МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯИ НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКИЙ государственный технический университет
КАФЕДРАМЕТАЛЛУРГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине "Непрерывнаяразливка стали"
Расчет технологических,теплотехнических и конструктивных параметров МНЛЗ
Выполнил студент
Группы МЧ
__________
Проверил
доц. каф. МЧМ
Куберский С.В.
Алчевск
2005
Исходныеданные для расчета№ п/п Заданный параметр Значение Вариант Марка разливаемой стали 55C2 Содержание,% С 0,52-0,60 Si 1,5-2 Mn 0,6-0,9 Cr н.б. 0,3 Ni н.б. 0,4 S
н.б. 0,02 P н.б. 0,02 Сечение слитка, мм
175/>175 Эффективная длина кристаллизатора, м 0,9 Предел прочности стали в близи температ. солидус, МПа. 7,1
Плотность жидкой стали, кг/м3 7055 Теплоемкость жидкой стали, Дж/(кг*К) 656 Теплопроводность стали, Вт/(м*К) 30 Скрытая теплата затвердевания, кДж/кг 245
Коэффициент затвердевания, мм/мин0,5 30 Коэф-ент k завис. от марки ст. и назначения гот. продукции 0,125 Длина 4-х роликовой секции, м 1 Расстояние от мениска металла в кр-ре до секции ЗВО, м 2 Допуст. деформац. слоев мет. в темпе-рном интерв. хрупк. 0,002 Коэф-нт, учитывающий интенсивность охл. слитка в ЗВО 0,75 Относительная толщина закристаллизовавшейся корки 0,6 Расстояние между точками правки, м 1 Количество плавок в серии, шт 8 Масса разливаемого металла в ковше, т 50
Коэффициент учитывающий потери времени при разл., /> 0,9
Коэффициент учитывающ. степень загр. оборуд. МНЛЗ, /> 0,85 Допустимое время разливки, мин 60 Длит. пауз между сериями для подгот. МНЛЗ к разл., мин 60 Фонд рабочего времени эксплуатации МНЛЗ, сут. 290 Продолжительность всех ремонтов, сут. 75 Тип сталеплавильного агрегата конвертер Количество конвертеров, шт 3 Садка, т 50 Длительность плавки, мин 34
СодержаниеВведение1 Определениетемпературы ликвидус исолидус стали, разливаемой на МНЛЗ
2 Скоростьнепрерывной разливки3 Расчетохлаждения заготовки3.1Определение толщины закристаллизовавшегося слоя и температуры на выходе изкристаллизатора
3.2 Определение температурыповерхности по длине заготовки и расхода воды на охлаждение в ЗВО4 Выбор формы технологической оси
4.1 Базовый радиус МНЛЗ
4.2Выпрямление непрерывнолитой заготовки
5 Производительность МНЛЗ
5.1 Пропускная способностьМНЛЗ5.2 Состав и подготовка МНЛЗ к разливке
5.3Количество МНЛЗ в сталеплавильном цехе
Списокссылок
Приложение 1.Графическое изображение расчетных параметров.
Приложение 2. Результатырасчета.
Введение
Последние годы на Украине наметились тенденции по всесторонней модернизациисталеплавильного комплекса. Ориентируясь на передовой мировой опыт одними из основныхпутей эффективного перевооружения отрасли могут быть внедрение передовых схемвнепечной обработки стали и установок непрерывной разливки.
Программа развития металлургическогокомплекса Украины до 2010 года включает значительное изменение структуры сталеплавильногопроизводства, а именно снижение доли мартеновской стали и разливки металла визложницы в общем объеме металлопродукции. Значительное повышение доли конвертернойи электростали, а также увеличение объемов металла разливаемого на МНЛЗ может существенноповысить конкурентоспособность продукции отечественной металлургии.
В настоящее время успешнозавершена реконструкия сталеплавильного производства на Донецком металлургическомзаводе (реконструированы мощности по выплавке и непрерывной разливке электростали)быстрыми темпами перевооружается Енакиевский металлургический завод (сооружениеустановки печь-ковш и шестиручьевой радиальной МНЛЗ), на очереди Кривой Рог,Запорожье, Мариуполь.
Данная курсовая работапосвящена расчету основных технологических, теплотехнических, конструктивных иэксплуатационных параметров МНЛЗ.
1. Определение температурыликвидуси солидусстали,разливаемой на МНЛЗ
При непрерывнойразливке стали очень важно поддержание оптимального уровня температурыразливаемого металла.
Точный расчет иподдержание температуры металла при разливке необходим для обеспечения высокогокачества НЛЗ и стабильности процесса разливки.
Повышенный перегрев металла над температурой ликвидусаспособствует увеличению трещиночувствительности заготовок, развитию столбчатойструктуры слитка и таких дефектов макроструктуры, как осевая ликвация ицентральная пористость. Кроме того, чрезмерно высокая температура разлива-емогометалла может привести к прорывам НЛЗ по трещинам. При увеличении температурыметалла в промковше выше оптимальной величины требуется снижение уровняскоростей вытягивания НЛЗ (ориентировочно, превышение оптимальнойтемпературы разливки на 10 0С требует снижения скорости разли-вки на5 %).
Необходимаятемпература металла в промежуточном ковше рассчитывается исходя из температурыликвидуса для каждой марки стали.
Определим температуру ликвидус заданной марки стали, приняв следующийхимический состав,%:
0,50 С, 1,8 Si, 0,8 Мn, 0,3 Cr, 0,4 Ni, 0,02 S, 0,02 P.
Расчет температурыликвидус стали, производится по формуле:
Тл =1534–tсн (1.1)
где tсн – снижение температуры плавления железа из-за присутствияв нем примесей которое определяется по формуле:
tсн =К1´[C, %]+К2´[Mn,%+Si,%+ Cr,%+ Ni,%+P,%+S,%] 0С, (1.2)
где К1и К2–коэффициенты для различных химических элементов в стали;
[C,%; Mn,%; Si,%; Cr,%, Ni,%, P,%; S,% ] – содержание химическихэлементов в стали (Заданные значениякоэффициентов для различных химических элемен-тов в стали для расчета температуры ликвидус представлены втаблицах 1-2 [1]).
