Расчёт параметров непрерывной разливки стали

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Магнитогорский государственный технический университет  им. Г. И. Носова” 
 
 
 
 

Кафедра металлургии черных металлов 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«РАЗЛИВКА И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ»

НА ТЕМУ

«РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил ст. гр. МС 05-1                                                    И. С. Исаев-Сафонов

Проверил доцент, к.т.н.                                                                В. Н. Селиванов 
 
 
 
 
 
 
 

Магнитогорск

2009 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Аннотация 
 

     Рассмотрен  процесс непрерывной разливке стали, рассчитаны основные технологические параметры этого процесса на двухручьевой машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) криволинейного типа с радиусом кривизны базовой стенки кристаллизатора 10,0 м. Рассчитана длительность разливки при скорости вытягивания заготовки 0,8 м/мин, а также годовая производительность МНЛЗ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 
 

Введение 
 

     Критерием отработанности технологии непрерывной разливки стали является стабильность процесса и качество непрерывно-литой металлопродукции; последнее определяется степенью поражённости непрерывно литого слитка различными дефектами поверхности и внутреннего строения.

     Основным  видом дефектов поверхности непрерывно-литой  заготовки являются различные трещины – горячие и холодные. Обязательным условием возникновением горячих трещин является наличие жидких прослоек между дендритами вследствие неудовлетворительного охлаждения металла в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения.

     Причинами образования трещин непрерывно-литого слитка является высокая температура разливаемой стали (перегрев свыше 40 ⁰), повышенное содержание серы и фосфора, нарушение конусности кристаллизатора, расхождение стыков между его стенками; разогрев ребра выше температуры перехода в область низкой пластичности (свыше     1340 ⁰).

     Дальнейшее развитие трещин происходит в зоне вторичного охлаждения, где слиток охлаждается водой, подаваемой из форсунок между поддерживающими элементами. Под действием ферростатического давления происходит выпучивание оболочки слитка, в результате чего на её поверхности возникают (увеличиваются) растягивающие напряжения. При непосредственном контакте с охлаждающей водой происходит резкое увеличение температурного градиента по сечению оболочки и усадка её с одновременным развитием сетчатых трещин [1].

     Глубина поперечных трещин на следах качания кристаллизатора составляет от 1,0 до 10-15 мм по грани, а районе углов достигает 50 мм. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на развитие этих трещин, является химический состав стали. Поперечные трещины на следах качания образуются после затвердевания металла.

     Условия охлаждения локальных участков непрерывно-литых  слитков также влияет на степень  развития поперечных трещин по складке  от качения кристаллизатора.

     Все внутренние трещины образуются в  результате высоких напряжений и деформаций в участках оболочки слитка, которые при высокой температуре обладают низкими пластичностью и прочностью [2].

     В настоящей работе необходимо определить параметры жидкой стали марки 15Х, разливаемого на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Рассчитать скорость разливки и диаметр каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах. А также определить параметры настройки кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения (ЗВО), при вытягивании заготовки со скоростью 0,8 м/мин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Краткое описание МНЛЗ и принцип  её работы 
 

     Использование МНЛЗ позволяет получать все преимущества, характерные для агрегатов непрерывного действия: высокую производительность, повышение выхода годного и качества продукции, сокращение производственных затрат и экономии сырьевых и энергетических ресурсов. При этом улучшаются условия труда, и сокращается загрязнение воздушного и водного бассейнов, и создаются условия для полной механизации и автоматизации процесса разливки стали.

     Двух  ручьевая криволинейная машина непрерывной разливки стали с металлургической длиной 37,0 м, представляет собой системы, обеспечивающие получение из жидкой стали марки 15Х готовой заготовки с размерами поперечного сечения 220*1600 мм. При использовании МНЛЗ криволинейного типа с радиусом кривизны базовой стенки кристаллизатора сталь из сталеразливочного ковша вместимостью 360 т поступает в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор. В кристаллизаторе образуется оболочка, заполненная жидкой сталью. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы – тянущей клети поступает в шесть секций зоны вторичного охлаждения, где происходит полное затвердевание заготовки с применение охлаждающего реагента - воды. Затвердевший слиток режется на мерные длины, с помощью газокислородного резака, и готовые заготовки направляются в прокатные цеха или на склад.

