Разливка и кристаллизация стали

Аннотация

Произведен расчет основных технологических параметров. Приведена общая компоновка четырехручьевой МНЛЗ криволинейного типа и рассмотрена технология разливки стали марки 08пс на слябы сечением 900250 мм.

СОДЕРЖАНИЕ

     Введение ……………………………………………………………………………………………….5     

1      Краткое описание МНЛЗ………………………………………………………………………………6                                                                                                        

2      Расчет основных технологических параметров…………………………………………………….10

2.1 Параметры жидкого металла…………………………………………………………………….10

2.2 Продолжительность затвердевания непрерывно-литой заготовки…………………………...10

2.3 Скорость вытягивания заготовки…………………………………………………………….....11

2.4 Скорость разливки и диаметр каналов сталеразливочных стаканов…………………………12

2.5 Параметры настройки кристаллизатора и системы вторичного охлаждения…….………….14

2.6 Охлаждение кристаллизатора…………………………………………………………………...15

2.7 Вторичное охлаждение заготовки………………………………………………………………17

2.8 Длительность разливки плавки и производительность МНЛЗ………………………………..22

     Заключение……………………………………………………………………………………………23

     Список использованных источников……………………………………………………………….24

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывная разливка является в настоящее время основным высокопроизводительным способом разливки стали, при котором получают слябовые и сортовые заготовки. Качество непрерывно-литых заготовок во многом зависит от правильности выбора технологических параметров процесса разливки, который должен быть сделан с учетом типа машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), размеров поперечного сечения заготовки, марки стали.

В данной работе на основе данных о типе МНЛЗ и ее характеристик, марки разливаемой стали и параметров заготовки производится расчет оптимальных основных параметров разливки. Эти параметры влияют на безаварийную, стабильную и экономичную работу машины, на качество непрерывно-литой заготовки. К этим параметрам относятся:

- параметры жидкого металла (допустимое содержание вредных примесей и температура металла при разливке);

- продолжительность затвердевания заготовки;

- рабочая скорость вытягивания заготовки и диапазон допустимых скоростей вытягивания;

- скорость разливки металла и диаметр каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах;

- параметры настройки кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения;

- режим охлаждения кристаллизатора;

- режим вторичного охлаждения заготовки;

- длительность разливки и плавки и производительность МНЛЗ.

1       Краткое описание МНЛЗ

Машина для непрерывной разливки стали, четырехручьевая, криволинейного типа. Радиус кривизны базовой стенки кристаллизатора 8м. Размеры поперечного сечения заготовки 250900 мм. Металлургическая длина МНЛЗ 35,8 м. Способ вторичного охлаждения  - охлаждение водой и вода + воздух.

Машины непрерывной  раз­ливки стали представляют собой системы, обеспечивающие полу­чение из жидкой стали готовой заготовки, которая может, как правило, непосредственно   на­правляться в прокатные станы, минуя блюминги или слябинги. При   использовании   МНЛЗ  сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор. В кристаллизаторе образуется оболочка, заполненная жидкой сталью, по форме и сечению примерно соответствующая готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с по­мощью транспортирующей системы - тянущей клети поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит полное затвер­девание заготовок. Затвердевший слиток режется на мерные длины и готовые заготовки и с помощью рольганга или других транспортных средств направляются в прокатный цех или на склад.

При подготовке МНЛЗ к разливке в каждом кристаллизаторе с помощью специального устройства - затравки - устраивается сплошное дно. Верхний конец затравки, имеющий пазы, вводится в кристаллизатор, ее противоположный конец находит­ся в зацеплении с тянущим устройством. По мере наполнения кристаллизатора металл затекает в пазы и, быстро затвердевая, образует прочное сцепление с затравкой. Затем включается тя­нущее устройство и частично затвердевший металл - твердая оболочка с жидкой серединой вытягивается в зону вторичного охлаждения.

Для образования прочной оболочки - корки металла стенки кристаллизатора изготавливаются из материала, обладающего высокой теплопроводностью, и интенсивно охлаждаются во­дой. Для уменьшения трения между коркой (оболочкой) твер­дого металла и стенками кристаллизатора, предотвращения смачивания стенок кристаллизатора жидкой сталью и создания нейтральной или восстановительной атмосферы, на поверхность металла в кристаллизаторе вводят твердую или жидкую смаз­ку в виде различных масел, углеводородов или экзотермиче­ских, или теплоизолирующих шлаковых смесей. Наряду с этим для предотвращения разрыва оболочки и прилипания корки металла к стенкам кристаллизатора, последний совершает воз­вратно-поступательное движение (качание) 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 предотвра­щать деформацию оболочки слитка и искажение ее формы под действием ферростатического давления. Охлаждение осущест­вляется обычно орошением поверхности слитка водой, расход которой зависит от разливаемой марки стали и скорости вытя­гивания слитка.

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 резки. По окончании разливки остатки слитка выводятся из машины, убирается про­межуточный ковш, проводятся контроль и настройка действия механизмов и системы охлаждения, затем вновь вводится затравка.

Таким образом, современная МНЛЗ состоит из следующих элементов и узлов:

- сталеразливочного стенда;

- промежуточного ковша;

- тележки или стенда для промежуточного ковша;

- кри­сталлизатора;

- механизма возвратно-поступательного движения кристаллизатора;

- опорных элементов и устройств зоны вторич­ного охлаждения;

-  устройства для транспортировки слитка; затравки; механизма для ввода и уборки затравки;   -  устройств для резки непрерывно-литого слитка на заготовки мерной дли­ны;

- устройства для уборки и транспортировки заготовок к про­катному цеху или в отделение   отделки заготовок;

- устройства для подачи твердой или жидкой смазки;

- оборудования для подачи воды в кристаллизатор;

- зону вторичного охлаждения и на охлаждение элементов МНЛЗ;

- электрооборудования;

- средств контроля и автоматизации.

Общая компоновка элементов МНЛЗ показана на рисунке 1.

              1- сталеразливочный стенд; 2- тележка промежуточного ковша; 3- промежуточный         ковш; 4- кристаллизатор; 5- механизм качания кристаллизатора; 6, 7, 8, 10, 11- различные секции роликовой проводки; 9- направляющие  для смены секций; 12- механизм отсоединения затравки; 13- машина для ввода затравки; 14- фундаментные балки с фиксированными и плавающими опорами

Рисунок 1 - Общая компоновка МНЛЗ

В таблице 1 приведены данные о зонах вторичного охлаждения.             

Таблица 1 - Характеристика зоны вторичного охлаждения

Устройства для резки заготовок.

             Резка заготовок на мерные дли­ны на МНЛЗ осуществляется плазменной резкой, газовой резкой, нож­ницами (гидравлическими или электромеханическими), импульсной резкой. Наиболее широко распространена газовая резка. Машины газо­вой резки просты по конструкции и в эксплуатации, имеют в несколь­ко раз меньшую массу, чем гидроножницы. В качестве энергоносителя используют природный газ, ацетилен, кислород и газ-гаситель азот.

2 Расчет основных технологических параметров

2.1 Параметры жидкого металла

Верхний предел содержания серы и фосфора, разливаемой на МНЛЗ, устанавливается в интервале от 0,015 до 0,025%. Для стали марки 08пс, выбираем предельные значения серы и фосфора в металле: [S]= 0,025  %,[P]=0,025  %.

Температура разливаемого металла оказывает существенное влияние 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С.

Температура ликвидус для стали марки 08пс:

tлик=1530-80[C],

где [C]- среднее содержание углерода в стали, %.

tлик=1530-800,08=1524С.

Температура металла в промежуточном ковше:

tпр= tлик+(20…30),

где tпр- температура металла в промежуточном ковше,  С;

tлик- температура ликвидус, С.

tпр=1524+25=1549С.