Таблица 1 – Коэффициент К1 при заданном содержании углерода в стали для расчета температуры ликвидусСодержание углерода в стали, % 0,51 ¸ 0,60
К1 86
Таблица 2 – Коэффициенты К2 различных химических элементов в сталидля расчета температуры ликвидусаХимический элемент Mn Si Cr Ni P S
К2* 5 8 1,5 4 30 25
Расчетная температураликвидус составит:
tсн=К1´[C, %]+К2´[Mn,%+Si,%+ Cr,%+ Ni,%+P,%+S,%]= 86´0,56+5´0,75+8´1,75+ 1,5 ´0,3+ 0,4 ´4+0,02 ´30+0,02 ´25=73 оС,
Тл =1534–tсн =1534 – 73=1461 оС.
Рекомендуемая величинаперегрева металла в промежуточном ковше над температурой ликвидуса во времяразливки на МНЛЗ для низко – и среднеуглеродистых марок стали составляет 30 ¸ 35 ºС.
Предполагаемыепотери температуры металла в ходе разливки:
— в промковше завремя разливки одной плавки – 5 ¸ 10 ºС;
— при переливе металлаиз сталеразливочного в промежуточный ковш – 30 ¸ 40 ºС (в зависимости от типа футеровкипромковша и номера плавки в серии).
Рекомендуемое превышение температуры металла всталеразливочном ковше перед разливкой на МНЛЗ должно составлять:
65÷85 ° С– для низко – и среднеуглеродистых марок стали;
Определимтемпературу солидус стали, содержащей, %:
0,56 С, 0,75 Mn и 1,8 Si. Влиянием фосфора и серы сконцентрациями до 0,025 % можем пренебречь.
Рассмотримуравнения, аппроксимирующие в данной области линию солидуса соответствующейбинарной диаграммы.
В интервале (0,15¸0,8) С действительновыражение:
/> (1.3)
Для марганцаЛ.Кухарем [2] было выведено подобноесоотношение:
/> (1.4)
а для кремния им же предложенаформула
/> (1.5)
где NC, NMn, NSi – концентрация, % (ат.), указанныхэлементов.
Процентные (помассе) содержания элементов пересчитаем на атомне
/> (1.6)
где />/> –относительная масса элемента.
По этомуотношению 0,56 % С º2,5541 % (ат.), 0,75 Mnº0,7615 % (ат.), 1,8 % Siº3,5272% (ат.).
Теперь подставимконцентрации NC, NMn и NSi в уравнения (1.3) – (1.4) ирассчитаем снижения температуры солидус: DtC = -97,49 oC, DtMn = -5,77 oC,
DtSi = -35,31 oC.
Суммарноеснижение температуры солидус DtS = -138,56 oC, а температура солидус tS = 1534-139=1395 oC.
2.Скорость непрерывной разливки
При определениискорости разливки металла на машинах полунепрерывного (МПНЛЗ) и непрерывного(МНЛЗ) литья заготовок исходят из того,что в кристаллизаторе должна получаться корочка такой толщины, чтобы по выходеиз кристаллизатора она бы не порвалась под действием жидкого металла [3].
Скоростьразливки зависит от целого ряда факторов: сечение, марка, тип УНРС и влияет напроизводительность, качество, массу оборудования – стоимость МНЛЗ.
Предварительнаяоценка скорости может быть произведена также по формуле:
/> (2.1)
k– коэффициент, зависящий от марки стали и назначения готовой продукции;при отливке квадратных заготовок k=0,11-0,14.
Приотливке блюмов из стали обыкновенного качества следует выбирать максимальноезначение коэффициента.
После подстановкисоответствующих значений в уравнение (2.5) получим скорость разливки:
wmin=0,11*(1+0,8/0,8)/0,8=2,75
wmax=0,14*(1+0,8/0,8)/0,8=3,5
wcp=0,125*(1+0,8/0,8)/0,8=3,13
ГИПРОМЕЗОМ рекомендуются следующие скорости разливки:
для заданного сечения заготовки
а´в, мм2 80´80
w, м/мин 2,75-3,5
Однако этискорости могут быть рекомендованы для случая, когда разливка плавок на МНЛЗпроизводится одиночными плавками. В случае серийной разливки методом плавка наплавку время разливки на МНЛЗ необходимо согласовывать с продолжительностьюплавки в сталеплавильном агрегате и ритмом подачи ковшей с металлом в отделениенепрерывной разливки.
Для дальнейших расчетоввыбираем скорость разливки 3,13 м/мин.
3. Расчетохлаждения заготовки 3.1 Определение толщины закристаллизовавшегося слоя итемпературы на выходе из кристаллизатора
Анализ процессазатвердевания заготовки в кристаллизаторе провел Хилс [5]. Расчет теплового поля заготовкиведет к полиному, константы которого рассчитывают с учетом поверхностныхусловий. Уравнения и результаты даны в безразмерных параметрах, что позволяетлегко применять их для произвольных исходных данных и размеров заготовки.
Расчетом установленытолщина застывшей корки в зависимости от расстояния от уровня металла,температура на поверхности заготовки и тепло, отведенное кристаллизатором.
Для определениятолщины корки в кристаллизаторе />,температуры поверхности заготовки и количества отведенного тепла /> В.Д. Хилс [5] установил ряд упрощенныхсоотношений, которые в системе СИ имеют вид:
/> (3.1)
/> (3.2)
/> (3.3)
Безразмерноерасстояние от уровня стали в кристаллизаторе
/>, (3.4)
где х — реальное расстояние, м;
/> - время нахождения заготовки на глубинех в кристаллизаторе, с; v — скорость заливки, м*с-1; /> - коэффициент теплоотдачи отповерхности заготовки к охлаждающей воде, Вт*м-2 *K-1:
/> (3.5)
где d — толщина зазора между заготовкой истенкой кристаллизатора; />-коэффициент теплопроводности жидкого вещества в зазоре; /> - толщина медной стенкикристаллизатора;/> - коэффициент теплопроводности меди; /> - коэффициент теплоотдачи от внешнейстороны медной стенки кристаллизатора к охлаждающей воде (определяют покритериальным соотношениям).
