацию геометрической формы металлоприемника целесообразно выполнить с привлечением методов физического и математического моделирования. Динамическое подобие соблюдается при сохранении числа Фруда [6]. Как показывают исследования, величина числа Рейнольдса независимо от конфигурации и размеров ПК будет практически одинаковой.

Установка металлоприемника «ведрообразного» типа в ПК 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ

Рис. 1. Установка металлоприемника «ведрообразного» типа в ПК 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ: 1 – кожух промковша; 2 - стакан-дозатор; 3 – металлоприемник; 4 - торкрет-слой; 5 - рабочий слой

Основными задачами физического моделирования являются:

- определение возможности управления процессом перетекания металла из СК в промежуточный;

- изучение характера воздействия струи металла из СК на характер перемешивания в ПК;

- оценка характера перемешивания металла и покровного шлака в промежуточном ковше, сопровождающих процесс разливки.

Состояние поверхности жидкости в металлоприемнике «ведрообразного» типа

Рис. 2. Состояние поверхности жидкости в металлоприемнике «ведрообразного» типа (вид сверху на физической модели)

Для решения поставленных задач выбраны рациональные геометрические параметры физической модели и осуществлен контроль скорости и расхода жидкости, попадающей в ПК [7]. В качестве рабочей жидкости, моделирующей жидкую сталь, использовалась вода при температуре 18-25°С. Имитация покровного шлака осуществлялась силиконовым или трансформаторным маслом, имеющим высокое поверхностное натяжение и существенно изменяющим вязкость при изменении температуры. Модель ПК, включая основные функциональные узлы, изготавливались из оргстекла в масштабе 1:3. Движение потоков фиксировалось с помощью цифровой видеокамеры при подкрашивании жидкости цветными чернилами. Измерение времени пребывания жидкости в ПК (резидентного времени) выполнялось электрохимическим методом с вводом в жидкость небольшого количества концентрированного раствора поваренной соли и измерением электропроводности в нескольких точках объема ванны. Визуально установлено, что при определенных размерах и конфигурации металлоприемника могут быть созданы такие условия, которые будут ограничивать турбулентное перемешивание металла с покровным шлаком в металлоприемнике (рис. 2). При этом большое значение имеет направление и интенсивность истечения металла из окон металлоприемника в объем ванны. Установлено, что при определенном положении струи и окон может наблюдаться вихревая турбулизация в областях, прилегающих к окнам металлоприемника с внешней стороны, приводящее к ускоренному разрушению огнеупоров ПК и металлоприемника.

На распространение потоков в ванне ПК существенное влияние оказывают положение окон металлоприемника относительно поперечного сечения промковша, а также конфигурация их сечения. Как видно на рис. 3, рациональная конфигурация металлоприемника обеспечивает движение потоков жидкости параллельно длинным стенкам ПК, а затем вдоль ванны – в ее периферийную зону, где располагаются стаканы-дозаторы крайних ручьев. В дальнейшем потоки постепенно изменяют направление движения на преимущественно нисходящее к днищу к крайним и к средним стаканам-дозаторам. Фактически представленная схема движения потоков характеризуется отсутствием зон критической турбулентности (в том числе и у поверхности раздела шлак-металл), а также застойных зон, которые слабо вовлекаются в перемешивание.

Динамика  распространения  жидкости  из  металлоприемника вдоль ПК

Рис. 3. Динамика распространения жидкости из металлоприемника вдоль ПК

Выполненные с помощью математического моделирования (пакет прикладных программ ANSYS) исследования особенностей движения потоков стали в ПК 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ в целом хорошо соответствует результатам, полученным в ходе физического моделирования. Это, прежде всего, относится к направлению движения основных конвективных потоков и их поведения в областях, прилегающих к стенкам ПК. Установлено, что весьма значимым является положение окон металлоприемника относительно оси падающей струи. Так, при смещении положения окон (или позиции металлоприемника) всего на 70-80 мм в поперечном сечении ПК могут наблюдаться зоны повышенной турбулентности в областях, прилегающих к стенкам ПК и металлоприемника, что должно привести к ускоренному износу футеровки промковша. Основными критериями, используемыми для оптимизации геометрических параметров окон, были отсутствие зон повышенной турбулентности в областях, прилегающих к футеровке ПК, минимизация количества и протяженности застойных зон, а также примерно одинаковое время смещения жидкости от металлоприемника до любого из стаканов-дозаторов ПК. Наиболее сложным, как показали исследования, является соблюдение последнего условия. В настоящей работе принята схема, при которой время движения жидкости от приемника до 1-го, 2-го, 5-го и 6-го ручьев примерно на 15-20 % меньше, чем для 3-го и 4-го ручьев, находящихся непосредственно у стенки металлоприемника. Подобная картина движения потоков сохраняется при увеличении размеров проема окон вследствие эрозии стенок металлоприемника в процессе разливки не более чем на 10-15%.