     При подготовке МНЛЗ к разливке в каждом из двух кристаллизаторе с помощью специального устройства – затравки – устраивается сплошное дно. Верхний конец затравки, имеющий пазы, вводиться в кристаллизатор, её противоположенный конец находиться в зацеплении с тянущим устройством. По мере наполнения кристаллизатора, длиной   1200 мм, металл затекает в пазы и, быстро затвердевая, образует прочное сцепление с затравкой. Затем включается тянущее устройство и частично затвердевший металл – твёрдая оболочка с жидкой сердцевиной вытягивается в зону вторичного охлаждения водой.

     Для образования прочной оболочки –  корки металла, стенки разборного кристаллизатора изготовляют из материала - медь, обладающей высокой теплопроводностью, и интенсивно охлаждающейся водой. Для уменьшения трения между коркой (оболочкой) твёрдого металла и стенками кристаллизатора, предотвращения смачивания стенок кристаллизатора жидкой сталью и создания нейтральной или восстановительной атмосферы, на поверхность металла в кристаллизаторе присаживают твёрдые шлакообразующие смеси. Наряду с этим для предотвращения разрыва оболочки и прилипания корки металла к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение (качение) с помощью специальных механизмов.

     Из  кристаллизатора, как уже указывалось, частично затвердевший слиток попадает в зону вторичного охлаждения, которая  состоит из опорных элементов  и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка. Опорные элементы должны предотвратить деформацию оболочки и искажение её формы под действием ферростатического давления. Охлаждение осуществляется орошением поверхности слитка водой, расход которой рассчитан ниже.

     После того как полностью затвердевший слиток в месте соединения с затравкой выходит из тянущего устройства, затравка отсоединяется от слитка и убирается специальным механизмом, а слиток поступает в устройство для газокислородной резки. По окончанию разливки остатки слитка выводятся из машины, убирается промежуточный ковш, проводиться контроль и настройка действия механизмов и системы охлаждения, затем вновь вводиться затравка [3]. 
 
 
 
 

     1 Параметры жидкого  металла 
 

     Действующие стандарты, определяющие требования к  химическому составу металла, допускаю довольно высокое содержание вредных примесей – серы и фосфора (обычно 0,040-0,050 %). Непрерывная разливка металла с повышенным содержанием вредных примесей сопряжена с рядом трудностей. Так, например, повышенное содержание серы требует снижения скорости разливки. В противном случае непрерывно-литые заготовки оказываются пораженными различными дефектами (чаще всего поверхностными и внутренними трещинами). Кроме того, при разливке такого металла возможно возникновение аварийных ситуаций, связанных с прорывами затвердевшей корки.

     Обычно  верхний предел содержание серы и  фосфора в стали, разливаемой  на МНЛЗ, устанавливается в интервале  от 0,015 до 0,025 %. Выбор конкретного  значения предельного содержания вредных  примесей определяется возможностями  технологии выплавки и ковшевой обработки металла в сталеплавильном цехе. С учётом приведённой выше информации и исходя из того, что на машине разливаю сталь марки 15Х, принимаем допустимое значение содержания серы и фосфора в металле на уровне 0,015 %.

     Температуру ликвидус для легированной стали определяем по формуле, учитывая то, что 1 % хрома снижает температуру ликвидус на 1 ⁰С

     Температура разливаемого металла, оказывается, существенно  влияет как на технологию непрерывной разливки, так и на качество получаемой заготовки. Наилучшие результаты получаются в том случае, когда металл в промежуточном ковше имеет перегрев над температурой ликвидус 20-30 ⁰С.