Хилс использовалуравнение Nu = 0,023 (Re)0,8 (Pr)0,33 и параметры: Y- эффективная длина кристаллизатора,м (соответствует уровню стали в кристаллизаторе); /> - безразмерная длина кристаллизатора; /> - безразмерная толщина застывшей стали;/> - реальная толщина застывшей корки, м; /> - безразмерная температура поверхностизаготовки; /> - реальная температура поверхностизаготовки, °С; />-температура солидуса;Н' = L1/(ctS) — безразмерное общее теплозатвердевания; L1- реальная скрытая теплотазатвердевания (включая теплоту перегрева) /> (здесьt1 — температура разливаемой стали); /> - безразмерное тепло, отведенное отчасти заготовки длиной х, приходящееся на единицу окружности кристаллизатора; /> - реальное тепло, отведенное из частизаготовки длиной х, приходящееся на единицу окружности кристаллизатора заединицу времени.
Для расчетатемпературы застывшей корки в кристаллизаторе К. Фекете [6] разработал примерные упрощенныеметоды.
Он исходит израссуждений, что кристаллизатор в МНЛЗ является теплообменником, работающимпротивоточно, так что можно считать, что разливаемая сталь охлаждаетсяпроточной водой.Им получено соотношение:
/>, (3.6)
где />-разность температур междужидкой сталью и охлаждающей кристалли-затор водой; />-разностьтемператур обоих веществ при входе в кристаллиза-тор; />-коэффициенттеплоотдачи, Вт* м-2 *К-1; />-охлаждающая внутренняя поверхность кристаллизатора, м2;/> - энтальпия стали; /> - энтальпия воды, равная />; />-внутреннее сечениекристаллизатора, м; v-скорость вытягивания, м*с -1;/> - плотность застывшей стали, кг*м -3;с — теплоемкость ста-ли, Дж * кг –1* К-1.
Наосновании известных результатов изучения отвода тепла, проведен-ного X. Крайнером и Б. Тарманном [7], а также И.Саважем и В.Х. Притчардом [2], К. Фекете составилуравнение для отвода тепла кристаллизатором:
/> />.(3.7)
Для определениясредней плотности теплового потока /> откристаллиза-тора на данном расстоянии хот уровня стали в кристаллизаторе необходимо проинтегрировать предыдущеесоотношение:
/>; (3.8)
/> />, (3.9)
где /> - время, с.
При описаниипередачи тепла от твердого тела к обтекающей его жидко-сти или газу имеется в видутеплообмен. Количество тепла Q, Дж, переходящее с поверхности тела в окружающую среду, определяют поформуле Ньютона:
/>/> (3.10)
где /> — коэффициент теплоотдачи,Вт м-2 К-1; tп – температура поверхности тела, 0С; tср – температура окружающей среды, 0С;S – охлаждаемая площадь, м2;/> - время, с.
Согласноуравнению Ньютона получим:
/> (3.11)
где />, К — среднелогарифмическаяразность температур в кристаллиза-торе между сталью и охлаждающей водой:
/>/> (3.12)
Здесь /> /> (индекс 1 относится кстали, 2 — к воде; р — для температуры входа; к — выхода).
Из теории расчетатеплового обмена известно, что среднелогарифмическую разность можно заменитьсреднеарифметической, если
/>
По-видимому, этиусловия при разливке стали на МНЛЗ будут всегда выполняться:
/> (3.13)
/> (3.14)
При этомупрощении коэффициент теплоотдачи из уравнения (3.11) будет выражен следующим образом:
/>/> (3.15)
Теперь подставимсоотношение под уравнением (3.11) и (3.15) в уравнение (3.6) и одновременнозаменим по предполагаемым температурным разностям /> и/> выражения:
/>, (3.16)
/> (3.17)
В результатеполучим из уравнения (3.6):
/> (3.18)
В уравнение (3.17) следует еще подставить выражение,которое определяет количество общего тепла затвердевания в зависимости отвремени. Если толщина корки
/> (3.19)
Общий объемзастывшей корки на расстоянии х от уровня стали, то:
/> /> (3.20)
Количествоосвободившегося общего тепла />, />, которое должны отвести завремя /> через единицу поверхности />, выражают как плотностьтеплового потока:
/> (3.21)
Получимокончательный вид уравнения для расчета средней температуры застывшего слояметалла в кристаллизаторе, который будет иметь вид:
/>, (3.22)
Где />
Градиенттемпературы в застывшей корке стали определим графически с помощью двух точек вкоординатах:
/>, (3.23)
соответствующихгранице зоны кристаллизации с температурой />,и
/> (3.24)
Рассчитаемтемпературу поверхности заготовки в кристаллизаторе размером а = 0,175 м; b = 0,175 м через 6,5 с после начала разливки и далее через каждые 5 с до выхода заготовки из кристаллизатора.
Для расчетапринимаем:
S=0,63 />; />=7055 />; с= 545 />;/> /> /> /> /> />;
высотакристаллизатора h = 0,9 м.
Время движениязаготовки в кристаллизаторе
/>=41,5 с.
За первые 6,5 с заготовка пройдет путь 0,021667*6,5 = 0,141 м, а соответствующая площадь кристаллизатора />= 0,63*(6,5/41,5)=0,099 />. По уравнению (3.21) определим:
/>
По уравнению (3.9) рассчитаем />:
/>
Температуру /> определим последовательнымприближением (итерацией). В калькулятор вводим оцениваемую величину и послевычисления с помощью уравнений (3.22) добавляем в /> уточненноезначение, чем достигаем желаемой точнoсти результатов. 1. Оценочная />=1460, /> (расчетная)=1481,7. 2. Оценочная />=1481,7, /> (расчетная)=1481,9.Таким образом, />=1482°С.
Аналогично приопределении примерной температуры затвердевшего слоя заготовки на выходе из кристаллизатора (т.ечерез 41,5 с) получим:
/>
После подстановкив уравнение (3.22) определим температуру спомощью итерации. 1. Оценочная/>=1400, />(расчетная)=1332,7; 2. Оценочная />=1332,7 />(расчетная)=1328,7; 3. Оценочная />=1328,7 />(расчетная)=1328,5.
