CC BY
8
16 im
2006 -
Л ИТЕЙНОГО"
ПРОИЗВОДСТВ»^
The temperatures of the round ingot, produced in the machine of continuous casting with bending radius 5 meters, are calculated by means of numerical calculation. The dependence of the temperature in the field of ingot cutting on speed of the ingot moving and coefficients of the zones of primary and secondary cooling is determined.
A. H. ЧИЧКО, БИТУ, В. А. МАТОЧКИН, РУП«БМЗ»,Д. M. КУКУЙ, БНТУ, M. А. МУРИКОВ, А. В. ДЕМИН, РУП«БМЗ», О. И. ЧИЧКО, БИТУ
УДК 519:669.27
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КРУГЛОГО СЛИТКА В ОБЛАСТИ РАСКРОЯ ПРИ ЕГО ВЫТЯЖКЕ НА МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК МАЛОГО РАДИУСА
Известно, что при получении слитков на некоторых машинах непрерывной разливки стали возникает необходимость в достижении требуемой температуры поверхности слитка в области его раскроя. В частности, на Белорусском металлургическом заводе на МНЛЗ-1 технологически должна обеспечиваться температура в интервале 850-900°С в области раскроя слитка на участке выпрямления. Представляет научный и практический интерес оценить теоретически температуру поверхности круглой заготовки в области ее резки для различных технологических режимов вытяжки.
Целью настоящей работы является исследование влияния технологических факторов (скорости вытяжки слитка, температуры заливки, степени охлаждения слитка в кристаллизаторе и зонах вторичного охлаждения) на температуру поверхности круглого слитка в области его раскроя.
В качестве метода для определения температуры использовали математические модели, представленные в [1—5]:
ЭГ Эх
1
с(Т)р
FX + FV + FZ+Q,
sol
кр
Эх
(1)
где
F,=
Э ЧТ)
эт
di
di
если R(x,y,z)e -ИТ-Т
di
Х(Т)^-к(Т-Тср)
(2)
di
если R(x,y,z)^Q>
— 25°С); х. — время; Х(Т) — коэффициент теплопроводности материала при температуре Т; с(Т)
— удельная теплоемкость материала при температуре Т\ — плотность твердой фазы; рИс — плотность жидкой фазы; р=р8о1+рИч ~~ относительная плотность материала; х, у, г ~ декартовы координаты; 0кр — удельная теплота кристаллизации металла; к — коэффициент теплоотдачи поверхности металла в охлаждающую среду; —
пространство точек металла; Ц
М-ср
пространство
М-ср >
Т - температура в точках х, у, г слитка; Тср -температура внешней среды (постоянная величина
точек границы металл—среда.
На основе уравнений (1) и (2), используя конечно-разностные аппроксимации, были проведены расчеты температурного поля слитка, движущегося с заданной скоростью в МНЛЗ-1, используемой на БМЗ. В качестве основного рассчитываемого параметра использовали температуру поверхности слитка 7^=13. Уровень скоростей вытяжки принимали равным \)=2,5, 3,0, 3,5 м/с. Диаметр круглых заготовок выбирали 80, 100, 120 и 140 мм. В качестве исходных технологических параметров (размеры рассчитываемой схемы соответствуют МНЛЗ-1) использовали:
• коэффициенты теплоотвода в кристаллизаторе - 2400; 3200; 4000 Вт/(м2-К);
• коэффициенты теплоотвода зоны 1 — 1500 2000; 2500 Вт/(м2-К);
• коэффициенты теплоотвода зоны 2 — 1200 1600; 2000 Вт/(м2 • К);
• коэффициенты теплоотвода зоны 3 — 1100 1466; 1833 Вт/(м2 • К);
• коэффициенты теплоотвода на воздухе — 150 Вт/(м2 • К);
• коэффициенты теплоотвода роликов -800 Вт/(м2 • К);
• температура охлаждаемого ролика — 200°С;
• температура неохлаждаемого ролика -600°С.
