Технология МНЛЗ малых сечений Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

г: г^тпгглтггп /ос

-а (73), 2013/ WU

УДК 669 Поступила 22.09.2013

А. Б. СТЕБЛОВ, С. Н. БЕРЕЗОВ, ООО « ЛИТОН ТЕХНОЛОГИЯ»

ТЕХНОЛОГИЯ МНЛЗ МАЛЫХ СЕЧЕНИЙ

Представлены некоторые технологические параметры литейно-прокатного комплекса на участке машина непрерывного литья заготовки - прокатный стан.

Some technological parameters of the foundry and rolling complex at the area of the machine of the rolling steel slug continuous casting are presented.

В [1] кратко изложен опыт реализации проекта микрозавода литейно-прокатного комплекса (ЛПК) для производства арматуры для строительства в объеме до 30 тыс. т в год. Проектирование и управление проектом осуществляет ООО «ЛИТОН ТЕХНОЛОГИЯ». Поставщиком основного технологического оборудования является фирма С1ММ (Китай).

В данной работе представлены некоторые технологические параметры ЛПК на участке МНЛЗ -прокатный стан. Основная задача - оптимизация технологии разливки стали, обеспечивающей максимальную производительность ЛПК при выполнении всех требований по качеству макроструктуры и поверхности непрерывнолитой заготовки. Второстепенная задача -определение координаты установки ножниц МНЛЗ и обеспечение необходимого теплосодержания заготовки в момент ее подачи в черновую клеть прокатного стана.

Сталь для производства строительной арматуры по ГОСТ Р 52544 выплавляется с химическим составом соответствующих марок Ст 3СП и 35ГС. Жидкая сталь после выпуска из 5-тонной печи раскисляется и доводится до заданного химического состава при сливе металла в сталеразливочный ковш. Металл сливается в ковш, разогретый до 1100 °С с перегревом относительно ликвидуса на 40-50 °С. В зависимости от химического состава температура ликвидуса рассчитывается по формуле:

^ликв= 153V — 88 С— 8 Si— 51S^n— 1,5Сг-4Ni-2Mo-5Cu-2V-30P-25S.

(1)

Металл из плавильной печи выпускается в ста-леразливочный ковш при температуре 15801610 °С. Одновременно на струю металла подаются необходимые раскислители и ферросплавы. По-

сле перелива металла в промежуточный ковш МНЛЗ поверхность металла утепляется и ковш закрывается футерованной крышкой. Перепад температуры металла между стальковшом и промков-шом составляет 80-90 °С. Промковш разогрет до 1000 °С и вмещает 1,8 т жидкого металла. В момент слива металла огнеупоры имеют температуру около 750 °С, но в процессе разливки кладка пром-ковша разогревается до 850 °С. Огнеупорная кладка ковша забирает около 15% тепла от массы жидкой стали, поэтому для сохранения стабильной температуры во время разливки 1540-1560 °С, кроме утепления зеркала металла и закрытия крышкой, включаются две газовые горелки с общим расходом природного газа до 1,2 м3/ч.

Оборудование фирмы С1ММ позволяет переливать металл в промковш через носик наклоняемого ковша или через донное отверстие при открытом стопоре. Разливка стали производится в сечение 70^70 мм, а при увеличении годового производства до 50 тыс. т - в сечение 80^90 мм. При радиусе разливочной дуги МНЛЗ 4 м возможно и производство товарной заготовки сечением 100x100 мм. Для обеспечения более легкого запуска МНЛЗ и уменьшения затягивания разливочного отверстия дозатора (Ц, = 10,5 мм) внизу дозатора установлена кольцевая газовая горелка с расходом газа 0,3 м3/т.

Скорость разливки и интенсивность охлаждения кристаллизатора являются важными параметрами управления процессом разливки. Заготовка должна выходить из кристаллизатора, имея достаточную толщину затвердевшего слоя (корочки), чтобы не произошло раздутия заготовки или прорыва из-за ферростатического давления жидкого металла. Для случая разливки углеродистой стали малых сечений была найдена зависимость формирования толщины корочки 5, мм, от скорости

ос //гтт* г: кгткштггг

1111/ а (73), 2013-

разливки V, м/мин, и длительности кристаллизации t, мин:

5 = 4,3 - 1,22V + 0,9*. (2)

Для улучшения жидкотекучести стали и получения легкоплавких неметаллических включений производится присадка 1,2-1,3 кг/т силикокальция. Улучшает разливку стали использование в качестве раскислителя феррованадия до 0,8 кг/т, однако это увеличивает себестоимость заготовки. Известно, что пораженность металла поверхностными дефектами во многом зависит от температуры разливки стали и степени окисленности металла при разливке. Было установлено, что при температуре разливки стали >1570 °С количество продольных и поперечных трещин на поверхности заготовок резко возрастает. Минимальное количество поверхностных дефектов соответствует температуре стали в промковше 1545 °С при соотношении Мп^ < 25 и С/10 + < 0,035. Технология выплавки и разливки стали была отработана при среднем содержании углерода в стали 0,17%. Количество дефектов, связанных с жидкотекучестью стали, зависит и от соотношения марганца к кремнию, которое рекомендуется выдерживать Мп^ > 2,0-2,5. Для снижения окисленности струи металла при выпуске металла из стальковша на пром-ковш укладывается кольцо из волокнистого огне-упора. Для защиты струи металла при выпуске из промковша в кристаллизатор к днищу промковша крепится гофрированная труба из огнестойкой ткани, которая поднимается специальным рычагом при удалении разливщиком образующегося шлака на мениске металла в кристаллизаторе. Газовая горелка также препятствует образованию окислительной среды вокруг струи металла.

Известно, что осевая неоднородность, рыхлость, дефекты макроструктуры в сечении заготовки зависят как от качества самой жидкой стали, так и от условий разливки (скорости и температуры разливки). Особенно это проявляется при уменьшении сечения заготовки, поскольку снижается ферростатическое давление столба жидкой стали. Если скорость охлаждения - кристаллизация стали высока, то столбчатые кристаллы встречаются в центре сечения и зона твердо-жидкого состояния не получает развития. В возникающую осевую пористость ликвируют С, S и Р. В результате необходимо решать компромиссную задачу определения оптимального соотношения скорости разливки V, температуры разливки Тр, скорости охлаждения металла в кристаллизаторе и в ЗВО (зона вторичного охлаждения). При мягком охлаждении в ЗВО, когда температура поверхности заготовки постоян-

на и составляет 1120 °С, зона столбчатых кристаллов снижается почти в 2 раза и составляет 8 мм. ЗВО имеет длину 1700 мм, при давлении воды 3 атм на заготовку подается 0,6 л/кг или 0,18 м3/ч.

При таком режиме охлаждения зона равноосных кристаллов в центре заготовки увеличивается, что почти в 3 раза снижает осевую рыхлость. При скорости разливки 3 м/мин и мягком охлаждении лик-вационная неоднородность соответствует 1-2-му баллу, тогда как при интенсивном охлаждении -4-му баллу. Механизм качания кристаллизатора -синуисоидальный с амплитудой 5-10 мм.

Учитывая ограничение по габаритам ЛПК, необходимо точно установить момент реза заготовки на ножницах, чтобы не попасть при порезке в зону жидкой фазы. Из практики работы МНЛЗ ВНИИМЕТМАШ на заготовках сечениями 60x80 и 82x82 мм было получено выражение, позволяющее с достаточной точностью определить металлургическую длину Ьт, при которой в центре заготовки происходит окончательная кристаллизация:

Lm = 0,024а V, (3)

где а - расстояние от центра заготовки до поверхности, см; V - скорость разливки, м/мин.

Формула справедлива при температуре разливки Тр = 1550-1560 °С.

Рассматривая вариант разливки на МНЛЗ заготовки сечением 70x70 мм при V = 3 м/мин, по формуле (3) получаем Ьт = 3,52 м.

На заготовках с максимальным сечением 80х 90 мм при той же скорости разливки полная кристаллизация произойдет на расстоянии Ьт = 5,17 м от оси мениска кристаллизатора, при разливке товарной заготовки сечением 100x100 мм Ьт = 7,2 м.

Необходимой технологической операцией для обеспечения качества поверхности заготовки является подача масла на мениск кристаллизатора. Первоначально поставщик оборудования рекомендовал использование рапсового масла в количестве до 700 г/т. Однако при этом на поверхности заготовки образовывались дефекты в виде плен и раскатанных пузырей. Качество поверхности заготовок значительно улучшилось при использовании смеси парафина (50%) и петролатума (50%) при расходе смеси 270 г/т. Эта смесь позволяет увеличить температуру вспышки масла с 115 до 260 °С. В данном случае смазка не сгорает сразу на зеркале металла, а доходит до зоны контакта кристаллизатора с образующейся корочкой металла. В момент порезки на ножницах температура поверхности составляет 980 °С, а в центре заготовки -1460 °С. Поскольку длина раскатного поля на стане составляет 9 м в одну сторону, то заготовка на

7} =ГЦ(1-ЮГ2),

(4)

Ф

1 x

.-¡TdX:

л 0

1-

KX

2 Л

(5)

(6)

/гтт* г: кгтештггп /07

-а (73), 2013 / Wf

МНЛЗ режется на длины от 1,5 до 2,1 м, соответственно масса заготовки меняется от 60 до 80 кг. В черновой реверсивной клети заготовка катается в 5-7 проходов, цикл прокатки в черной клети -до 120 с, поэтому заготовка остывает на рольганге в течение 120-150 с. Для выбора технологии прокатки и калибровки необходимо знать теплосодержание заготовки перед прокаткой.