/> =1329°С.
Граничные и промежуточныеданные расчетов представлены в таблице 3.
Таким образом, средняя температура затвердевшегослоя стали в кристаллизаторе через 6,5 с после начала разливки составляет 1482°С, через 41,5 с (на выходе из кристаллизатора)она равна 1329°С.
Таблица 3. Результатырасчета температуры закристаллизовавшегося слоя и толщины корки по ходу движенияслитка в кристаллизатореПараметры Время движения слитка в кристаллизаторе, с 6,5 11,5 16,5 21,5 26,5 31,5 36,5 41,5 Пройденный путь, м 0,141 0,25 0,358 0,466 0,574 0,683 0,791 0,9
Площадь крист-ра, м2 0,099 0,174 0,25 0,326 0,402 0,478 0,554 0,63
Колич. освободивш. тепла, МВт/м2 1,503 1,117 0,924 0,803 0,718 0,654 0,604 0,563
Ср. плотн. теплового потока, МВт/м2 2,272 2,081 1,913 1,767 1,639 1,526 1,428 1,341
Средняя температура застывшего слоя, оС 1482 1448 1418 1393 1373 1355 1341 1329 Толщ. закристаллиз. корочки, мм 7,9 10,51 12,59 14,37 15,96 17,4 18,73 19,97
Координата у1, мм 79,6 76,99 74,9 73,13 71,54 70,1 68,77 67,53
Координата у2, мм 83,5 82,24 81,2 80,31 79,52 78,8 78,14 77,51
Температуру наповерхности слитка определим графически с помощью выражений (3.23) и (3.24) (Приложение 1, рис. 1). Толщина корки /> поформуле (3.19) через 6,5с будет /> мм,а через 41,5 с /> мм.
Температураповерхности через 6,5 с составляет 1445°С, температура /> через 41,5с на выходе из кристаллизатора равна1190°С.
3.2 Определениетемпературы поверхности по длине заготовки и расхода воды на охлаждение в ЗВО
Для выбора режимаохлаждения в зависимости от разливаемой стали (температуры поверхности слитка вконце ЗВО) и скорости вытягивания слитка задается кривая температурыповерхности по длине слитка. Эта кривая выбирается из условия минимизациитермических напряжений в непрерывнолитом слитке, что достигается равенствомскоростей охлаждения слоев металла, рас-положенных у фронта кристаллизации и на поверхности:
/>.
Решение этогоравенства позволило получить следующее уравнение:
/>, (3.25)
где qо = to/tr –относительная температура поверхностии заготовки на выходе из кристаллизатора; to –температураповерхности слитка на выходе из кристаллизатора, оС; tr –температура кристаллизации стали, оС; qк = tк/tr– относительная температураповерхности заготовки в конце затвердевания; (tк – температура поверхности слитка в конце затвердевания, оС); а –толщина слитка; dо–толщина оболочки слитка при выходеиз кристаллизатора.
Как следует изуравнения, если заданы толщина оболочки, температура поверхности слитка навыходе из кристаллизатора и температура поверхности слитка в конце зонызатвердевания, то для каждого размера заготовки и скорости вытягиваниясуществует определенная закономерность изменения температуры поверхности слиткапо его длине, при которой коэффициент j имеет максимальное постоянноезначение на всем участке охлаждения.
Так как коэффициент j постоянен, то для любогоучастка зоны вторичного охлаждения можно записать:
/>, (3.26)
где qn и d – относительная температураи толщина оболочки слитка в момент времени t;
/>
Если известнораспределение температуры по длине слитка, то приведенное уравнение позволяетопределить толщину оболочки слитка в любой момент времени t.
Время достижениясоответствующей температуры поверхности определяется из выражения:
/>,(3.27)
где r – плотность жидкой стали; qк – скрытая теплота плавления стали;
l – коэффициенттеплопроводности стали.
Уравнения (3.26), (3.27) позволяют построить зависимости температуры поверхностислитка tn и толщины затвердевающейоболочки d от времени t или глубины жидкой лунки L для заданных скоростей разливки итемпературы поверхности слитка в конце затвердевания tк..
На основанииприведенных выше уравнений определим температуру поверхности по длине слиткапри разливке на МНЛЗ заданной марки стали.
Принимаемтемпературу поверхности слитка в конце затвердевания металла tк=9000С; теплоемкость затвердевшей стали С=0,545 кДж/(кг*К); теплопроводность стали l=29 Вт/(м*К);скрытую теплотузатвердевания qк=270 кДж/кг; коэффициенткристаллизации k=30 мм/мин0,5; эффективную высоту кристаллизатора Н=0,9 м.
По значению толщиныоболочки d и температуры поверхности tп слитка на выходе из кристаллизатора и температуреповерхности слитка в конце зоны затвердевания определяем из условий (t – время от начала выхода из кристаллизатора;L – расстояние от среза кристаллизатора) найдем
/>
Толщина оболочкислитка на выходе из кристаллизатора была определена выше и составляет 19,97 мм.
Температураповерхности слитка на выходе из кристаллизатора равна 1190 оС.
Относительнаятемпература поверхности слитка на выходе из кристаллизатора:
/>
в концезатвердевания слитка
/>
Тогда
/>
Используяуравнения (3.25), (3.26) и задаваясь температуройповерхности слитка, определим зависимости />
Время,необходимое для достижения температуры поверхности 11500С при j=0,51 составит
/>
Относительная температура поверхности:
/>
Определим
/>
После подстановкиполучим t=29,3 с или 0,49 мин.
Толщина оболочкислитка при tn=11500C
/> мм.
Расстояние точкис tn=11500C от нижнего среза кристаллизатора:
L=wt=1,3*0,49=0,63 м.
Распределениетемпературы поверхности и толщины корки слитка по длине непрерывнолитого слиткапри j=0,51 приведено в таблице 4.
Данные,приведенные на рис.2(Приложение 1),иллюстрируют распределение температуры поверхности по длине слитка и изменениетолщины закристаллизовавшейся оболочки.
