Тепловые аспекты высокоскоростной разливки стали в лист и мелкосортные заготовки
Кравцов В.В., Бирюков А.Б.
ДонНТУ
В последнее время в мировой практике наметилась тенденция получения заготовок с размерами, близкими к конечным размерам проката. При этом появляется возможность повышения однородности заготовок за счет увеличения доли поперечного сечения, представленного зоной равноосных кристаллов, и снижения степени развития ликвационных явлений. Кроме того, может быть достигнуто значительное сокращение энергетических затрат на подогрев и прокатку заготовок, что значительно уменьшает размеры и металлоемкость металлургического мини-завода.
Известно также, что уже около двух десятилетий ведется активная работа по созданию и внедрению тонкослябовых и листовых МНЛЗ. Машины такого рода очень перспективны однако по состоянию на сегодняшний день ряд технических проблем не позволил им вытеснить классические слябовые МНЛЗ, на которых производится подавляющая часть заготовок для производства листового проката. Несомненно, что в будущем тонкослябовые и листовые МНЛЗ вытеснят агрегаты другого типа.
Последние 20 лет многие исследовательские коллективы разрабатывали идею разливки полосы и создали лабораторные и опытные установки для литья стали в двухвалковом кристаллизаторе.
В табл.1 представлены данные о промышленных, опытно-промышленных и вновь вводимых в эксплуатацию промышленных установках [1].
Таблица1. Характеристики двухвалковых литейно-прокатных агрегатов
Еще в начале 90-х годов прошлого столетия были выполнено ряд работ [2-6], показавших, что свойства листовых сталей, как и всех конструкционных материалов, определяются структурой, которая в свою очередь зависит от химического состава сталей, кинетики фазовых преобразований и других факторов, обусловленных технологией выплавки стали и ее разливки [2].
В работах [3-6] выполнена оценка возможностей ускоренной кристаллизации жидкого металла в литейных машинах со скоростью 10-103 oС/с, когда дисперсность дендритной структуры в стали повышается от 2 до 5 раз, а также было отмечено влияние интенсивности охлаждения на производительность литейных машин. Так, например, значительное дробление структуры при охлаждении штамповочной литой стали 45ХМФС со скоростью 600 oС/с обеспечило твердость стали НРС 54-56, ударную вязкость КСU = 45 Дж/см2 и теплостойкость на 30 oС выше по сравнению с образцами из проката, повысило ресурс работы инструмента в 2-4 раза. Использование скоростного теплоотвода для производства литых органов рудомольных машин позволило увеличить ресурс их работы в 1,5-2 раза (сталь 110Г13Л) и в 2-4 раза (сталь 130Г13Х2ФТМЛ) по сравнению с традиционными методами литья [4].
Таким образом разливка стали, обеспечивающая скорость охлаждения расплава металла на уровне 600-1000oС/с и более за счет образования однородной фиксации в твердом растворе примесей, легирующих элементов и углерода, а также образования мелкозернистой структуры металла позволяет получить высокую чистоту поверхности и значительно увеличить механические свойства стали [3-4].
Вышеприведенные сведения поясняют менее жесткие требования к качеству стального лома, применяющегося при выплавке сталей в электропечах, предназначенной для последующей высокоскоростной разливки в лист. Так, во избежание появления поверхностных трещин при литье тонких слябов стальной лом не должен содержать более 0,15% меди и более 0,015% олова [7]. При литье тонкой полосы на двухвалковом литейно-прокатном агрегате допускается в 3,5 раза большее содержание меди в ломе (до 0,55%) и в 10 раз большее (до 0,16%) содержание олова [8], что является следствием высокой скорости отвода тепла от жидкой стали в зоне кристаллизации, что приводит к высоким скоростям кристаллизации стали и влечет за собой образования однородной фиксации в твердом растворе примесей, легирующих элементов и углерода, а также образование мелкозернистой структуры металла (таблица 5.2) [9].
Значительную роль высокой скорости кристаллизации тонкой полосы в условиях разливки стали на двухвалковом литейно-прокатном агрегате подтверждают и данные по загрязненности стали неметаллическими включениями [10].
