CC BY
22
9Rfl I л ггттгп r (rMfjj/frnrf,
3(52). 2009--
Литейное материаловедение, специальные способы
Jet crystallizer, device of flooded-stream secondary cooling, structural- superfine silumin modifier are developed in respect to plant technology of steel pouring. They allow to increase productivity of the process and to increase the steel ingot quality.
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМ НАН Беларуси, В. А. МАТОЧКИН, РУП «БМЗ»
УДК 621.746.27
ПЕРСПЕКТИВЫ УВЕЛИЧЕНИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА РАЗЛИВКИ СТАЛИ И ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТАЛЬНОГО СЛИТКА
Для непрерывной разливки стали в основном используют щелевую и спрейерную систему охлаждения гильзы кристаллизатора и слитка. Основным недостатком спрейерной системы является захват струями охладителя воздуха. При этом вблизи поверхности охлаждения образуется воздушная пленка, замедляющая процесс теплопередачи. Щелевая система охлаждения в основном применяется в кристаллизаторах (рис. 1, а). Здесь охладитель движется в пространстве щели между гильзой кристаллизатора 1 и экраном 2 вдоль поверхности охлаждения. В этом случае она будет тормозить поток и формировать тепловой пограничный слой 4 переменного сечения, который опре-
2
ъ
то
НХ>
н,о
деляет коэффициент теплоотдачи от поверхности гильзы к основному потоку охладителя в щели кристаллизатора (аа):
(1)
тх
где N11 д - критерий Нуссельта при движении охладителя в кольцевой щели; X - коэффициент теплопроводности охладителя; 8ТХ - толщина теплового пограничного слоя.
Величина 5ТХ определяется следующим уравнением [1]:
.0,8
^ тх — ^ то ^^
(2)
4 H2q
а "
Рис. 1. Системы охлаждения кристаллизаторов: а - щелевая; б - затопленно-струйная; 1 - рубашка кристаллизатора;
2 - экран; 3 - корпус; 4 - тепловой пограничный слой
U-a =
л гтттгге гг кягтлг-гг.р.
" 3 (52). 2009
/255
где Ът0 ~ толщина начального теплового пограничного слоя; к - константа; х - координата от начального участка по длине внутренней поверхности гильзы. Из уравнений (1) и (2) следует, что обычный (щелевой) кристаллизатор имеет переменную по высоте (длине) интенсивность охлаждения. Это способствует повышению термических напряжений в гильзе и неравномерности формирования корки отливки при непрерывно-циклическом литье слитков. Для устранения этих недостатков щелевых кристаллизаторов была разработана затопленно-струйная система охлаждения наружной поверхности гильзы [1]. Она представлена на рис. 1, б. Здесь охладитель равномерно продавливается через отверстия в экране 2 и в виде затопленных струй с одинаковой скоростью ударяет в наружную поверхность гильзы кристаллизатора. При этом толщина теплового пограничного слоя остается на начальном уровне (5го). Коэффициент теплоотдачи от гильзы к основному потоку охладителя (ав) в этом случае будет определяться известным уравнением:
а. =
Ки, А/
5
(3)
то
где №1в - критерий Нуссельта при затопленно-струйном охлаждении гильзы.
При одинаковых гидравлических параметрах охлаждения N11, = 2Ыиа [1]. Тогда из уравнений (1)-(3) получим:
а „
1 +
кх
0,8
-то
(4)
Из уравнения (4) следует, что затопленно-струйная система охлаждения как минимум в 2 раза более эффективна, чем щелевая.