уггггг: г: [гхшг^РП^ /17
- 1 (37). 2006/ lf
На рис. 1 показана схема моделируемого процесса. На рисунке видно положение анализируемой температуры, которая находится на расстоянии 13 м от начала кристаллизатора. В дальнейшем эта температура будет обозначаться как Т^у
На рис. 2 приведена зависимость температуры поверхности Ть=п от диаметра круглой заготовки и скоростей вытяжки для стали Ст20 при следующих тепловых условиях: температура заливки Т= 1550-1560 °С, теплоотвод в кристаллизаторе К= =2400 Вт/(м2 • К),
кр
теплоотвод в первой, второй и третьей зонах охлаждения Кз = =1500 Вт/(м2• К), А;=1200 Вт/(м2• К), Кг=\ 100 Вт/(м2 • К) соответственно. На рисунке горизонтальная линия — это критическая температура слитка на участке 1=13 м, ниже которой могут возникнуть проблемы раскроя слитка из-за низкой пластичности. Из рис. 2, а видно, что при температуре заливки 7М560 °С для всех скоростей вытяжки температура поверхности рассчитанных заготовок больше 900°С. Как видно из рис. 2, б, картина изменения температуры поверхности Т1=1Ъ при температуре заливки 7М550°С для слитков диаметром ¿/=80-140 мм и скоростей вытяжки \)=2,5—3,5 м/мин не изменилась.
На следующем этапе моделирования были изменены условия охлаждения в кристаллизаторе от К=2400 Вт/(м2 • К) до
К =
"кр ~ / кр
=3200 Вт/(м2 • К) (в процентном отношении - на 33%) для различных диаметров круглых заготовок из стали Ст20 и скоростей вытяжки "0=2,5— 3,5 м/мин. Температура заливки оставалась постоянной 7М550 °С. Как видно из рис. 3, а, температура поверхности Т1=13 снизилась до значений ниже критических для заготовки диаметром ё= =80 мм, что может создать проблемы при раскрое слитка. В целом картина изменения зависимости температуры поверхности Т1=п от диаметра заготовок практически не изменилась. Далее было промоделировано изменение зависимости температуры поверхности Г£=13 при увеличении тепло-отвода от зон вторичного охлаждения. Интенсивность охлаждения в зонах вторичного охлаждения заготовки была увеличена на 33% (от 1500 до 2000 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-1, на 33% (от 1200 до 1600 Вт Вт/(м2 • К)) в ЗВО-2, на 33% (от 1100 до
Рис. 1. Схема кристаллизующегося круглого слитка в машине непрерывного литья заготовок: а — с кристаллизатором (К) и зонами вторичного охлаждения (ЗВО-1, ЗВО-2, ЗВО-З): L, = 5,126 м; L2 = 2,606 м; L2= 2,528 м; L4= 1,088 м; L = = 1,010 м; L6 = 0,880 м; Ь7 = 0,780 м; R = 5 м; б — с роликами, положением жидкой фазы и расчетной точкой температуры TL=U
1466 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-З. Результаты моделирования показаны на рис. 3, б. Как видно из рисунка, увеличение интенсивности охлаждения уменьшает температуру поверхности Т1=и и переводит ее для заготовки диаметром ¿/=80 мм за критическую область при скорости вытяжки и=2,5 м/мин. Однако для скорости \>=3,0 и 3,5 м/мин температура поверхности Т1=п находится выше критической для всех рассчитанных заготовок с сечением в диаметре ¿/=80-140 мм при заданных тепловых режимах, что делает возможным раскрой слитка.