Наличиераспределения температур по длине слитка и толщине оболочки позволяетопределить тепловые потоки на поверхности слитка, необходимые для отводафизической теплоты оболочки и теплоты кристаллизации qкр:
/>, (3.28)
/>, (3.29)
где tср1, tср2 – средняя температура оболочки вначале и конце участка охлаждения; d1, d2 – толщина оболочки в начале и вконце участка охлаждения; L1, L2 – расстояние от торца кристаллизатора на входе и выходе с участкаохлаждения; w – скорость вытягивания слитка; С –теплоемкость затвердевшего металла.
Таблица 4. Изменениетемпературы поверхности заготовки и толщины корки по длине непрерывного слитка.
tп, 0С….. 1190 1150 1100 1050 1000 950 900
Qo 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79 0,79
Qk 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
/> 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51 0,51
Qn 0,79 0,76 0,73 0,7 0,66 0,63 0,6
To 8,44 8,44 8,44 8,44 8,44 8,44 8,44
Tn 8,44 7,39 6,37 5,57 4,92 4,39 3,95 t, мин… 0,49 1,34 2,55 4,21 6,46 9,46 d, мм…. 19,97 25,86 34,56 44,9 57,05 71,17 87,5 L, м…… 0,63 1,75 3,31 5,47 8,39 12,3
Зная тепловойпоток и температуру поверхности, можно определить
/>
Для выполнениятребований по плавному изменению интенсивности охлаждения слитка по его длинедля стали различных марок и возможности регулирования длины участка водяногоохлаждения в зависимости от скорости литья и глубины жидкой лунки вся зонавторичного водяного охлаждения разбивается на отдельные секции. Каждая секцияобеспечивается самостоятельным подводом воды и установкой соответствующихфорсунок.
При расчетеосновных параметров систем вторичного охлаждения радиальных и криволинейныхмашин необходимо скорректировать плотность орошения слитка по малому радиусу засчет стекания воды, уменьшив его на 20…30 % по сравнению с большим радиусом.
Как показываетпрактика эксплуатации слябовых машин, протяженность зоны форсуночногоохлаждения по узким граням может быть сокращена на 20…30 %.
Определим расходводы на четырехроликовую секцию длиной l=1 м, расположенную на расстоянии L=2,0 м отмениска металла.
Как следует изуравнений (3.28), (3.29) необходимо определить среднюютемпературу и толщину оболочки в начале и конце участка охлаждения. По приведеннымчисловым данным и данным рис.2определим, что tп на входе в секцию составляет1130 0С, а на выходе из секции tп =10900С, соответственно толщина образовавшейся корки слитка навходе и выходе из секции соответственно составили d1 =30 и d2 =38 мм.
Принимаем с цельюупрощения расчета линейное изменение температу-ры по толщине корочки. Тогда
/>
/>
Суммарныйтепловой поток q наповерхности слитка, обусловленный отводом физической теплоты и теплотыкристаллизации, составит:
/>
а среднийкоэффициент теплоотдачи соответственно:
/>
Плотностьорошения на данном участке составит:
/>
Учитывая, чтосекция расположена практически вертикально, расход воды на грань по большомурадиусу и грань по малому радиусу будет одинаков, а общий расход воды на секцию составит:
/>
4.Выбор формы технологической оси
4.1 Базовый радиусМНЛЗ
Прииспользовании радиальных и криволинейных МНЛЗ при переводе слитка вгоризонтальное положение его приходится деформировать – разгибать. При разгибеили правке возникающие в слитке напряжения могут превысить предел прочности ипривести к образованию различного рода трещин. При этом необходимо принимать вовнимание отливаемый сортамент, сечение заготовки и условия охлаждения слитка,так как все эти параметры определяют допустимую величину деформации металла[8].
В случаерадиальной машины разгиб слитка, как правило, проводится полностью взатвердевшем состоянии в одной точке.
Одним из способовпредотвращения образования дефектов при разгибе слитка является при всех прочихравных условиях увеличение радиуса кривизны, что позволяет снизить величинудеформации и ее скорость. На основании опыта эксплуатации радиальных МНЛЗ иисследования влияния величины и скорости деформации при разгибе на качествонепрерывного слитка ПО «Урал-маш»выработало практические рекомендации для выбора минимального базо-вого радиуса в зависимости от толщиныслитка:
Толщина слитка а,мм……………..….£150 £200 £250 £315 £350
Базовый радиус Ro, м 5 6 8 10 12
Однако, какпоказывает опыт эксплуатации радиальных установок, при отливке различных мароксталей в ряде случаев приходится снижать скорость разливки стали из-запоявления внутренних горячих трещин в металле при его разгибе. Это обусловленотем, что к точке разгиба слиток приходит с температурой в его центральнойчасти, близкой к температуре кристаллизации. В области этих температурсуществует так называемый высокотемпературный интервал хрупкости,характеризуемый резко выраженным «провалом» прочностных и пластических свойствметалла. Для многих сталей он проявляется при температурах ³13000 С и выше.Так, предел прочности углеродистой стали в температурном интервале хрупкостиснижается до 1...10 МПа. Поэтому для предотвращения образования внутреннихтрещин необходимо при разгибе снижать скорость и величину деформации слоевметалла, находящихся в температурном интервале хрупкости.
Исследованиямеханических свойств стали при 1300…14500С позволили получитьуравнение для оценки допустимого базового радиуса технологической оси МНЛЗ сразгибом в одной точке в зависимости от разливаемой марки стали и интенсивностиохлаждения:
/> (4.1)
где а –толщинаслитка, м; w – скорость вытягивания слитка, м/мин; k –ко-эффициент затвердевания [для прямоугольных (плоских) слитков сбольшим отношением b/a (ширины к толщине) k=24…26 мм/мин0,5; для квадратныхи круглых k=28…30 мм/мин0,5]; eд – величина допустимой деформации слоевметалла в температурном интервале хрупкости [для малоуглеродистого, мелкозернистого металла можно принять eд=(0,5…0,8)*10-2; длясреднеуглеродистого и легированного металла eд=(0,3…0,5)*10-2 и длявысокоуглеродистого и сложно-легированногоeд=(0,15…0,3)*10-2]; q – коэффициент, учитывающийинтенсивность охлаждения слитка в ЗВО [q=0,7…0,85;меньшее значение относится к умеренной интенсивности, высокое к большей].