Из них следует, что степень чистоты в отношении величины и количества неметаллических включений выше у полос, полученных на двухвалковых литейно-прокатных агрегатах. Наличие более мелких включений в сочетании с меньшей степенью химической и структурной ликвации способствует получению при дальнейшем переделе горячекатаных и холоднокатаных полос с лучшей структурой и более высокими свойствами, что значительно расширяет возможности данной технологии для производства высококачественных сталей с использованием более дешевого металлолома.
Увеличение диаметра валков уменьшает тепловую нагрузку и температуру их поверхности. Однако при этом затрудняется доставка расплава в створ валков и требуется увеличение размера дорогих керамических боковых ограничителей при очень незначительном увеличении площади охлаждения вращающегося кристаллизатора.
Анализ конструкций установок, рассчитанных на промышленное использование, свидетельствует о том, что пока нет единого мнения об оптимальном диаметре валков. Компания Castrip LCC использует валки диаметром 0,5 м, Nippon - 1,2 м, Eurostrip - 1,5 м.
Таблица 2. Параметры разливки и кристаллизации стали при различных методах непрерывной разливки
Керамические боковые ограничители - один из самых дорогих материалов установки, от их стойкости и цены зависит ее рентабельность. Ограничитель должен плотно прилегать к торцам валков, быть износостойким, выдерживать огромный перепад температур между холодным торцом валка и расплавом. Этим требованиям удовлетворяет, в частности, керамика на основе нитрида бора.
Как и для любой новой перспективной технологии, сведения о конкретных технических решениях в области непрерывной разливки стали через двухвалковый кристаллизатор являются достоянием компаний-разработчиков. В литературных источниках, на выставках и конференциях презентуются концепции и достигнутые результаты.
Поэтому для украинской металлургической отрасли необычайно важна разработка отечественных решений в данной области.
Перспективы создания технологии разливки стали в мелкосортные заготовки
Анализируя напряженно-деформированное состояние формирующейся непрерывнолитой заготовки, можно прийти к выводу, что уменьшение геометрических размеров поперечного сечения заготовки позволяет повысить допустимую интенсивность охлаждения. Исходя из этого, а также учитывая, что уменьшение размера заготовки позволяет повысить долю поперечного сечения, занятую зоной равноосных кристаллов, и снижает затраты на последующий нагрев и обработку давлением предложено реализовать технологию разливки стали в мелкосортные заготовки, с размерами близкими к размеру конечного проката, подобную разливке стали в лист.
Однако очевидно, что для мелкосортной заготовки при использовании двухвалкового кристаллизатора время контакта металла с валками и соответственно отвод тепла системой первичного охлаждения могут оказаться недостаточными для формирования такой толщины корки металла, которая не обрывалась бы при выходе из кристаллизатора. Для разливки мелкосортных заготовок авторами предложено реализовать первичное охлаждение с использованием концепции, отличной от концепции двухвалкового кристаллизатора, которая предполагает компоновку полости кристаллизации между двумя дугами на длине несколько большей четверти полной длины окружности валка. Достижение этой цели возможно на основе одной из концепций: одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой или одновалкового ленточного кристаллизатора. При их использовании достигаются одинаковые теплотехнические результаты, но есть довольно значительные конструктивные отличия. Каждая из названных концепций реализации первичного охлаждения может быть использована не только для разливки мелкосортных заготовок, но и листа.
При помощи математической модели промоделирован процесс затвердевания и охлаждения мелкосортных заготовок сечением 40х40 мм. Для проведения численных экспериментов приняты следующие исходные данные: диаметр валка 1.6 м, средний коэффициент теплоотдачи в полости кристаллизатора 2000 Вт/(м2*К), в ЗВО 1500 Вт/(м2*К). Первичное охлаждение протекает на участке с длиной несколько большей четверти окружности валка. Полученные результаты приведены в Таблице 3.
Из анализа таблицы 3 можно заключить, что разливка мелкосортных заготовок предложенным способом является высокопроизводительной. Так, например 24-ручьевая машина даже при скорости разливки 6 м/мин имеет производительность, равную или несколько превышающую реальную производительность классической шестиручьевой сортовой радиальной МНЛЗ, а при скорости 15 м/мин превосходит ее более чем в 2.5 раза.
Таблица 3. Результаты моделирования затвердевания и охлаждения мелкосортных заготовок размером 40х40мм.