Технология изготовления металлоприемника, доработка конфигурации его внутренней и внешней поверхностей с учетом особенностей производства, а также выбор огнеупорного материала осуществлены на производственной базе компании ООО «Калдерис-Украина». Исследования эксплуатационных возможностей металлоприемника осуществлялись в условиях высокопроизводительных 6-ти ручьевых сортовых МНЛЗ конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод». Конструктивное оформление футеровки ПК разработаны компанией ООО «Калдерис-Украина» таким образом, чтобы привести в соответствие работу всех огнеупорных элементов, включая металлоприемник, и обеспечить работу ПК в режиме разливки сверхдлинных серий. Рациональным оказалось сочетание торкрет-массы Kermag 85EN (содержание MgO более 90 %) для торкретирования стенок и днища ПК и бетона на основе магнезита для стенок металлоприемника. В ходе промышленных испытаний особое внимание уделялось износу стенок металлоприемника и влиянию изменения его конфигурации на стойкость рабочего слоя футеровки ПК. Это позволило уточнить необходимую толщину торкрет-слоя в зонах повышенного износа и стенки металлоприемника. Дополнительно подтверждено, что существенное влияние на работоспособность металлоприемника оказывает его положение в промковше относительно места падения струи, вытекающей из сталеразливочного ковша.

При использовании разработанной конструкции металлоприемника средняя серийность разливки составила около 40 плавок, а максимально достигнутая серийность – 78 плавки, что обеспечило стабильную эксплуатацию рабочего слоя футеровки ПК. Можно предположить, что дальнейшее совершенствование технологии разливки обеспечит серийность разливки на уровне 70-80 (до 100) плавок.

Заключение

1. Разливка стали на многоручьевых сортовых МНЛЗ сверхдлинными сериями лимитируется износом рабочего слоя футеровки ПК в зоне шлакового пояса и области падения струи, вытекающей из СК. Существенного увеличения стойкости футеровки ПК удается достичь при применении металлоприемников специальной геометрической формы из высокопрочных бетонов, учитывающих специфику конкретного ПК и условий разливки.

2. По мнению авторов настоящей статьи, не существует универсальных решений и рекомендаций для выбора оптимальных геометрических параметров ПК и металлоприемников. Выбор конструктивных решений для металлоприемников должен осуществляться в привязке к конкретным решениям с использованием методов физического и математического моделирования.

3. В результате выполненных исследований разработана принципиально новая конструкция металлоприемника, обеспечивающая разливку сверхдлинными сериями многоручьевых сортовых МНЛЗ. В условиях конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод» достигнута максимальная серийность разливки 78 плавки, что соответствует разливке 11,5 тыс.т стали из одного ПК. Предполагается, что при благоприятных организационных, технических и технологических предпосылках этот показатель может быть увеличен в 1,5-1,6 раза.

Библиографический список:

1. Смирнов А.Н., Несвет В.В. Опыт непрерывной разливки стали длинными сериями на многоручьевой МНЛЗ // Сталь. - 2002. - № 8. - С. 36-39.

2. Освоение технологии непрерывной разливки стали на сортовых мащинах / А.Г. Левада, Д.Н. Макаров, В.И. Антонов и др. // Сталь. - 2008. - № 3. – С. 34-36.

3. Schweikle R., Volkert A., Barbe J. High Efficiency and Reliability, and High Casting Speed on the Billet Casters at BSW // Proceedings 5-th European Continuous Casting Conference, Nice, 2005. – La Revue de Matallurgie: 2005. – P. 382-389.

4. Устройство для быстрой смены стакановдозаторов промежуточного ковша сортовой МНЛЗ / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, Д.А. Яковлев и др. // Труды 9-го конгресса сталеплавильщиков. Старый Оскол, 2006. – М.: Черметинформация, 2007. – С. 673-678.

5. Пат. 51522 Україна, МПК51 В22D 41/00. Металоприймач проміжного ковша для безперервного лиття металу / Подкоритов О.Л., Смірнов О.М., Солових С.Г. та ін.; заявитель и патентообладатель ТОВ «Кальдеріс Україна»; заявл. 14.12.09 ; опубл. 26.07.09, Бюл. №14.

6. Mazumdar D., Guthrie R.I.L. The Physical and Mathematical Modelling of Continuous Casting Systems // ISIJ International. - 1999. - Vol. 39. - No. 3. – P. 525-548.

7. Smirnov A., Grydin S., Physical and mathematical modeling fluid flows movement in tundish for 6-strand billet CCM // 1-st International Conference Simulation and Modeling of Metallurgical Processesin Steelmaking (STEELSIM-2005), Brno, 2005. – Brno: 2005. - P. 244-252.

© Смирнов А.Н., Кравченко А.В., Подкорытов А.Л., Климов В.Г., Соловых С.Г. 2010