     2 Продолжительность затвердевания непрерывно-литой заготовки 
 

     Главными факторами, определяющими продолжительность затвердевания непрерывно-литых заготовок, являются размеры её поперечного сечения: толщина – 220 мм; ширина – 1600 мм. С достаточной точность продолжительность затвердевания заготовки можно определить по формуле, приняв коэффициент затвердевания равный 25 мм/мин^0,5

     3 Скорость вытягивания  заготовки 
 

     Установление  скоростного режима заключается  в определении диапазона допустимых скоростей вытягивания заготовки и рабочей скорости вытягивания. В качестве рабочей принимается такая скорость вытягивания, при которой обеспечивается сочетание высокого качества заготовки с достаточно высокой производительностью МНЛЗ. Обычно рабочая скорость вытягивания назначается с учётом многих факторов: марки стали, размеров поперечного сечения отливаемой заготовки, температуры металла в промежуточном ковше, содержание в стали вредных примесей и др. Так как температура разливаемого металла и содержание вредных примесей в нём соответствуют требованиям раздела 1, то рабочая скорость вытягивания определяется по формуле

     Значения  коэффициента скорости вытягивания  приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента скорости вытягивания

     Приняв  значение коэффициента вытягивания 0,160; найдём рабочую скорость вытягивания заготовки

     Рабочая скорость вытягивания является базовой  для определения диапазона допустимых скоростей вытягивания

     Скорость  вытягивания определяет глубину лунки жидкого металла в кристаллизующейся непрерывно-литой заготовке

     а также необходимую частоту качания  кристаллизатора

где - частота качения кристаллизатора, мин^-1;

где - коэффициент частоты;

где - амплитуда качания кристаллизатора, м. 

     Обычно  = 0,8-1,5 и = 0,010-0,015 м, принимаем 1,0 и 0,010, соответственно, тогда получим

     Обязательным  условием получения плотной осевой зоны непрерывно-литой заготовки является соблюдение соотношения

где - металлургическая длина МНЛЗ (расстояние по оси заготовки от уровня жидкого металла в кристаллизаторе до последнего поддерживающего ролика), м. 

     Поэтому делаем проверку при разливке с максимальной скоростью вытягивания

     Так это условие выполняется, то максимальную скорость, рассчитанную выше, можно  не изменять. 

     4 Скорость разливки  и диаметр каналов  сталеразливочных  стаканов 
 

     Определение рабочей скорости вытягивания заготовки и диапазона, допустимых её значений позволяет рассчитать рабочую скорость разливки и возможный диапазон её изменения. Зависимость между скоростью вытягивания заготовки и соответствующей ей скоростью разливки (для одного ручья) описывается формулой

     Рабочая скорость разливки и её предельные значения вычисляются по этой формуле при подстановке в неё соответствующих значений скорости вытягивания заготовки

     _{Диаметры  каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном  ковшах вычисляется с использованием известной формулы}

где - коэффициент скорости разливки, т/(мин*мм²*м^0,5);

где - диаметр канала стакана, мм;

где - высота слоя жидкого металла в ковше, м. 

     Расчёт  диаметров каналов стаканов и  в сталеразливочном, и в промежуточном  ковшах ведётся на максимальную скорость разливки, причём при расчёте диаметра канала стакана сталеразливочного ковша необходимо учитывать подачу жидкого металла одновременно в несколько кристаллизаторов. При расчёте диаметров канала для сталеразливочного ковша рекомендуется принять = 1,2*10^-3 т/(мин*мм²*м^0,5) и = 0,5-1,0 м; а для промежуточного ковша = 1,1*10^-3 т/(мин*мм²*м^0,5) и = 0,6-0,8 м. Учитывая выше сказанное найдём диаметр канала стакана

     5 Параметры настройки  кристаллизатора  и системы вторичного  охлаждения 
 

     В задании указы те размеры поперечного  сечения непрерывно-литой заготовки, которые она должна иметь на выходе из МНЛЗ. Кристаллизующаяся заготовка имеет несколько большие размеры поперечного сечения, которые постепенно уменьшаются по мере её охлаждения. Поэтому поддерживающая система МНЛЗ настраивается так, чтобы расстояние между противоположными стенками кристаллизатора и противоположенными роликами системы вторичного охлаждения монотонно уменьшались в направлении движения заготовки.

     Обычно  ширина и толщина поперечного  сечения заготовки в верхней  части кристаллизатора превышает заданные размеры на 2-3 и 4-5 %, а в нижней части – на 1-2 и     3-4 %, соответственно, как показано на рисунке 1. Расстояние между опорными поверхностями противоположенных роликов системы вторичного охлаждения уменьшается линейно.