Разливка стали в мелкосортные заготовки и лист в одновалковом кристаллизаторе с качающейся подложкой
Авторами предложена концепция машин, позволяющей осуществлять высокоскоростную разливку мелкосортных заготовок и листа с размерами, близкими к размерам конечного проката. Особенность идеи заключается в новой компоновке полости, в которой протекает кристаллизация. Она представлена вращающимся валком и качающейся подложкой, профиль, которой повторяет дугу окружности. Схема таких кристаллизаторов предложена на рис.1. и рис.2.
Для разливки мелкосортных заготовок качающаяся часть выполняется многоручьевой. Каждый ручей имеет свою систему охлаждения. Канал охлаждения выполнен щелевым и охватывает три стороны ручья. Вода подается по каналу в направлении противоположном движению металла.
Рис. 1. Общий вид одновалкового кристаллизатора и ТПА для производства сортовой заготовки
Рис. 2. Общий вид одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой и ТПА для производства тонкого листа
При анализе концепции одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой ряд конструкторов высказывают мнение о том, что реализация механизма качания подложки достаточно сложна. В связи с этим разработана еще одна концепция реализации машины с одновалковым кристаллизатором, для которой вместо качающейся подложки используется лента, натянутая на трех валках. Схема такой машины представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема МНЛЗ для разливки сортовых заготовок с одновалковым ленточным кристаллизатором
Математическое моделирование данного процесса позволило установить, что использование в качестве материала ленты стали, толщиной порядка 10 мм, не приведет к значительному снижению величины отводимых тепловых потоков.
Общие виды одновалкового ленточного кристаллизатора в сборе для разливки стали в лист и валка для разливки стали в мелкосортные заготовки представлены на рис.4 и рис.5 соответственно. В контакте с металлом постоянно находится около 2,2м длины окружности вращающегося кристаллизатора [11].
Особенности реализации предложенных технологий
Для рассмотренных в данной работе агрегатов предложена новая концепция уплотнения боковых плоскостей МНЛЗ, которая заключается в реализации быстрой смены изношенных преград и по своему принципу несколько подобна технологии FNC, используемой для быстрой замены стаканов-дозаторов промежуточных ковшей МНЛЗ.
Рис. 4. Общий вид машины с одновалковым ленточным кристаллизатором для разливки стали в лист (вид без ленты)
Рис. 5. Одновалковый вращающийся кристаллизатор для разливки стали в сортовые заготовки
Такое техническое решение позволит использовать в качестве материала преград более дешевые материалы, чем нитрид бора; менять вышедшие из строя преграды по ходу разливки, обеспечит возможность без остановки разливки изменить ширину листа в ту или иную сторону или количество работающих ручьев с целью согласования производительности сталеплавильного отделения с отделением разливки, что реально обеспечит ритмичность производства и высокие технико-экономические показатели.
Минимизация расходов на подготовку, перекачку и охлаждение воды может быть достигнута при работе по замкнутому контуру, когда охлаждение отработанной воды производится с помощью теплообменника - холодильника, коэффициент эффективности для которого может достигать 400-450%. При этом изначальная заправка системы водой, для которой достигнута предельная степень очистки от солей временной жесткости, позволит обеспечить постоянство теплоотовода и эффективность работы вращающегося кристаллизатора в течение продолжительного времени.
Сущность второго варианта реализации первичного охлаждения заключается в выделении ряда секторов с индивидуальными подводами и отводами воды по длине окружности валка. Подача воды только на сектора, находящиеся в контакте с металлом позволяет достичь значительной экономии расхода воды на первичное охлаждение. В этом случае также целесообразно применять вышеописанный способ охлаждения воды в замкнутом контуре.
Охлаждение ленты для машин с одновалковым ленточным кристаллизатором осуществляется с помощью системы брызгал. В этом случае реализация охлаждения по замкнутому контуру с использованием теплообменника-холодильника предполагает использование в обязательном порядке гидродинамического фильтра, необходимого для очистки воды от масла и других механических примесей.
Значительное влияние на интенсивность теплообмена между элементами кристаллизатора и формирующимися заготовками оказывают характеристики их взаимного механического взаимодействия, которые для заданной геометрии машины в первую очередь определяются параметрами вытягивания. Кроме того, их правильный выбор снижает вероятность обрыва заготовок и образования поверхностных дефектов.
Для одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой предлагается качание подложки кристаллизатора производить с частотой и амплитудой, соответственно пропорциональной и обратнопропорциональной скорости разливки при импульсном режиме вращения валка. Режим вращения тянущих валков клети ТПА – непрерывный. Предлагается таким образом выполнить привод валков ТПА, чтобы имелась возможность отключения отдельных ручьев в случае обрыва заготовок.
В случае одновалкового ленточного кристаллизатора авторы предполагают, что линейная скорость поверхностей вращающегося кристаллизатора (валка и ленты) должна превышать скорость вытягивания. Степень превышения скорости вращения поверхностей валка и ленты вращающегося кристаллизатора определяется на практике эффективностью работы смазки на основе рапсового масла, которая значительно уменьшит износ металла кристаллизатора, а также снизит износ поверхностей боковых преград. В свою очередь скорость вытягивания устанавливается с высокочастотной модуляцией в виде биений на уровне средней линейной скорости вытягивания. Такой способ комбинированного наложения скоростей вращения и вытягивания с эффективной работой смазки обеспечит качественную поверхность заготовок и позволит в полной мере осуществить на практике необходимый подрыв корочки. В то же время переменное механическое воздействие, направленное перпендикулярно направлению роста столбчатых кристаллов, приводящее к созданию высокочастотных колебаний каркаса затвердевшего металла, снизит рост столбчатых кристаллов на фронте затвердевания и увеличит рост и формирование равноосных кристаллов.
Импульсное вращение валка одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой, а также высокочастотная модуляция скорости вытягивания металла для одновалкового ленточного кристаллизатора достигаются за счет использования в качестве элементов привода управляемого электромагнитного гидравлического клапана и поршневого насоса с гидромоторами.
Выводы
В данной работе авторы на основе теплотехнического анализа предложили две концепции и разработали конструкции для разливки стали в лист и мелкосортные заготовки, близкие по размеру к размерам готового проката: на основе одновалкового кристаллизатора с качающейся подложкой и на основе одновалкового ленточного вращающегося кристаллизатора. При этом будут достигнуты благоприятные условия для сокращения металлоемкости литейных машин и повышения производительности литейно-прокатных модулей, строящихся мини металлургических заводов, снижения энергетических затрат, включая нагрев и прокатку, повышения качества металла, чистоты его поверхности по сравнению с классической разливкой стали в сляб и сортовые заготовки.
Библиографический список:
1. M. Вальтер и др. Черные металлы, октябрь 2001, стр. 55-59
2. W.B. Morrison, J.A. Chapman. The Rosenhain Centenery Conf. Royal Soc. - London, 1975.P.289
3. Кравцов В.В. Моделювання теплофізичного процессу прискореної кристалізації литого металу // Металознавство та обробка металів. – 1996. -№1-2. – С.39-41.
4. Ларіков Л.Н., Кондратюк С.Є., Стоянова О.М. Структура та властивості сплавів, швидко охолоджених з рідкого стану // Металознавство та обробка металів. – 1996. -№1-2. – С.30-38.
5. Кондратюк С.Е., Сокирко Л.А., Винокур Б.Б. КЛИТ – технология – резерв повышения свойств сталей // Литейное производство. – 1988. - №8. – 12с.
6. Кондратюк С.Е. Малоотходные технологии кокильного литья с интенсивным теплоотводом при затвердевании и охлаждении отливки // Литейное производство. – 1992. - №9. – 56с.
7. Vaugh J., Varcoe D. SEAISI Quarterly. 2001. January, p. 46-56
8. Campbell P.C., Wechsler R.L. Hefferman Symposium, Toronto, Canada. August 2001
9. Lindenberg H.-U. u. a. Steel Research. 72. 2001. 11-12. p. 490-495
10. Campbell P., et al. 59th Electrical Furnace Conf. Proceedings. Phoenix. USA. 2001. p. 727-735.
11. Патент України № 7875 С1, B22D11/06. Пристрій безперевної розливки металу/ Кравцов В.В., Хілієнко Є.Г. –Опубл. 26.12.1995. Бюл. №4
© Кравцов В.В., Бирюков А.Б., 2010