Следует отметить,что в реальных условиях при определении Ro необходимо корректировать скоростьразливки и интенсивность охлаждения для стали конкретной марки.
Определим базовыйрадиус установки непрерывной разливки стали.
Принимаем для данногосортамента следующие исходные данные: допустимая деформация внутренних слоев втемпературном интервале хрупкости eд£0,005; интенсивностьохлаждения – умеренная, q=0,75; скорость вытягивания слитка w=1,3 м/мин; коэффициент кристаллизации k=0,03 м/мин.
Базовый радиус
/>
При базовомрадиусе МНЛЗ Ro=5 м участок затвердевания(металлургическая длина) машины составит:
/>
Полное времязатвердевания заготовки сечением a´b–175´175 мм2 составит t=а2/4k2=1752/(4*302) = 8,5 мин.
Необходимая минимальнаяметаллургическая длина при скорости вытягивания слитка w=1,3 м/мин составит
/>
Следовательно, необходимоили увеличить радиус машины или уменьшить скорость вытягивания слитка. Сохраняяскорость вытягивания слитка w=1,3 м/мин, так как она определяет производительностьустановки, принимаем базовый радиус установки Ro=9 м. При этом радиусе LЗВО составит ~14,13 м,что обеспечит запас длины для возможного увеличения времени затвердевания более 25%.
4.2Выпрямление непрерывнолитой заготовки
Кристаллизующийсянепрерывнолитой слиток постоянно находится под действием внешних сил, величинаи характер которых определяются конструктивными параметрами МНЛЗ. Поэтому, для непрерывнолитогослитка характерно одновременное существование условий кристаллизации идеформирования, что определяет возможность образования дефектов, имеющихразличную природу.
Одним изсерьезных дефектов непрерывнолитых слитков являются внутренние горячие трещины.
Причинами,вызывающими образование внутренних трещин, могут быть усадочные или термическиенапряжения, а также воздействие внешних сил, характер и величина которых зависятот конструктивных параметров МНЛЗ.
Образованиевнутренних трещин под действием термических напряжений может бытьминимизировано за счет правильно организованного вторичного охлаждениязаготовок.
Повышенныедеформация НЛЗ могут происходить, также, при выпучи-вании корочки слитка отферростатического давления, под действием растягивающих нагрузок привытягивании формирующегося, при обжатии не полностью кристаллизовавшегосяслитка валками тянущей клети, а также при изгибе и выпрямлении заготовки вдвухфазном состоянии.
Ряд принятыхконструктивных решений позволил ограничить деформа-цию непрерывнолитого слитка.
Выпрямлениенепрерывнолитого слитка — это технологически необходимая операция на машинахнепрерывного литья заготовок криволинейного типа.
Конструктивныерешения таких важных узлов МНЛЗ как кристаллизатор, опорные роликовые секцииЗВО позволяют достичь на современных сортовых установках скорости вытягиваниязаготовок более 5 м/мин.
При этом глубиналунки жидкого металла может значительно превышать длину участка МНЛЗ спостоянным радиусом кривизны.
При выпрямлениинепрерывнолитого слитка с жидкой сердцевиной, теплофизические условиякристаллизации и охлаждения оказывают влияние на процесс образования внутреннихтрещин.
От того, какдолжна быть построена зона правки, обеспечивающая деформацию слитка вдвухфазном состоянии без образования трещин, зависит выбор типа МНЛЗ,предназначенных для производства заготовок из высококачествен-ных сталей.
Условияобразования трещин при правке непрерывнолитого слитка отличаются от условийобразования трещин при усадке, так как при правке образование трещин происходитпод действием растягивающих напряжений и связанной с ними деформацией,вызываемых внешними силами. Поэтому характер и величину деформации можноизменять за счет конструктивных параметров МНЛЗ, таких как радиус кривизны идлина радиального участка, кривизны и длины участка выпрямления и т.д.
Критерием образованиятрещин при правке и выборе рациональной кривой выпрямления является зависимость,представленная в виде:
e £ e*(Т)
где: e — фактическаяотносительная деформация выбранного слоя;
e* — допустимая относительнаядеформация для данной марки стали при температуре Т°.
Данный критерий основанна экспериментальных работах в области изучения горячих трещин в стальныхслитках.
Недостаткомпредложенного критерия является то, что он не учитывает кинетику развитиявнутренних деформаций и изменения деформационной способности кристаллизующегосяметалла, то есть не учитывает, что при кристаллизации одновременно протекаютвзаимосвязанные процессы – процесс агрегатного превращения, обуславливающийнепрерывное изменение механических свойств и процесс накопления деформаций.
Исследованиемеханических свойств различных сталей при высоких температурах обнаруживаетважную закономерность:
все стали в определенноминтервале температур имеют резко выраженный провал прочности и пластичности.Этот интервал, названный температурным интервалом хрупкости, характеризуетсянизкими значениями механических характеристик, имеет различную величину изависит от химического состава стали.
Условие, при котором суменьшением скорости деформации предельно допустимые деформации увеличиваются, явилосьосновной предпосылкой выпрямлять не полностью затвердевший слиток не в однойточке, а на участке зоны вторичного охлаждения некоторой длины, чтобызначительно уменьшить скорость деформации.
Рассчитаем кривуюплавного выпрямления слитка с жидкой сердцевиной сечением а´в=175´175 мм2 при отливке среднеуглеродистых илегированных сталей. Базовый радиус кривизны радиального участка R0=9 м, скорость вытягивания слитка 1,3 м/мин, расстояние между точкамиправки t=1 м.
Принимаемкоэффициент кристаллизации k=30 мм/мин0,5 икоэффициент интенсивности охлаждения />=0,75,точку перехода от радиального участка к криволинейному при относительной толщинезакристаллизовавшейся оболочки (отношение двух толщин корки к толщинезаготовки) с=0,6, допустимую деформацию eд=0,005.
Полное времякристаллизации слитка составит:
/>мин.
