CC BY
5
Технология машиностроения
Seregina Anna Andreevna, postgraduate, seregina. ann-1998@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lebedeva Anna Andreevna, master, lebedeva_0411@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.746.047:669.054.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-459-463
РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ - КРИСТАЛЛИЗАТОР» МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
ЗАГОТОВОК
В.В. Точилкин, Д.В. Терентьев, В.В. Точилкин, О.А. Филатова
Рассмотрены особенности подготовки к разливке оборудования технологической системы: промежуточный ковш (ПК) - погружной стакан (ПС) - кристаллизатор (К) машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Совершенствование конструкций, обеспечивающих рациональное расположение и четкую фиксацию ПС на ПК относительно оси К, создает условия для повышения качества работы технологической системы, исключает смещение струи стали относительно стенок кристаллизатора. Цель работы: Анализ работы системы ПК - ПС - К в условиях взаимного смещения осей оборудования и развитие конструкций для подготовки оборудования системы перед разливкой.
Ключевые слова: машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), промежуточный ковш (ПК), кристаллизатор (К), математическое моделирование, огнеупорные конструкции.
При разливке наиболее ответственных сталей на сортовых машинах непрерывного литья заготовок технологический процесс - разливка жидкого металла из промежуточного ковша (ПК) в кристаллизатор (К), осуществляется закрытой струей, с использованием защитного погружного стакана [1]. Комплект основного технологического оборудования, обеспечивающего поток жидкой стали из ПК в К через погружной стакан (ПС), закрытой струёй, а также основные размеры технологической системы сортовой МНЛЗ для получения непрерывно-литой заготовки представлены на рис. 1.
Для установки ПС используется манипулятор 3. При использовании многоручьевых промежуточных ковшей возникает необходимость обеспечивать рациональную установку оборудования ПК и кристаллизаторов друг относительно друга, с учетом расположения на машине [2]. Погружной стакан устанавливается на элементах промежуточного ковша. В начальный период работы машины ПС входит в жидкий металл на заданную глубину (hc). Особенность работы ПС: стакан остается неподвижным на ковшевом стакане ПК, а кристаллизатор совершает возвратно-поступательные движения относительно ПС и струи жидкого металла. Определяющим при работе кристаллизатора является совпадение или минимальные отклонения осей струи стали из ПС и К. Самым неблагоприятным вариантом установки ПС относительно К является угловое смещение осей ПС и К - а (см. рис. 1).
Отмеченные угловые смещения влияют на характер процесса литья металла в кристаллизатор и параметры получаемого металла, а также определяют брак и возможное возникновение аварийных ситуаций [3].
Конструкции системы ПК - ПС - К должны обеспечивать рациональную схему подачи жидкого металла через погружной стакан в кристаллизатор. Поведение потоков металла в верхней части кристаллизатора, поступающего из промежуточного ковша через погружной стакан, определяет создание корочки металла вдоль стенок гильзы кристаллизатора на начальном этапе формирования заготовки [4].
В процессе установки погружного стакана 4 относительно оси кристаллизатора 5 возникают угловые смещения между осями данных конструкций (съ). Допустимая величина (ad) должна соответствовать технологическими требованиями (а < ad).
При оценке угловых смещений осей а необходимо отметить основные положения, определяющие рациональную установку конструкций системы ПК - ПС - К на МНЛЗ. Это расположение: 1. Конструкторских и технологических баз оборудования ПК, определяющих положение ковшевого стакана 2 (см. рис. 1), при его фиксации в процессе подготовки ПК перед разливкой. Это определяет положение оси струи жидкой стали, движущейся из ПК, относительно дна ковша в горизонтальной (YiOXi) и вертикальной (YiOZi) плоскостях. 2. Элементов конструкции ковшевого стакана: наружных поверхностей, сопрягаемых с конструкциями ПК; поверхности, стыкуемой с опорной поверхностью ПС. 3. Базовых поверхностей конструкции погружного стакана и его проходного отверстия (поз. 4, см. рис. 1). 4. Оборудования манипуляторов (поз. 3, см. рис. 1), обеспечивающих фиксацию ПС: металлоконструкций; схватов манипуляторов и промышленных роботов, обеспечивающих непосредственный захват погружного стакана на ПК относительно кристаллизатора. 5. Конструкций самого кристаллизатора и их расположение на МНЛЗ относительно вертикальной оси ПС. 6. Конструкций, обеспечивающих работу МНЛЗ: металлоконструкций; опорных путей для тележки промежуточного ковша.