2.2 Продолжительность затвердевания непрерывно-литой заготовки

Главными факторами, определяющими продолжительность затвердевания непрерывно-литых заготовок, являются размеры её поперечного сечения: толщина А и ширина В. С достаточной точностью продолжительность затвердевания заготовки можно определить:

з = кф ,

где з- продолжительность затвердевания, мин;

кф- коэффициент формы поперечного сечения;

А- толщина заготовки, мм;

К- коэффициент затвердевания, мм/мин0,5.

Численное значение коэффициента формы кф принимаем равным 1, т.к. В/А=3,62. Величину коэффициента  затвердевания К, принимаем равной 25 мм/мин0,5. Тогда

з=1* .

2.3 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 учетом многих факторов; марки стали, размеров поперечного сечения отливаемой заготовки, температуры металла в промежуточном ковше, содержания в стали вредных примесей и др. Если температура разливаемого металла и содержание вредных примесей в нем соответствуют требованиям  раздела 2.1 то рабочая скорость вытягивания может быть рассчитана:

Vр = кv  ,

где Vр - рабочая скорость вытягивания заготовки, м/мин;

кv - коэффициент скорости вытягивания, м2/мин;

  А, В - толщина и ширина заготовки, м.

Принимаем значение коэффициента скорости вытягивания кv=0,16 м2/мин, для слябовой заготовки стали марки 08пс.

Рабочая скорость вытягивания:

.

Рабочая скорость вытягивания заготовки является базовой для определения диапазона допустимых скоростей вытягивания:

Vмин=0,5Vр=0,50,81=0,405 м/мин,

Vмакс=1,5Vр=1,50,81=1,215 м/мин.

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

Lж=зVр=250,81=20,25 м,

где Lж - глубина лунки жидкого металла, м;

а также необходимую частоту качания кристаллизатора

 = к,

где  - частота качания кристаллизатора, мин-1;

к - коэффициент частоты;

 - амплитуда качания кристаллизатора, м.

Принимаем к= 1,2 (0,8…1,5) и =0,013 м (0,010....0,015 м).

=1,2*0,81/0,013=74,76 мин-1.

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

Lж/Lм0,9,

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

Поэтому необходима проверка совладения условия  при разливке с максимальной скоростью вытягивания. Металлургическая длина МНЛЗ Lм=35,8 м.

Lж = зVмакс=251,215 = 30,375 м, тогда 30,375/35,8=0,85  0,9.

Данное условие соблюдается, следовательно, максимальную скорость вытягивания выбрали верно.

2.4 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):

q=стАВV,

где q- скорость разливки, т/мин;

ст=7,1 т/м3 - плотность затвердевшей стали в конце зоны вторичного охлаждения;

V- скорость вытягивания заготовки, м/мин.

Рабочая скорость разливки qр и её предельные значения qмин и qмакс вычисляется по формуле  при подстановке в неё соответствующих значений скорости вытягивания заготовки Vр, Vмакс,Vмин:

qр=стАВVр=7,1*0,25*0,9*0,81=1,29 т/мин;

qмин=стАВVмин=7,1*0,25*0,9*0,405=0,65 т/мин.

qмакс=стАВVмакс=7,1*0,25*0,9*1,215=1,94 т/мин;

Диаметры каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах вычисляются с использованием известной формулы

q=крd2h0.5,

где кр - коэффициент скорости разливки, т/(минмм2м0,5);

  d- диаметр канала стакана, мм;             

  h- высота слоя жидкого металла в ковше, м.

Расчет диаметров каналов стаканов и в сталеразливочном, и в промежуточном ковшах ведется на максимальную скорость разливки, при­чем при расчете диаметра канала стакана сталеразливочного ковша необходимо учитывать подачу жидкого металла одновременно в нес­колько кристаллизаторов. При расчете диаметра канала для сталеразливочного ковша рекомендуется принимать кр=1,210-3 т/(минмм2м0,5), h= 0,5…1,0 м, а для промежуточного ковша кр=1,110-3 т/(минмм2м0,5) и h= 0,6…0,8 м. Принимаем h= 0,8 м, для сталеразливочного и h= 0,7м, для промежуточного ковшей.

Диаметр стакана сталеразливочного ковша:

dcт==

Диаметр стакана промежуточного ковша:

dпр==

2.5 Параметры настройки кристаллизатора и системы вторичного охлаждения

В задании указаны те размеры поперечного сечения непрерывно-литой заготовки 900250 мм, которые она должна иметь на выходе из МНЛЗ. Кристаллизующаяся заготовка имеет насколько большие размеры поперечного сечения, которые постепенно уменьшаются по мере охлаждения. Поэтому поддерживающая система МНЛЗ настраивается так, чтобы расстояние между противоположными стенками кристаллизатора и противоположными роликами системы вторичного охлаждения монотонно уменьшалось в направлений движения заготовки. Обычно ширина и толщина поперечного сечения заготовки в верхней части кристаллизатора превышает заданные размеры 4-5 и 2-3%, а в нижней части - на 3-4 и 1-2% соответственно (рисунок 2). На рисунке 2 показана  схема настройки машины вертикального типа, для машины криволинейного типа настройка аналогична. Расстояние между опорными поверхностями противоположных роликов системы вторичного охлаждения уменьшается линейно. Расчет параметров настройки МНЛЗ заключается в определении расстояний, между противоположными стенками вверху и внизу кристаллизатора и между противоположными роликами на входе и выходе каждой зоны системы вторичного охлаждения.

                А0=1,045250= 260мм;

                А1=1,035250 = 257,5мм;

                Во=1,03*900=927мм;

                В1=1,01*900=909мм;

                 1ая секция:

                 А2=1,0347250 = 257,4мм;

                 В2=908,9мм;

                  2ая секция:

                  А3=1,0326250 = 257,0мм;

                  В3=908,5мм;

                  3я секция:

                  А4=1,0290250 = 256,2мм;

                  В4=907,7мм;

                  4ая секция:

                  А5=1,0225250 =254,8мм;

                  В5=906,3мм;

                  5ая секция:

                  А6=1,0119250 = 252,5мм

                  В6=904мм;

                                                                                                                                                                        Рисунок 2 - Схема настройки МНЛЗ вертикального типа                 6аясекция:

                                                                                                                  А7=1,0250=250мм;                                                                                        .                                                                                                                 В7=900мм;

          2.6 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. Принимаем диаметр dк=20мм, а расстояние между ними lк=40 мм, толщина стенки кристаллизатора = 80 мм.

Основным показателем, характеризующим режим охлаждения кристаллизатора, является расход охлаждающей воды. Предварительно перед расчетом расхода воды необходимо, пользуясь вышеприведёнными рекомендациями, определить количество каналов.

Количество каналов:

m=(Пs/60)+1,

где m- количество каналов, шт;

       Пs –периметр поверхности кристаллизатора по оси каналов, мм2.

m=(Пs/60)+1=((250+80)*2+(900+80)*2)/60+1=44,66 50 шт.

Расход воды на охлаждение кристаллизатора должен быть таким, чтобы выполнялось два условия:

1  Температура воды на выходе из кристаллизатора не должна превышать 40-45С с тем, чтобы не происходило отложение раство­ренных в ней солей;

2 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 расчетом опре­деляются исходные данные:

-  температура воды на входе в кристаллизатор (15-25°С); 

-  температура воды на выходе из кристаллизатора (40-45°С);

- перепад температур воды в кристаллизаторе ∆tв, °С;

- средний перепад температуры между температурой жидкого металла и температурой поверхности кристаллизирующейся заготовки ∆t (350-400°С); 

-  средняя толщина слоя затвердевшего металла в кристаллизаторе ξ0, м.

После этого вычисляется средняя плотность теплового потока от заготовки к кристаллизатору:

Q=(λ∆tв)/ ξ0,

где Q-средний тепловой поток, Вт/м2;

        λ – коэффициент теплопроводности затвердевшего металла, Вт/(мград).

Значение коэффициента теплопроводности для стали марки 08пс, λ=30 Вт/(мград), из интервала 28…33 Вт/(мград).

Выбор и расчет исходных данных:

-  температура воды на входе в кристаллизатор tввх =20°С; 

-  температура воды на выходе из кристаллизатора tввых =40°С;

- перепад температур воды в кристаллизаторе ∆tв=20°С;

- средний перепад температуры между температурой жидкого металла и температурой поверхности кристаллизирующейся заготовки ∆t=350°С); 

-  средняя толщина слоя затвердевшего металла в кристаллизаторе

            ξ0=κ,

где κ- коэффициент затвердевания, мм/мин0,5;

       hкр- активная длина кристаллизатора, hкр=1200 мм;

       hз- высота недолива жидкого металла в кристаллизатор, hз=100 мм;

       w- скорость вытягивания заготовки, w=600 мм/ мин.

Средняя плотность теплового потока от заготовки к кристаллизатору:

Q=(λ∆t)/ ξ0,=(30350)/0,024=437500 Вт/м2.

Расход воды, обеспечивающий принятую температуру на выходе из кристаллизатора:

Gкр=,

где Gкр- расход воды по рассматриваемому условию, м3/ч;

       Fкр- площадь поверхности кристаллизатора, воспринимающего тепловой поток, м2;

        ρв- плотность воды, ρв=1000 кг/м3;

        Св- удельная теплоёмкость воды, Св=4,2 кДж/(кгград).

Расход воды:

Gкр== 3,6* 437500* (1,2*0,25*2+1,2*0,90*2)/1*4200*20= 51,75 м3/ч.

Расход воды, обеспечивающий заданную скорость движения воды в каналах кристаллизатора:

Gкр’=900 dк2вm,

где Gкр’- расход воды на кристаллизатор, м3/ч;

       dк- диаметр канала, dк=0,020 м;

       в- скорость движения воды, в=3 м/с.

Gкр’=9003,14 0,0202 350=169,56 м3/ч.

Принимаем требуемый расход воды, по второму условию, со скорость движения воды в каналах кристаллизатора 3 м/с, Gкр=169,56 м3/ч.

2.7 Вторичное охлаждение заготовки

Режим  вторичного охлаждения непрерывно-литой заготовки должен быть таким, чтобы выдерживался оптимальный температурный режим затвердевания оболочки. Достаточно точно этот оптимальный температурный режим, может быть задан изменением перепада температуры по толщине затвердевшей оболочки.

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 меняются, то расчет ведется для середины зоны.

Расчет каждой зоны производится в такой последовательности:

1). Определяется время, прошедшее от начала кристаллизации, мин:

.

2). Вычисленное время используется для нахождения перепада температуры по толщине затвердевшего слоя t, температуры поверх­ности tпов и толщины слоя затвердевшего металла ξ.

tпов=tликв-t,

где tпов - температура поверхности заготовки, С;

       t - перепад температуры по толщине затвердевшей обо­лочки (определяется

               графически),С.

ξ= κ, м.

3). Подсчитывается плотность теплового потока:

- от жидкой сердцевины к поверхности заготовки через слой затвердевшего металла Qвн  (Вт/м2), вычисляемая по формуле Q=(λ∆t)/ ξ0 с заменой ξ0 на ξ.

-         с поверхности заготовки в окружающую среду излучением:

Qизл=С0,

- с поверхности заготовки в окружающую среду конвекцией:

Qконв=конв(tпов-tокр),

где Qизл, Qконв-плотность перечисленных выше тепловых пото­ков, Вт/м2;

        -   степень черноты поверхности заготовки;

        С0- коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К);

         tокр - температура окружающей среды, tокр=25С;

         конв- коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности заготовки, Вт/(м2град).

Из физики известно, что С0=5,67 Вт/(м2К). При расчетах принимаем =0,75, из интервала 0,7…0,8. В первом приближении  можно считать, что коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от интенсивности обдува поверхности заготовки воздухом и может быть подсчитан:

конв=6,16+4,18об,

где об- скорость движения потока воздуха, подаваемого на заготовку, м/с.

При водо-воздушном вторичном охлаждении заготовки рекомендуется принимать об=2-5 м/с. В случае водяного вторичного охлаждения воздух на поверхность заготовки не подается- об=0 м/с.