При с=0,6 толщина закристаллизовавшейсяоболочки к моменту разгиба слитка будет:
/>мм.Время движения слитка к точкеразгиба
/> мин.
Расстояние отнейтральной оси до опасного слоя:
у=dq=52,5*0,75=39,38 мм; у=0,0394 м.
Время нахождениядеформируемого слоя в температурном интервале хрупкости:
/> мин.
Радиус первойточки правки слитка:
/>
/>м.
Если принять зацентр координат точку окончания радиального участка, то координата первой точкиправки будет:
/>
Радиус кривизнывторой точки правки:
/>
координата точкиправки:
/>
Радиус кривизнытретьей точки:
/>
/>
Так как в третьей точкеполучен отрицательный радиус, то выбираем криволинейную МНЛЗ с двумя точками правки.
По полученным даннымстроим кривую плавного выпрямления (Приложение 1, рис.3.).
5. Производительность МНЛЗ
5.1 Пропускнаяспособность МНЛЗ
Пропускнаяспособность МНЛЗ для заданного профиля отливаемого слитка или заготовкирассчитывается по формуле, т/год.
/>, (5.1)
Пропускнаяспособность установленной МНЛЗ равна, т/год:
/> (5.2)
где Рi – пропускная способность приотливке заготовки определенного сечения, т/год; ki – доля заготовки данного типоразмера,отливаемого на МНЛЗ, доли единицы; n – количествоплавок в серии при разливке методом плавка на плавку (для сортовых n=4-10); М – масса металла, равная вместимости сталеразливочного ковша т; Ф – фонд времени работы установки непрерывной разливки стали, сут; t1– время разливки стали из сталеразливочного ковша, мин; t2 – пауза, время подготовки машины кприему плавки без изменения размеров слитка, мин; j1 – коэффициент, учитывающий степень загрузки оборудования (для сортовых j1 =0,85).
Фонд рабочеговремени работы МНЛЗсоставляет обычно 290-315 суток вгоду и определяетсяпо формуле; сут;
/> (5.3)
где Тк – продолжительностькапитального ремонта установки непрерывной разливки стали – 10 суток; Тп.п.– продолжительность планово-предупредительныхремонтов, как правило, еженедельно, установка останавливаетсяна 8 ч и производственно предупредительный ремонт с заменой отдельных узловМНЛЗ, регулировкой системы охлаждения и всей технологической линии.
Учитывая, что вгоду 52 недели общаяпродолжительность простоев ма-шины, связанная с планово-предупредительнымиремонтами составит
Тп.п.=8*52/24=17,3сут.
Тт –продолжительность текущих ремонтов – зависит от количества типоразмеровзаготовки, отливаемой на МНЛЗ, т.к. требуется при этом замена кристаллизаторови верхней секции охлаждения, устранить прорывы металла и других аварийныхситуаций. В зависимости от типоразмера заготовки и марки стали 23-30 суток вгод.5.2 Состав и подготовка МНЛЗ к разливке
Времяпаузы между отдельными плавками или сериями плавок необходимо для подготовкиМНЛЗ без изменения размера заготовки. Подготовка машины складывается изследующих операций: опорожнение промежуточного ковша, перестановка в резервную позицию и передача ковша на обработку иремонт; вывод слитка из каждого ручья; очистка стенок кристаллизатора и егоосмотр; осмотр основных узлов и очистка их от грязи и окалины; проверка, чист-ка и замена форсунок ЗВО; ввод затравки в каждый ручей МНЛЗ и уплотнениеголовок затравок относительно стенок кристаллизаторов; установка промежуточногоковша, проверка стопоров и разливочных стаканов; установка сталеразливочногоковша в рабочее положение, установка защитных труб и стаканов для разливкиметалла под уровень; открытие стакана сталеразливочного ковша и наполнениеметаллом промежуточного ковша. Ряд операций по подготовке установок к плавкепроизводится одновременно, по этому продолжительность паузы между сериямисоставляет 60 мин.
Продолжительностьразливки одного ковша определяется сечением заготовки, маркой стали, типоммашины и может быть определена по формуле:/>
/> (5.4)
М – массаметалла в ковше кг; N – количестворучьев; w – скорость разли-вки (вытягивания) заготовки,м/мин; q=а*в*r – масса 1 м (погонного) заготовки кг; а, в – толщина и шириназаготовки, r – плотность стали, кг/м3; j2=0,9– коэффициент, учитывающий потери времени при разливке.
Продолжительностьразливки t1 не должно превышать максимальнодопустимого времени разливки из сталеразливочного ковша. Максимально допустимаяпродолжительность разливки, обусловленная тепловыми потерями для ковшейразличной вместимости, составляет:
Вместимостьковша, м 50 100 160 200 300 400
Времяразливки, мин. 60 75 85 90 110 120
Этообусловлено тепловыми потерями ковшей.
Количестворучьев МНЛЗ и количество машин в отделении определяются в зависимости отсортамента разливаемой стали и сечения слитка, вместимости сталеплавильногоагрегата и ритма подачи сталеразливочных ковшей в отделение. При выборе МНЛЗдля определения количества ручьев следует пользоваться выражением:
/>, (5.5)
t3 – допустимое время разливки, мин.
Следует учитывать, что увеличение числа ручьев усложняет конструкцию иобслуживание МНЛЗ, увеличивает необходиму площадь под МНЛЗ и капитальныезатраты. Уменьшение количества ручьев МНЛЗ ведет к увеличению количестваустановленных в цехе МНЛЗ и соответственно к росту капитальных затрат.
При отливке на МНЛЗ расширенного сортамента сталей состав МНЛЗ (требуемоеколичество ручьев) следует рассчитывать по наиболее трудоемкому (минимальному)сечению.
В настоящее время находятся в эксплуатации сортовые машины с количествомручьев до восьми, блюмовые до четырех, слябовые до двух. Проектируются слябовыемашины для отливки слитков шириной 900…1400 мм с четырьмя ручьями.
5.3 Количество МНЛЗ в сталеплавильном цехе
Количество МНЛЗ в отделении непрерывной разливки стали составляет:
В=В1+ В2, (5.6)
где В1, В2 – количество работающих и резервныхмашин соответственно.
В случае работы установок непрерывной разливки стали с разливкой толькоодиночными плавками количество МНЛЗ определяется из условия:
В1=А/Р, (5.7)
где А – производство жидкой стали в цехе; Р – пропускная способностьМНЛЗ.
В случае работы МНЛЗ с разливкой плавок сериями методом плавка на плавкуколичество машин определяется как:
В1 = t1/tр+1, (5.8)
где =tр – ритмподачи ковшей в отделение.
Следует отметить, что кратность подачи t1/tр ковшей в отделение должна быть целым числом, впротивном случае необходимо изменить продолжительность разливки стали на МНЛЗза счет изменения скорости разливки или состава МНЛЗ.
Количество резервных машин может быть найдено как:
В2=(Т*В1)/365, (5.9)
где Т – продолжительность всех видов ремонтов, сут: Т=70…75 сут.
Как показывает опыт эксплуатации отделений непрерывной разливки стали,коэффициент использования МНЛЗ составляет 0,7…0,9 (70…90 %) от мощностиустановленных МНЛЗ.
Определяем количество МНЛЗ и ихпроизводительность в составе конвертерного цеха, состоящего из трех конвертероввместимостью 50 т. Металл разливается на заготовки сечением 175´175 мм2.
Стали –углеродистые обычного качества и низколегированные конструкционные стали.
Продолжительностьплавки в конвертере 34 мин.
Скорость разливки стали w=1,3 м/мин.
Кислородно-конвертерныйцех работает по системе: два конвертера в работе, один в резерве.
Ритм подачиковшей в отделение непрерывной разливки стали составит tр = 34: 2 = 17 мин, а производительностьконвертерного цеха по жидкой стали:
/>т.
Состав МНЛЗ(количество ручьев) при допустимом времени разливки t3=60 мин составит:
/>
Принимаем кустановке машины с четырьмя ручьями.
Время разливки t1 на четырехручьевой МНЛЗ при скорости разливки w=1,3 м/мин будет:
/>/>
Принимаемпродолжительность разливки t1=51 мин. Кратность разливки t1/tр составит 51:17=3; скорость разливки w=1,26.
Пропускнаяспособность (мощность) МНЛЗ при разливке стали сериями по шесть плавоксоставит:
/>т.
Количествоработающих МНЛЗ:
В1=t1/tр+1=51/17+1=4.
Количество МНЛЗ,находящихся в резерве:
В2=ТВ1/365=75*4/365=0,82.
Принимаем В2=1./>
Общее количествоМНЛЗ составит:
В=В1+В2=4+1=5.
Производительностьустановленной МНЛЗ:
Р=А/В=1,545882*106/5=0,309*106 т.
Список ссылок
1.Скворцов А.А., Акименко А.Д. Теплопередача и затвердевание стали в установкахнепрерывной разливки. – М.: Металлургиздат, 1966.
2. Savage J., PritchardW.H. — JISI, 1954, 178, s. 813.
3. Физико-химические расчеты электросталеплавильныхпроцессов: Учеб. пособие для вузов / Григорян В.А., Стомахин А.Я., ПономаренкоА.Г. и др. — М.: Металлургия, 1989. 288 с.
4. Глазков А.Я., Моргалев Б.Н., Чигринов М.Г., ЛобановВ.В. Производство мелких непрерывнолитых заготовок. М.: Металлургия, 1975. 104 с.
5. Hills A.W.D. — JISI,1965, January, s. 18-26.
6. Fekete K. — Berg- und HüttenmännischeMonatshefte, 1969, 1, s. 19-21.
7. Krainer H., Tarmann B.- Stahl und Eisen, 1949, 69, s. 813.
8. Конструкции и проектирование агрегатовсталеплавильного производства. /Григорьев В.П., Нечкин Ю.М., Егоров А.В.,Никольский Л.Е.: Учебник для вузов. — М.: МИСИС. 1995. — 512 с.
6. Результаты расчета№ п/п Расчетный параметр Значение
Температура ликвидус, оС 1510
Температура солидус, оС 1487 Допустимая скорость разливки, м/мин 0,87 Выбранная скорость разливки, м/мин 1,3 Допустимая глубина жидкой фазы, м 5,71 Толщина корки стали на выходе из кристаллизатора, мм 19,97
Средняя тем. закристаллизов-ся слоя на вых. из кр-ра, оС 1329
Температура поверхности заготовки на вых. из кр-ра, оС 1190 Время движения слитка в кристаллизаторе, с 41,5 Время движения слитка в ЗВО до полного затверд., мин 9,46 Расстояние от низа кр-ра до полного затверд. загот., м 12,3 Температура на входе в секцию ЗВО, оС 1130 Температура на выходе из секции ЗВО, оС 1090 Толщина корки на входе в секцию ЗВО, мм 30 Толщина корки на выходе из секции ЗВО, мм 38 Расход воды на секцию охлаждения, м3/ч 3,2
Суммарный тепловой поток на поверхн. слитка, кВт/м2 358,5
Средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м2*К 323
Плотность орошения, м3/(м2*ч) 4,57 Базовый радиус, м 9 Минимально необходимая металлург. длина машины, м 11,06 Длина участка затвердевания с выбранным радиусом, м 14,13 Толщина корки к моменту разгиба слитка, мм 52,5 Время движения слитка от кр-ра к точке разгиба, мин 3,06 Время нахождения деформ. слоя в темп. инт. хрупк., мин 2,38
Радиус точек правки, м R1 14,26
R2 34,37
R3 -83,93 Ритм подачи ковшей, мин 17 Производительность конвертерного цеха, т 1545882 Расчетное количество ручьев МНЛЗ, шт 3,3 Выбранное количество ручьев МНЛЗ, шт 4 Расчетное время разливки, мин 49 Выбранное время разливки, мин 51 Уточненная скорость разливки, м/мин 1,26 Пропускная способность МНЛЗ, тыс.т 0,303 Количество работающих МНЛЗ, шт 4 Количество резервных МНЛЗ, шт 1 Производительность установленной МНЛЗ, тыс.т 0,309