     Расчёт  параметров настройки МНЛЗ заключается  в определении расстояний между  противоположенными стенками вверху и  внизу кристаллизатора и между противоположенными роликами на входе и выходе каждой зоны системы вторичного охлаждения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1 – Схема настройки МНЛЗ вертикального  типа по толщине заготовки 

     Учитывая  всё выше сказанное, найдём параметры настройки кристаллизатора

     При прохождении заготовки через  зону вторичного охлаждения, включающую неприводные и нижние приводные ролики, поддерживают только большую грань заготовки (ширину), тем самым изменяя толщину заготовки – А. Учитывая это, найдём параметры настройки системы зоны вторичного охлаждения

     6 Охлаждение кристаллизатора 
 

     Чаще  всего в МНЛЗ используются сборные  кристаллизаторы, в стенках которых  имеется система вертикальных каналов  для охлаждающей воды. Обычно каналы имеют диаметр 20 мм, а расстояние между ними 40-50 мм.

     Основным  показателем, характеризующим режим  охлаждения кристаллизатора, является расход холодной воды. Предварительно перед расчётом воды необходимо, пользуясь вышеприведёнными рекомендациями, выбреем диаметр канала 20 мм с расстоянием между ними 40 мм, следовательно, их количество составит 20 штук. Расход воды на охлаждение кристаллизатора должен быть таким, чтобы выполнялось два условия:

• температура воды на выходе из кристаллизатора не должна превышать 40-45 ⁰С с тем, чтобы не происходило отложение растворённых в ней солей;
• скорость движения воды в каналах должна быть не менее 2 м/с для того, чтобы предотвратить возникновение локальных перегревов.

     Расход  воды, обеспечивающий выполнение первого условия, определяется следующим образом. Сначала выбором или расчётом определяются исходные данные:

• температура воды на входе в кристаллизатор: 20 ⁰С;
• температура воды на выходе из кристаллизатора: 40 ⁰С;
• перепад температуры воды в кристаллизаторе: 20 ⁰С;
• средний перепад температуры между температурой жидкого металла и температурой поверхности кристаллизующейся заготовки: 400 ⁰С;
• средняя толщина слоя затвердевшего металла в кристаллизаторе: 0,021 м.

     После этого вычисляется средняя плотность  теплового потока от заготовки к  кристаллизатору

где - средний тепловой поток, Вт/м²;

где - коэффициент теплопроводности затвердевшего металла, Вт/(м*град). 

     Принимаем следующие значение коэффициента теплопроводности для низколегированной стали – 26 Вт/(м*град), тогда

     Вычисляем расход воды, обеспечивающий принятую температуру её на выходе из кристаллизатора

     Расход  воды, обеспечивающий выполнение второго  условия – заданную скорость её движения в каналах кристаллизатора, определяется по формуле

     Принимаем расход воды, исходя из первого условия. 
 

     7 Вторичное охлаждение  заготовки 
 

     Режим вторичного охлаждения непрерывнолитой  заготовки должен быть таким, чтобы  выдерживался оптимальный температурный режим затвердевшей оболочки. Достаточно точно этот оптимальный температурный режим может быть задан изменением перепада температур по толщине затвердевшей оболочки (рисунок 2). Данные рисунка 2 позволяют построить график изменения оптимальной температуры поверхности заготовки для стали марки 15Х при заданной скорости вытягивания

1 – углеродистая  сталь; 2 – легированная сталь.

Рисунок 2 - Изменение перепада температур по толщине слоя затвердевшего металла в Рисунок 2 -   процессе кристаллизации непрерывнолитой заготовки 

     Расчёт  режима вторичного охлаждения заготовки  ведётся по зонам в соответствии с конструкцией МНЛЗ. Так как по длине любой зоны вторичного охлаждения все показатели, характеризующие тепловое состояние кристаллизующейся заготовки, непрерывно меняется, то расчёт ведётся для середины зоны.

     Расчёт  каждой зоны производиться в такой  последовательности: