Оптимизация движения конвективных потоков в промковшах многоручьевых МНЛЗ при разливке сверхдлинными сериями

Cмирнов А. Н., Вице-президент Украинской ассоциации сталеплавильщиков, проф., д-р техн. наук
Подкорытов А. Л., ОАО «Енакиевский металлургический завод», Енакиево
Кравченко А. В., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк

Получено увеличение стойкости футеровки промковша благодаря применению металлоприемников специальной геометрической формы из высокопрочных бетонов, учитывающих специфику конструкции промковша и условий разливки. Рассмотрены результаты моделирования потоков в металлоприемнике. В условиях конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод» достигнута максимальная серийность разливки – 64 плавки, что соответствует разливке 9,3 тыс. т стали из одного промковша.

Впоследние два десятилетия ведутся интенсивные исследования, направленные на увеличение производительности машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) минимизацию затрат, непосредственно связанных с организацией процесса литья. Крайне важным технологическим элементом является обеспечение высокого показателя серийности разливки из одного промежуточного ковша [1-3]. Это обеспечивает стабильность работы машины, а также снижает удельные затраты на огнеупоры и удельные отходы металла, связанные с остановкой МНЛЗ.

В практике непрерывной разливки стали существует стратегия тотальной минимизации издержек на производство и разливку стали в направлении совершенствования функций промежуточных ковшей, работающих в цехах. Прежде всего, это относится к высокопроизводительным сортовым МНЛЗ, работающим в условиях металлургических мини-заводов [6, 7]. Известно, что в таких условиях выплавляют рядовую сталь, которую разливают открытой струей на сортовые заготовки квадратного сечения 100-160 мм. Для таких условий литья процессы рафинирования стали в промежуточном ковше, как правило, не предусмотрены. При этом основным критерием эффективности работы МНЛЗ является возможность разливки сверхдлинными сериями без замены промежуточного ковша и остановки машины.

Разливка стали на многоручьевых сортовых МНЛЗ сверхдлинными сериями лимитируется износом рабочего слоя футеровки промежуточного ковша (ПК) в зоне шлакового пояса и области падения струи, вытекающей из сталеразливочного ковша (СК). Длительность разливки стали из одного промежуточного ковша сортовой МНЛЗ лимитируется двумя основными факторами: износом стаканов-дозаторов и опережающим износом футеровки ковша в зоне падения струи. Практика последнего десятилетия показывает, что проблему износа внутренней полости стаканов-дозаторов решают путем оптимизации технологии подготовки стали к разливке и применением устройств для быстрой замены стаканов-дозаторов.

Достижение высоких показателей длительности разливки из одного промежуточного ковша следует связывать с рациональной организацией движения потоков стали, исключающей дополнительное разрушение рабочего слоя футеровки ковша. Учет всех особенностей работы промежуточного ковша для обеспечения разливки сверхдлинными сериями невозможен без применения специальных устройств (металлоприемников, порогов), оказывающих влияние на гидродинамику в жидкой ванне ковша в течение всего цикла разливки.

Цель настоящего исследования – изучение особенностей перемешивания металла и шлака в промежуточных ковшах многоручьевых МНЛЗ на физической и математической моделях и разработка такой конструкции металлоприемника, которая обеспечила бы повышение эксплуатационной стойкости футеровки рабочего слоя применительно к условиям конкретной МНЛЗ.

Реализовать вышеперечисленные функции, по мнению авторов, можно благодаря использованию металлоприемника «ведрообразной» формы с боковыми окнами для направленного истечения стали.

Эффективность применения металлоприемников такой формы во многом зависит от их геометрических размеров и расположения.

Оптимизацию геометрической формы металлоприемника целесообразно выполнять с привлечением физического и математического моделирования, поскольку конвективные потоки, формирующиеся в металлоприемнике и промежуточном ковше, регулируются, в основном, воздействующими на них инерционными и гравитационными силами.

Физическая модель промежуточного ковша изготовлена из оргстекла. Масштаб модели 1:3 оказывается достаточным для визуального наблюдения за всеми гидродинамическими процессами в ковше в режиме реального времени. Движение конвективных потоков жидкости фиксировали с помощью цифровой видеокамеры и подкрашивания локальных объемов вытекающей жидкости чернилами. Длительность пребывания жидкости в ковше (резидентное время) определяли электрохимическим методом с вводом в перемешиваемую жидкость (воду) небольшого количества концентрированного раствора поваренной соли и измеряли электропроводность в нескольких точках объема модели.

В результате установлено, что при определенных размерах и конфигурации металлоприемника можно создать условия, которые ограничат турбулентное перемешивание металла с покровным шлаком зоной металлоприемника. При этом большое значение приобретают направление и интенсивность истечения металла из окон металлоприемника в объем промежуточного ковша. Установлено также, что при определенном положении струи и окон можно наблюдать вихревую турбулизацию в областях, прилегающих к окнам металлоприемника с внешней стороны. Наличие таких областей следует рассматривать как негативное явление, приводящее к ускоренному разрушению огнеупоров промежуточного ковша и металлоприемника.