Затопленно-струйная система охлаждения была применена к разработке струйного кристаллизатора (рис. 2). Он состоит из гильзы 7, корпуса 2, верхнего 3 и нижнего 4 фланцев, экрана 5, перегородки 6, подводящего 7 и отводящего 8 патрубков. В экране 5 выполнены отверстия для создания затопленных струй, охлаждающих гильзу 7. Струйный кристаллизатор позволяет повысить производительность литья слитков диаметром 40 мм из силумина в 3 раза [2]. С целью повышения производительности непрерывной разливки стали для МНЛЗ-1,2 РУП «БМЗ» была разработана система затопленно-струйного охлаждения кристаллизатора (рис. 3). Она состоит из кристаллизатора 7, экрана 2, цилиндра 3, верхнего 4 и нижнего 5 фланцев, перегородки 6. В экране равномерно по всей его поверхности выполнены отверстия с за-
Рис. 2. Схема струйного кристаллизатора: 1 - гильза; 2 -корпус; 3 - верхний фланец; 4 - нижний фланец; 5 - экран; 6 - перегородка; 7 - подводящий патрубок; 8 - отводящий патрубок; 9 - слиток
данными диаметром и шагом по высоте и образующей. Расстояние между экраном и кристаллизатором выбиралось из расчета перекрытия струй. Попадая в коллектор между цилиндром, верхним фланцем и перегородкой, охладитель проходит через отверстия в экране и в виде затопленных струй равномерно по высоте и периметру охлаждает кристаллизатор. Ударяясь в охлаждаемую поверхность, струи воды уменьшают толщину теплового пограничного слоя, что повышает коэффициент теплоотдачи и затвердевания слитка. При этом увеличиваются охлаждающая способность кристаллизатора и производительность процесса непрерывного литья. Расчеты показывают, что при непрерывной разливке стали в струйный кристаллизатор на РУП «БМЗ»производительность литья слитков сечением 0,125x0,125 м увеличивается более чем на 20%, а слитков сечением 0,25^0,3 м -на 27% [3]. Затопленно-струйная система охлаждения была применена к разработке устройства струйного вторичного охлаждения слитка (рис. 4). Она состоит из коллектора 7, кожуха 2, нижнего 3 и верхнего 4 фланцев, подводящих 5 и отводящих 6 патрубков. Слиток 7 интенсивно охлаждается затопленными струями воды, исходящими из отверстий в коллекторе 1. Данное устройство, установленное непосредственно после кристаллизатора, позволило дополнительно увеличить производительность литья слитков диаметром 40 мм из силумина в 3 раза [2]. По сравнению с обычными способами охлаждения затопленно-струйный метод обеспечивает более равномерное охлаждение
л
256/
Ш|Т:Г; г: Г^ГГШТТГГ;
3 (52). 2009-
/4-/4
б
1 I I I г
I
Рис. 3. Схема струйного охлаждения кристаллизатора МНЛЗ: 1 - кристаллизатор; 2 - экран; 3 - цилиндр; 4 - верхний фланец; 5 - нижний фланец; 6- перегородка
гильзы кристаллизатора и отливки. Это повышает стабильность процесса разливки стали и увеличивает срок службы оборудования.
Увеличить равномерность охлаждения слитка по его периметру можно с помощью вертикальных пазов, выполненных на наружной поверхности гильзы (рис. 5) [4]. При непрерывном литье в кристаллизатор с гладкой внутренней поверхностью гильзы слиток не равномерно отходит от ее стенки (рис. 5, а). Это приводит к разностенности корочки, увеличению термических напряжений и уменьшению стабильности процесса разливки стали. При непрерывном литье в кристаллизатор с профилированной внутренней поверхностью гильзы продольные вертикальные пазы фиксируют отливку и не дают ей смещаться от вертикальной оси симметрии кристаллизатора (рис. 5, б). Это выравнивает теплоотвод по периметру слитка и увели-
чивает равномерность его затвердевания, что повышает стабильность процесса разливки стали и улучшает качество слитка.
При непрерывном литье слитка диаметром 40 мм из силумина в струйный кристаллизатор с использованием устройства струйного вторичного охлаждения производительность процесса литья повышается в 6 раз. При этом дисперсность фазовых составляющих увеличивается в 5-8 раз [2].