Рис. 1. Компоновка системы промежуточный ковш - погружной стакан - кристаллизатор сортовой МНЛЗ: 1 - стопор; 2 - ковшевой стакан; 3 - манипулятор; 4 - погружной стакан: 5 - кристаллизатор
Приведены: математическая постановка задачи и результаты математического расчета полей потоков металла при различном положении оборудования системы ПК - ПС - К относительно друг друга на МНЛЗ [5].
Рассматривается промежуточное распределительное устройство - ПК сложной трапециевидной формы, в которое жидкий металл вливается из сталеразливочного ковша (СК) через специальную насадку - защитную трубу, установленную на шиберном устройстве СК [6]. Считаем, что поток стали непрерывно выливается из разливочного отверстия ПК, т.е. создаются условия стационарного течения жидкого металла.
По заданной геометрии оборудования системы и скорости выливающейся жидкости - расплавленной стали рассчитали параметры: распределение скоростей в потоках; пространственное распределение параметров турбулентности [7]. Математически это потребовало записать уравнения неразрывности; уравнение движения в сочетании с моделью турбулентности для введения турбулентной вязкости. Уравнения неразрывности и уравнения движения имеют вид:
— + (и-У)м = Р-—V р + И72и, (1)
Э? р (1)
^й = 0.
где й - вектор скорости, имеющий три компоненты по соответствующим координатам; Р - вектор объёмных сил; р - давление; Vp - градиент давления; V - коэффициент кинематической вязкости; V й -лапласиан й; р - плотность жидкого металла.
В общем случае принятая модель турбулентности должна позволять определять значение вязкости. В данном случае принята широко применяемая К -е модель [4]. Сложность решения данных уравнений требует применения численных методов решения. В качестве основных допущений принято:
Рис. 3. Установка стенда для подготовки оборудования ПК к разливке: 1 - промежуточный ковш; 2 - стенд; 3 - контрольные вставки; 4 - датчик положения
1. Емкости сталеразливочного ковша, промежуточного распределительного устройства - ПК и кристаллизатора заполнены жидким металлом под номинальный уровень. 2. Скорости истечения жидкости из сталеразливочного ковша в ПК и из ПК в кристаллизатор, постоянны.
Математическое моделирование выполнено с учетом начальных и граничных условий. Начальные условия дополняют уравнения (1): температура металла в промежуточном ковше 1555 °С, скорость вытягивания заготовки 2,8 м/мин, динамическая вязкость стали 0,006 Пас. Граничные условия выбраны с учетом специфики прохождения стали в кристаллизатор [7]. При представлении результатов численного моделирования [8] в качестве параметров течения рассмотрены векторы и поля скоростей в кристаллизаторе. На рис. 2 отмечены параметры потоков металла при различных положениях осей оборудования кристаллизатора и погружного стакана [3].
Анализ результатов показывает, что на основании проведенного моделирования были получены решения для полей скоростей, а также параметров турбулентности потока в объеме гильзы кристаллизатора, которые позволяют отметить следующее: 1. Получены ключевые значения для оценки характера движения потоков стали в комплекте погружной стакан - гильза сортового кристаллизатора. 2. В случае рационального расположения осей погружного стакана и гильзы кристаллизатора, при значениях смещений равных или близких к нулю вектора полей скоростей располагаются симметрично относительно продольной оси гильзы кристаллизатора (см. рис. 2). 3. При допустимых значениях угловых смещений (а! ) равным или меньше 0,250 направления векторов полей скоростей располагаются в простран стве гильзы кристаллизатора без смещения к стенкам гильзы кристаллизатора. 4. При значительных угловых смещениях (а! > 0,750) возникают смещения векторов полей скоростей в сторону стенок гильзы кристаллизатора. Это приводит к захвату шлака на поверхности раздела сред в объеме гильзы и, соответственно, к распространению неметаллических включений в объем непрерывно литой заготовки и браку. Все это приводит к формированию непрерывно литой заготовки с дефектами в виде искаженного периметра, например в виде ромбической формы.
Проведенный анализ показал необходимость развития оборудования, необходимого для подготовки промежуточного ковша и комплекта кристаллизаторов и для обеспечения их совместной работы при разливке на рабочей позиции машины непрерывного литья заготовок [9].