На распространение потоков в жидкой ванне промежуточного ковша существенное влияние оказывают положение окон металлоприемника относительно поперечного сечения ковша, а также форма их сечения. Как видно из рис. 1, рациональная конфигурация металлоприемника обеспечивает движение потоков жидкости параллельно длинным стенкам ковша. При этом вытекающие из ковша конвективные потоки первоначально движутся вдоль зеркала жидкости и попадают в периферийную зону, где располагаются стаканы-дозаторы крайних ручьев многоручьевой МНЛЗ. Затем потоки жидкости постепенно изменяют направление движения на преимущественно нисходящие к днищу потоки, которые продолжают движение как к крайним, так и средним стаканам-дозаторам. Фактически представленная схема движения потоков характеризуется отсутствием зон критической турбулентности (в том числе и у поверхности раздела шлак-металл), а также «мертвых» зон, которые слабо вовлекаются в перемешивание. Это особенно важно в случае разливки металла сверхдлинными сериями в плане обеспечения стабильности процесса литья.

Рис. 1. Динамика распространения жидкости из металлоприемника вдоль промежуточного ковша, с

Выполненные с помощью математического моделирования исследования особенностей движения потоков стали в промежуточном ковше шестиручьевой сортовой МНЛЗ в целом хорошо корреспондируются с результатами, полученными в ходе физического моделирования. Это, прежде всего, относится к направлению движения основных конвективных потоков и их поведению в областях, прилегающих к стенкам ковша. В то же время установлено, что весьма значимым для обеспечения рациональной картины движения конвективных потоков является положение окон металлоприемника относительно оси падающей струи. Так, при смещении положения окон (или позиции металлоприемника) всего на 70-80 мм (в поперечном сечении ковша) можно наблюдать зоны повышенной турбулентности в областях, прилегающих к стенкам ковша и металлоприемника, что следует рассматривать как нежелательное явление, приводящее к ускоренному износу футеровки промежуточного ковша.

Существенным ограничением длительности работы футеровки промежуточного ковша (по предлагаемой схеме) может служить частичное разрушение стенок металлоприемника в силу того, что они подвержены определенным нагрузкам в течение длительного периода времени. С помощью математического моделирования, в котором учитывали не только динамику движения потоков, но и особенности нагружения стенок металлоприемника вследствие воздействия на них потоков металла, установлено, что давление на определенные участки стенок металлоприемника может изменяться в достаточно широком диапазоне (рис. 2). Наиболее нагруженными являются зоны стенок металлоприемника, непосредственно прилегающие к периметру окон, а также задняя стенка металлоприемника. Следовательно, для обеспечения равнопрочности всех элементов конструкции металлоприемника целесообразно выполнять его наиболее уязвимые части с утолщениями (приливами).

Рис. 2. Распределение давления потоков на стенки металлоприемника (кПа)

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 «Кальдерис Украина». Эксплуатационные возможности металлоприемника исследовали в условиях высокопроизводительных шестиручьевых сортовых МНЛЗ конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод».

Выводы

В результате выполненных исследований разработана принципиально новая конструкция металлоприемника, обеспечивающая разливку сверхдлинными сериями для многоручьевых сортовых МНЛЗ. В условиях конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод» достигнута максимальная серийность разливки – 64 плавки, что соответствует разливке 9,3 тыс. т стали из одного промежуточного ковша. Благодаря организационным, техническим и технологическим предпосылкам этот показатель можно увеличить в 1,5-1,6 раза. При дальнейшем освоении технологии разливки сверхдлинными сериями можно достичь еще более высоких показателей серийности. Координация организационных, технических и технологических вопросов, направленных на обеспечение стабильности работы МНЛЗ, обеспечивает среднюю серийность разливки на уровне 70-80 плавок при достижении рекордной серийности на уровне 100 плавок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wolf M. Bloom and Billet Casting: Overview // Proc. 3 European Conf. on Continuous Casting, Madrid (Spain), October 20-23. – Madrid, 1998. – P. 515-524.
2. Pindor J., Michalek K. Application of tundish metallurgy for improvement of steel quality and increasing of continuous casting operational parameters // Ibid. – P. 1025-1028.
3. Энергосберегающий ресурс непрерывной разливки в условиях современного конвертерного цеха / А. Н. Смирнов, А. А. Ларионов, С. П. Матвеенков и др. // Металлургическая и горнорудная пром-сть. – 2003. – № 3. – С. 21-24.
4. Irwing W. R. Continuous Casting of Steel. – Cambridge: The University Press, 1993. – 207 p.
5. Combined Modeling of Inclusions Behavior During Tundish Process / A. Smirnov, S. Grydin, S. Louhen-kilpi et al. // 6 European Conf. on Continuous Casting. – Riccione (Italy). – 2008. – AIM, 2008 (CD). – 10 p.
6. Optimization on Molten Steel Flow in Billet Continuous Casting Tundish at Trinecke Zelezarny / K. Michalek, J. Pindor, R. Lebeda et al. // Continuous Casting of Billets. 2 Intern. Conf. Trinec (Czech rep.), 1997. – P. 59-69.
7. Papay F., Schlichting B. Intermix on a 5-Strand Bloom // Steelmaking Conf. Proc., (ISS). – 1999. – Vol. 82. – P. 183-188.