•Рис. 4. Схема устройства струйного вторичного охлаждения слитка: 1 - коллектор; 2 - кожух; 3 - фланец нижний; 4 -фланец верхний; 5 - патрубок подводящий; 6 - патрубок отводящий; 7-слиток
Рис. 5. Схема непрерывного литья в кристаллизатор: а -с гладкой внутренней поверхностью гильзы; б - с профилированной внутренней поверхностью гильзы
/;гтг:Г:гг г/^гШгТпгп
-3 (52). 2009
/257
Получаемые слитки со структурно-высокодисперсной микроструктурой можно использовать в качестве раскислителей и модификаторов стали. Силумин имеет относительно низкую температуру плавления, поэтому хорошо растворяется в жидкой стали. Добавки магния, кальция и титана в алюминиево-кремниевый сплав в сочетании с высокой структурной дисперсностью слитка значительно повышают эффективность действия си-луминового модификатора. Его малая стоимость и простота получения предполагают широкое применение этого модификатора для улучшения структуры заготовок из стали и других сплавов.
Для модифицирования жидкой стали в ковше разработаны две схемы ввода структурно-высокодисперсного силуминового модификатора. Первая схема предполагает применение стальной штанги. На ее погружаемом конце крепился модификатор, на другом - груз, который предотвращал отклонение штанги от вертикальной оси при погружении модификатора в ковш с расплавом. Эту схему использовали при модифицировании на РУП «БМЗ» стали 45 структурно-высокодисперсным силуми-новым модификатором в количестве 0,03% от массы расплава в 100-тонном ковше. Это позволило уменьшить ликвацию, улучшить микроструктуру слитка сечением 300x400 мм по пористости, трещинам, точечным загрязнениям, подкорковым пузырям и повысить дисперсность аустенитного зерна в 1,5-2,0 раза [5]. Вторая схема предполагала использование сэндвич-процесса при модифицировании стали. Для этого на дно ковша помещали специальное устройство ввода модификатора.
Оно представляет собой два стальных листа с си-луминовым модификатором между ними. Устройство не позволяет модификатору всплывать при заполнении ковша расплавом. Эту схему использовали при модифицировании стали 45 структурно-высокодисперсным силуминовым модификатором в количестве 0,2% от массы расплава в 100-тонном ковше. При этом сталь не раскисляли и не обрабатывали трайб-аппаратным силикокальцием. Было установлено, что макроструктура опытного слитка соответствовала техническим условиям и была не хуже получаемой после раскисления и модифицирования по заводской технологии. Применение сэндвич-процесса для модифицирования и раскисления силуминовым структурно-высокодисперсным модификатором при непрерывной разливке стали на РУП «БМЗ» позволит исключить из технологического цикла трайб-аппаратное модифицирование и сократить время циркуляционного вакууми-рования. Этому будут способствовать микропузырьки паров магния, которые образуются при взаимодействии высокодисперсных интерметал-лидов силуминового модификатора с расплавом стали. Чем выше дисперсность этих микропузырьков, тем более длительное время они находятся в расплаве, тем выше время действия процесса модифицирования.
Таким образом, применение струйного кристаллизатора, устройства затопленно-струйного вторичного охлаждения, структурно-высокодисперсного силуминового модификатора позволит увеличить производительность процесса разливки стали и повысить качество стального слитка.
Литература
1.Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Повышение эффективности работы кристаллизатора при непрерывном литье слитков // Литье и металлургия. 2005. № 2. С. 139-141.
2. Стеценко В. Ю., Р и в к и н А. И., П е в н е в А. М. Повышение эффективности непрерывного литья силуминов // Тр. конф. «Металлургия и литейное производство 2007. Беларусь». Жлобин, 2007. Республика Беларусь. С. 265-267.
3.Марукович Е. И., Маточкин В. А., Стеценко В. Ю. Перспективы применения систем затопленно-струйных охлаждений кристаллизатора и слитка при разливке стали на МНЛЗ / Сб. науч. тр. «Металлургия». Мн., 2008. №31. С. 12-19.
4. Пат. ВУ 4026 и МПК В 220 11/04. Гильза кристаллизатора.
5.Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Гутев А. П., Андрианов Н. В., Маточкин В. А. Модифицированный силуминовый модификатор для непрерывной разливки стали на МНЛЗ / Тр. конф. «Металлургия и литейное производство 2007. Беларусь». Жлобин, 2007. Республика Беларусь. С. 63-65.