На рис. 3 представлен стенд для подготовки промежуточного ковша многоручьевой МНЛЗ.
Он предназначен для рациональной установки оборудования разливочных отверстий перед началом разливки стали. Использование контрольных вставок 3 позволяет при установке ковша на рабочей позиции МНЛЗ обеспечить заданное позиционирование осей отверстий оборудования разливочного отверстия относительно осей гильзы кристаллизатора [10].
II, м'г ■ 06
I 05
0.4
0,5
о,: 0,1
=0" «¡=0,25° «¡=0,75°
Рис. 2. Параметры потоков металла при различных положениях осей оборудования кристаллизатора и погру^кного стакана: пс — глубина размещения погружного стакан в кристаллизаторе; 1 - ПС; 2 - ось стакана; 3 - кристаллизатор; 4 - ось гильзы
кристаллизатора
Заключение. При оценке технологических процессов разливки жидкого металла в момент его подачи в кристаллизатор МНЛЗ на основании проведенного расчета были получены решения для полей скоростей, а также представлены параметры турбулентности потока металла в кристаллизатор, которые позволили сделать следующие выводы: 1. Необходимо создание новых конструкций для подготовки системы промежуточный ковш - погружной стакан -кристаллизатор к совместному использованию на рабочей позиции МНЛЗ при разливке. Применение стендов для выставки оборудования системы на стадии монтажа позволит обеспечить рациональную схему разливки металла из промежуточного ковша в кристаллизатор. 2. При подготовке оборудования промежуточного ковша и кристаллизатора необходимо применение манипуляторов и промыш-
ленных роботов, обеспечивающих надежное удержание огнеупорных изделий - погружаемых стаканов в рамках заданных значений линейных и угловых смещений осей погружного стакана и кристаллизатора.
Список литературы
1. Gushchin V.N., Ul'yanov V.A. Improved tundish refining of steel in continuous-casting machines // Steel in Translation. 2017. Vol. 47. № 5. Р. 320-324.
2. Состояние и перспективы совершенствования оборудования сортовых МНЛЗ / А.Л. Сотников, С.М. Стриченко, В.М. Киреев, Ю.В. Фоменко // Сталь. 2020. № 10. С. 7 - 16.
3. Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Филатова О.А. Совершенствование конструкций огнеупоров разливочной камеры промежуточного ковша сортовой МНЛЗ // Новые огнеупоры. 2015. № 9. С. 3 - 7.
4. Numerical Modelling of Dissipation Phenomena inside a New Ladle Shroud for Fluidynamic Control and its Effect on Inclusion Removal in a Slab Tundish / G. Solorio-Diaz, R.D. Morales, J. de J. Barreto, H.J. Vergara-Hernandez, A. Ramos-Banderas, S.R. Galvan // Steel Research International. 2014. Vol. 85. № 5. Р. 863 - 874.
5. Повышение эффективности рафинирования рельсовой стали в промежуточных ковшах МНЛЗ на основе рациональной организации гидродинамических процессов / Е.В. Протопопов, В.В. Чис-лавлев, В.В. Темлянцев, А.В. Головатенко // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 5. С. 298 - 304.
6. Еронько С.П., Понамарева Е.А., Цысмистро Е.С. Разработка вибрационной системы снижения интенсивности процесса затягивания выпускного канала сталеразливочного ковша // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2021. № 2. С. 165 - 174.
7. Vdovin K.N., Tochilkin V.V., Yachikov I.M. Designing refractories for the tundish of a continuous caster / Refractories and Industrial Ceramics. 2016. Т. 56, № 6. Р. 569 - 573.
8. Конструкции и расчет металлоприемника промежуточного ковша симметричной многоручьевой МНЛЗ / К.Н. Вдовин, Вас. В. Точилкин, С.М. Добрынин, Е.А. Мельничук, В.В. Точилкин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2019. Т. 17. № 3. С. 25-30.
9. Разработка новой конструкции и модельные исследования функционирования катапульты для ковшевого затвора / С.П. Еронько, Б.И. Стародубцев, Е.А. Понамарева, Е.С. Цысмистро // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2021. № 5. С. 540 - 546.
10. Chichenev N.A. Reengineering of the slab-centering unit of a roughing mill stand // Metallurgist. 2018. T. 62. № 7 - 8. P. 701 - 706.
Точилкин Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор, toch56@mail. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Терентьев Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор, terentev.dv@magtu.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова,
Точилкин Василий Викторович, аспирант, tochilkin. vas@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
Филатова Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, feleodor@mail.ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
DEVELOPMENT OF DESIGNS FOR EQ UIPMENT PREPARATION SYSTEM TUNDISH - MOLD
OF CONTINUO US CASTING MACHINE
V.V. Tochilkin, D.V. Terentyev, V.V. Tochilkin, O.A. Filatova
The features of preparation for casting the equipment of the technological system are considered: tundish (TD) - submersible glass (SG) - mold (M) of continuous casting machines (CCM). Improving the designs that provide a rational arrangement and clear fixation of the SG on the TD relative to the M axis, creates conditions for improving the quality of the technological system, eliminates the displacement of the steel jet relative to the walls of the mold. Purpose of work: Analysis of the operation of the TD - SG - M system in conditions of mutual displacement of the equipment axes and the development of structures for the preparation of system equipment before casting. The analysis performed and recommendations for the rational installation of the immersion cup on the TD ensure the rational passage of the poured metal. This ensured the effective formation of steel flows in the CCM mold, creates conditions for improving the quality of the metal.
Key words: continuous casting machine (CCM), tundish (TD), mold (M); the mathmodeling, refractory structure.
Технология машиностроения
Tochilkin Viktor Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, toch56@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
Terentyev Dmitriy Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, d.terentev@magtu.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
Tochilkin Vasilii Viktorovich, postgraduate, tochilkin.vas@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
Filatova Olga Anatolievna, candidate of technical sciences, docent, feleodor@mail.ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
УДК 621.791
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-463-471
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЬХРОМОВЫХ СПЛАВОВ
НА ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
В.Н. Гадалов, И.В. Ворначева, Д.Н. Паньков, И.А. Бугорский, Р.Р. Загидуллин, Л.С. Сабитов, А.А. Иванов
В статье приведены экспериментальные исследования физико-механических свойств жаропрочных никелевых сплавов. Изучено влияние атомного упорядочения на физико-механические свойства жаропрочных никелевых сплавов. Изучены механизмы разрушения исследуемых сплавов и влияния на них отдельных структурных составляющих методом фрактографического анализа разрушенных ударных образцов. Рассмотрены механизмы разрушения исследуемых образцов и их взаимосвязь с микроструктурой сплавов.
Ключевые слова: никель, жаропрочный сплав, физико-механические свойства, фазовый состав, ударная вязкость, фрактография.
Значительный технический прогресс в области развития энергетического и химического машиностроения, авиационной, космической и ядерной техники требует создания новых и усовершенствования применяемых в промышленности жаропрочных, конструкционных сложнолегированных сплавов на никелевой основе. Работа деталей, узлов и конструкций на никелевых сплавах связана с высокими температурами, напряжениями и агрессивными средами. Импульсные, знакопеременные динамические нагрузки, а также циклические и неравномерные температурные воздействия существенно усложняют условия службы конструкций из этих материалов.
На сегодняшний день наука и практика выработали ряд научно-обусловленных положений и методов достижения высоких физико-механических свойств никелевых сплавов. Поскольку традиционные подходы к легированию и модифицированию, оптимизации и термообработки, нанесению покрытий и т.п. не обеспечивают необходимого комплекса свойств, встала задача определения новых направлений создания и путей исследования в материаловедении сложнолегированных никелевых сплавов. За последнее время в металлофизике фазовых превращений сложилось научное направление, обусловленное взаимным влиянием различного типа фазовых превращений, в частности, атомного упорядочения и распада пересыщенных твердых растворов. Возрастающий интерес к данному вопросу связан с тем, что совмещение упорядочения и старения позволяет получать более высокие механические и физические свойства сплавов.
Известен ряд обзорных работ [1-23], посвященных изучению распада твердых растворов в упорядоченном сплаве. Вопросы совместного протекания процессов упорядочения и распада нами не рассматривались, т.к., они мало вероятны для сплава с никельхромовой матрицей.
Целью работы является изучение физико-механических свойств новых и усовершенствованных модельных никелевых сплавов, после направленного изменения физико-механических свойств путем использования атомного упорядочения для управления морфологией выделения упрочняющей у' фазы и фазы a-Cr, исследования с целью создания банка данных по температурной и амплитудной зависимости внутреннего трения жаропрочных никелевых сплавов.