На следующем этапе было промоделировано изменение температуры поверхности Г/=]3 при увеличении теплоотвода от поверхности кристаллизатора и зон вторичного охлаждения для различных заготовок. Интенсивность охлаждения заготовки была увеличена на 25% (от 3200 до 4000 Вт/(м2 • К) в кристал-
18
1 1 07), 2006 -
т,
1200 1100 1000 900 800 700 600
* ' ' 111 > 1 1 1 1 1 ( 1 « « I * 1 ) 1 Т 1 * 1.1' '' 1 I 1 1 | | Г ,,,!.......... ! > 1 1 1 » 1 р
1 1 1 » 1 1 > 1 1 > 1 » » * # • * « » * • « 1 1 I 1 « --\-1-1-1 |-1 1 > 1 « « |-!-1 1-\
-1 -2 -3 -4
4лш
Рис. 2. Зависимость изменения температуры поверхности Г1=13 слитка из стали Ст20 от диаметра заготовки для разных скоростей вытяжки (У — \>=2,5 м/мин; 2 — 3,0; 3 — 3,5 м/мин; 4 — температурная граница области допустимых значений) при температурах заливки 7=1560 °С (а) и Т- 1550 °С (б). Расчеты соответствуют коэффициентам теплоотвода в кристаллизаторе *КР=2400 Вт/(м2 • К) и зонах вторичного охлаждения ^з1=1500 Вт/(м2-К); АГз2=1200 Вт/(м2-К); /С13=1100 Вт/(м2-К)
в
Рис. 3. Зависимость изменения температуры поверхности Г£=13 слитка из стали Ст20 от диаметра заготовки для скоростей вытяжки (7 - \)=2,5 м/мин; 2 - 3,0; 3 — 3,5 м/ мин; 4 - температурная граница допустимых значений) при температуре заливки 7== 1550 °С и различных условиях теплоотвода: а - 7^=3200 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - ЛГз1=1500 Вт/(м2-К); ЗВО-2 -К =1200 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - £з3=1100 Вт/(м2 • К); б - АГкр=3200 Вт/(м2 • К); ЗВО-1 - АГз1=2000 Вт/(м2 • К); ЗВО-2 - К = = 1600 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - 7Г=1466 Вт/(м2-К); в - 7^=4000 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - *з1=2500 Вт/(м2 • К); ЗВО-2 - ЛГ =
=2000 Вт/(м2-К); ЗВО-З - А;з=1833 Вт/(м2-К)
/хгггГ:г: ГпШ-гг. гТггЕ
-- 1 (37). 2006
/19
Рис. 4. Зависимость изменения температуры поверхности Г1=13 слитка из стали 40Х от диаметра заготовки для разных скоростей вытяжки (/ — \)=2,5 м/мин; 2 — 3,0; 3 — 3,5 м/мин; 4 — температурная граница допустимых значений) при температурах заливки Г=1530 °С (а) и Г=1520 °С (б). Расчеты соответствуют коэффициентам теплоотвода в кристаллизаторе Кк — =2400 Вт/(м2 • К) и зонах вторичного охлаждения К3 = 1500 Вт/(м2-К); АГз2= 1200 Вт/(м2-К); ^з3=1100 Вт/(м2
лизаторе, на 25% (от 2000 до 2500 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-1, на 25% (от 1600 до 2000 Вт/(м2-К)) в ЗВО-2, на 25% (от 1466 до 1833 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-З. Как видно из рис. 3, в, увеличение интенсивности охлаждения снижает температуру поверхности Т1==1 у Причем на скорости -о=3,0 м/мин для заготовок диаметром ¿/=80 мм температура Т1=хз снижается ниже критической при перечисленных выше тепловых режимах. При скорости -0=2,5 м/ мин температура поверхности Т1=13 снижается ниже критической для заготовок диаметром ¿/=80, 90 и 100 мм.
Таким образом, приведенные результаты расчетов показывают возможность получения круглой заготовки диаметром ¿/=80—140 мм при различных скоростях вытяжки и интенсивности охлаждения заготовки из стали Ст20.
На рис. 4 показана зависимость температуры поверхности Т1=хз от диаметра круглой заготовки и скоростей вытяжки и=2,5—3,5 м/мин для стали 40Х. Из рис. 4, а видно, что при температуре заливки Г=1530°С для всех скоростей вытяжки температура поверхности рассчитанных заготовок больше 900 °С. Далее температура заливки расплава была на 10°С уменьшена (7М520 °С). На рис. 4, б представлена зависимость температуры поверхности Т1=хз для тепловых условий: теплоотвод в кристаллизаторе К =2400 Вт/(м2 • К), теплоотвод в
кр
первой, второй и третьей зонах охлаждения ^з1=1500 Вт/(м2 • К), ^з2=1200 Вт/(м2 • К), ^з3=1100 Вт/(м2 • К) соответственно. Как видно из рис. 4, б, картина изменения температуры поверхности Т1=хъ
для слитков диаметром ¿/=80—140 мм и скоростей -0=2,5—3,5 м/мин не изменилась.
Как видно из представленных данных, получение заготовок диаметром ¿/=80-140 мм при скорости -0=2,5—3,5 м/мин возможно на МНЛЗ-1 при данных тепловых режимах.
На следующем этапе моделирования были изменены условия охлаждения в кристаллизаторе от Я;р=2400 Вт/(м2 • К) до Ккр=3200 Вт/(м2 • К) (в процентном отношении - на 33%) для различных скоростей вытяжки -о=2,5—3,5 м/мин и диаметров круглых заготовок из стали 40Х. Как видно из рис. 5, ¿7, температура поверхности Т£=хз снизилась до значений ниже критических для заготовки диаметром ¿/=80 мм, что может создать проблемы при раскрое слитка. В целом картина изменения зависимости температуры поверхности Т£=13 от диаметра заготовок практически не изменилась.
Далее была рассчитана зависимость температуры поверхности Т1=13 при увеличении теплоотвода от зон вторичного охлаждения. Интенсивность охлаждения заготовки была увеличена на 33% (от 1500 до 2000 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-1, на 33% (от 1200 до 1600 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-2, на 33% (от 1100 до 1466 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-З. Результаты моделирования приведены на рис. 5, б. Как видно из рисунка, увеличение интенсивности охлаждения уменьшает температуру поверхности Т£в=хз и переводит ее для заготовки диаметром ¿/= =80-95 мм в критическую область для скорости вытяжки \)=2,5 м/мин. Однако для скорости г>=3,0 и 3,5 м/мин температура поверхности Т1=13 нахо-
201Ч[
ТГГТТГГ ГЛГЗПТЛГ.^ГГТТГГ
(37). 2006
нею 1000 900 800 700 600
• 1 » 1 I 1 » 1 1 « * 1 * 1 1 * и» ' * '"'"т
1 Т 1 1 ........... "Г"' ' < ..... Г ( 1 1
< 1
1 1 1 1 >г 1 « 1 « 1
1 1 1 » Г I 1 1 1 1 ■"»II I 1 * 1 • 1 --\-;—1—| 1 1 « * # 1 « 1 « * • 1 1 I 1 1 1-1-1-1 1-! -4 »
70
90
110
в
130
150
4ли
Рис. 5. Зависимость изменения температуры поверхности Г£=|3 слитка из стали 40Х от диаметра заготовки для разных скоростей вытяжки (7 - г>=2,5 м/мин; 2 - 3,0; 3 - 3,5 м/мин; 4 - температурная граница допустимых значенмй) при температуре заливки 7"= 1520 °С и различных условиях теплоотвода: а - * =3200 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - £,=1500 Вт/(м2-К); ЗВО-2 -К=\2№ Вт/(м2 • К); ЗВО-З - К=\Ю0 Вт/(м2-К); б~ К =3200 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - 7^=2000 Вт/(м2 • К); ЗВО-2 - Кл= = 1600 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - 7^=1466 Вт/(м2-К); в - К =4000 Вт/(м2 • К); ЗВО-1 - Кз=2500 Вт/(м2-К); ЗВО-2 - К =
=2000 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - *з3=1833 Вт/(м2-К)
дится выше критической для всех рассчитанных заготовок с сечением в диаметре ¿/=80—140 мм при заданных тепловых режимах, что делает возможным раскрой слитка. Далее было промоделировано изменение зависимости температуры поверхности Т^з при дальнейшем увеличении теплоотвода от поверхности кристаллизатора и зон вторичного охлаждения для различных заготовок. Интенсивность охлаждения заготовки была увеличена на 25% (от 3200 до 4000 Вт/(м2-"К) в кристаллизаторе, на 25% (от 2000 до 2500 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-1, на 25% (от 1600 до 2000 Вт/(м2-К)) в ЗВО-2, на 25% (от 1466 до 1833 Вт/(м2-К)) в ЗВО-З. Как видно из рис. 5, в, увеличение интенсивности охлаждения снижает температуру поверхности Т1=ху Причем на скорости \)=3,0 м/мин для заготовок диаметром ¿/=80—90 мм температура Т1=и снижается ниже критической при перечис-
ленных выше тепловых режимах. При скорости -0=2,5 м/мин температура поверхности Г1=13 снижается ниже критической для заготовок диаметром ¿/=80—110 мм. Приведенные результаты моделирования показывают возможность получения круглой заготовки диаметром ¿/=80—140 мм при различных скоростях вытяжки для стали 40Х.
На рис. 6 представлена зависимость температуры поверхности Т1=хъ от диаметра круглой заготовки и скоростей вытяжки -0=2,5—3,5 м/мин для стали ШХ15СГ. Из рис. 6, ¿7 видно, что для всех скоростей вытяжки при температуре заливки Г-1460 °С температура поверхности рассчитанных заготовок больше 900 °С кроме заготовки диаметром ¿/=80 мм. Далее температура заливки расплава была на 10 °С уменьшена (7М450 °С) и рассчитана для
слитков разного диаметра и скоростей вытяжки при теплоотводе в кристаллизаторе 2400 Вт/(м2 • К)
ЛГТГ^ГС Г^ШгТПТГ? / 91
- 1 (ЭЛ. 2006 / & I
150
150
Рис. 6. Зависимость изменения температуры поверхности Г1=13 слитка из стали ШХ15СГ от диаметра заготовки для разных скоростей вытяжки (7 — х>=2,5 м/мин; 2 — 3,0; 3 — 3,5 м/мин; 4 — температурная граница допустимых значений) при температурах заливки 7=1460 °С (а) и 7М450 °С (б). Расчеты соответствуют коэффициентам теплоотвода в кристаллизаторе Кк=2Ш Вт/(м2 • К) и зонах вторичного охлаждения ^з1 = 1500 Вт/(м2-К); Кз2=1200 Вт/(м2-К); Кз3=1100 Вт/(м2 • К)
и теплоотводе в первой, второй и третьей зонах охлаждения £=1500 Вт/(м2 • К), А;2=1200 Вт/(м2 • К), АГз3= 1100 Вт/(м2-К) соответственно (рис. 6, б). Как видно из рис. 6, б, картина изменения температуры поверхности 7^=13 для слитков диаметром ¿/=80—140 мм и скоростей -0=2,5— -3,5 м/мин не изменилась.
Таким образом, можно сделать вывод, что получение заготовок диаметром ¿/=90—140 мм при скорости вытяжки -0=2,5—3,5 м/мин возможно на МНЛЗ-1 при данных тепловых режимах. Для заготовок диаметром ¿/=80 мм скорость вытяжки -0=2,5 м/мин является критической.
На следующем этапе моделирования были изменены условия охлаждения в кристаллизаторе от ^=2400 Вт/(м2 • К) до Ккр=3200 Вт/(м2 • К) (в процентном отношении — на 33%) для различных скоростей вытяжки -0=2,5—3,5 м/мин и диаметров круглых заготовок из стали ШХ15СГ. Как видно из рис. 7, ¿г, температура поверхности Г1=13 снизилась до значений ниже критических для заготовок диаметром ¿/=80—85 мм, что может создать проблемы при раскрое слитка. В целом картина изменения зависимости температуры поверхности Т1=13 от диаметра заготовок практически не изменилась.
Далее интенсивность охлаждения заготовки была увеличена на 33% (от 1500 до 2000 Вт/(м2-К)) в ЗВО-1, на 33% (от 1200 до 1600 Вт/(м2-К)) в ЗВО-2, на 33% (от 1100 до 1466 Вт/(м2-К)) в ЗВО-З. Результаты моделирования приведены на
рис. 7, б. Как видно из рисунка, увеличение интенсивности охлаждения уменьшает температуру поверхности Т1=13 и переводит ее для заготовки диаметром ¿/=80—100 мм за критическую область для скорости вытяжки -0=2,5 м/мин. Однако для скорости \)=3,0 и 3,5 м/мин температура поверхности Т1=п находится выше критической для всех рассчитанных заготовок с сечением в диаметре ¿/=85—140 мм при заданных тепловых режимах, что делает возможным раскрой слитка. Для заготовки диаметра ¿/=80 мм скорость -о=3,0 м/мин является критической.
Далее интенсивность охлаждения заготовки была увеличена на 25% (от 3200 до 4000 Вт/(м2-К) в кристаллизаторе, на 25% (от 2000 до 2500 Вт/(м2 • К)) в ЗВО-1, на 25% (от 1600 до 2000 Вт/(м2-К)) в ЗВО-2, на 25% (от 1466 до 1833 Вт/(м2-К)) в ЗВО-З. Как видно из рис. 7, в, увеличение интенсивности охлаждения снижает температуру поверхности Т1=1У Причем на скорости -о=3,0 м/мин для заготовок диаметром ¿/=80—100 мм температура Т1=13 снижается ниже критической при вышеперечисленных тепловых режимах. При скорости г>= =2,5 м/мин температура поверхности 71=]3 снижается ниже критической для всех заготовок диаметром ¿/=80—140 мм, что делает данную скорость нетехнологичной.
Приведенные результаты моделирования показывают возможность получения круглой заготовки диаметром ¿/=80—140 мм при различных скоростях вытяжки слитка из стали ШХ15СГ.
22
/ШТгГсГГ Г^ГНГГТГ,л тггггг?
/ 1 (37). 2006 -
в
Рис. 7. Зависимость изменения температуры поверхности 7^=13 слитка из стали ШХ15СГ от диаметра заготовки для разных скоростей вытяжки (7 — \)=2,5 м/мин; 2 — 3,0; 3 — 3,5 м/мин; 4 — температурная граница допустимых значений) при температуре заливки Г=1450 °С и различных условиях теплоотвода: а — К =3200 Вт/(м2 • К); ЗВО-1 — АГз1=1500 Вт/(м2 • К); ЗВО-2 - А^=1200 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - АГз3=1100 Вт/(м2-К); б - К,=3200 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - 7^=2000 Вт/(м2-К); ЗВО-2
К =1600 Вт/(м2 • К); ЗВО-З
Кз3=1466 Вт/(м2 • К); в - * =4000 Вт/(м2-К); ЗВО-1 - Кз 3 ЛТз2=2000 Вт/(м2 • К); ЗВО-З - 7^=1833 Вт/(м2-К)
=2500 Вт/(м2 • К); ЗВО-2 -
Литература
1. Чичко А.Н., Кукуй Д.М., Андрианов Н.В., Яцкевич Ю.В., Чичко О.И. Моделирование влияния охлаждаемых и неохлаждаемых роликов на температуры и напряжения поверхности промышленного слитка в зоне вторичного охлаждения //Литье и металлургия. 2003. №3. С. 131-138.
2. Чичко А.Н., Кукуй Д.М., Соболев В.Ф. и др. Компьютерная система «ПроНРС» и трехмерное моделирование распределения температур, напряжений и углерода в процессе непрерывной разливки стали // Литье и металлургия. 2002. №3. С. 21-27.
3. Чичко О.И., Соболев В.Ф., Анисович Г.А., Чичко А.Н. О методах компьютерного анализа напряже-
ний и деформаций трехмерной детали, подвергнутой термической обработке // Becui HAH Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. на-вук. 2002. №4. С. 24-29.
4. Чичко А.Н., Андрианов Н.В., Демин A.B. и др. Численные расчеты температур и напряжений в кристаллизующемся слитке из стали 20ХНЗА размером 300x400 мм для различных условий охлаждения // Литье и металлургия. 2004. № 3. С. 131-135.
5. Чичко А.Н., Андрианов Н.В., Демин A.B. и др. Компьютерное моделирование на основе программы «ПроНРС-2» продольных напряжений в слитке, охлаждаемом плоскофакельными форсунками // Литье и металлургия. 2004. №2. С. 10-18.