В настоящее время в научно-технической литературе опубликованы десятки статей, описывающих модели расчета температурного поля и теплосодержания заготовки перед прокаткой и в процессе прокатки. Однако точность всех расчетов по этим моделям зависит от установленного аЕ = аи + ак, где аЕ - суммарный коэффициент теплообмена; аи и ак - соответственно коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией.

Полагаем, что зависимость распределения температуры по сечению заготовки подчиняется параболическому закону:

Т =

тт

'0п

1 +

FCT^t

(7)

с(М08(1-0,67^а2)

где - температура поверхности заготовки в момент времени t = 0; F - теплоотдающая поверхность; С = еС5 - постоянная лучеиспускания охлаждаемого тела (е = 0,8-0,94, С5 = 4,8-5,2). Тогда С = 4,8 кал/(м2-ч-град1); с - теплоемкость стали, кал/(кН-град); О - масса металла, т.

После подстановки этих показателей в уравнение (7) получим упрощенное выражение для расчета температуры поверхности:

Т =

'0п

1 +

13,6 ф

(8)

(1-0,ПКН2)Н-10

,11

где 7}, Тц - соответственно температура в расчетной точке сечения и центре заготовки; K - коэффициент, зависящий от размеров сечения и марки стали; X - расстояние от расчетной точки до центра. Принимаем, что в течение рассматриваемого времени разность температуры центра и поверхности постоянна, т. е. AT = ТП—ТЦ= const. Авторами [2] установлено, что в зависимости от размера сечения заготовки коэффициент K хорошо описывается гиберболической зависимостью. С некоторым приближением его можно рассчитывать по выражению: K = 1,05/ a . Потерями тепла от контакта нижней поверхности заготовки с рольгангом пренебрегаем.

Средняя по сечению температура будет равна:

где Н = 2а .

Потеря температуры в заготовке может быть найдена по упрощенной формуле, где время задается в секундах. Для расчета Т^ принимаем Тц = 1495 °С, равной температуре солидуса в момент порезки заготовки на ножницах.

Тогда по формуле (5) расчетная Т^ = 1449 °С.

AT -

CF Gc

Гер+273 1000

t

0,36

(9)

Подставляя в формулу (5) Тц из выражения (4), получаем температуру поверхности:

где Тф - средняя температура по сечению заготовки в момент t = 0.

В работе [2] после численных преобразований уравнения Стефана-Больцмана для расчета потери температуры горячего металла лучеиспусканием получено выражение для расчета углеродистых сталей квадратного сечения:

для сталей при температуре выше 800 °С можно принять с = 0,166 кал/(кг-°С).

Подставляя данные в формулу (9), рассчитываем снижение температуры:

АТ = (432-273) = 162 °С.

Средняя температура заготовки через 150 с охлаждения составит 1017 °С. Температура поверхности, вычисляемая по формуле (8), составит 860 °С. При расчете температуры поверхности Г0п подставляется в градусах Кельвина.

Практика работы на линейном стане С1ММ показывает, что мощность двигателей стана позволяет начать прокатку заготовки при таком теплосодержании, тем более, что в результате прокатки заготовка разогревается от работы деформации. В данном случае разогрев может составить не менее 40оС по массе заготовки. Прирост температуры от прокатки можно определить по формуле [3]:

ДГде(Ь = 4,28Р1ё-

(10)

где Р = ав(Глик-Г/-75)/1500 (аи - предел прочности стали при 20 °С, кг/мм2, Т - температура

88/

д:тг:гг г^шлтггп

4 (73), 2013-

1 к

(средняя) в конкретном проходе, °С); — = —— -

коэффициент деформации.

Для повышения теплосодержания заготовки перед началом прокатки в непосредственной близости от ножниц МНЛЗ был установлен индуктор общей мощностью 1140 кВТ, состоящий из двух блоков длиной по 1500 мм.

Характеристики установки индукционного подогрева: ивх = 380 В; ивых = 800 В; f = 10 кГц. В случае подогрева заготовки сечением 70x70 мм потребляемая мощность < 400 кВт/т, при нагреве заготовки сечением 80x90 мм - < 360 кВт/т.

Установка обеспечивает температуру заготовки перед прокаткой Т^ =ТП=ТЦ= 1100 °С, что позволяет получать хорошее качество арматуры при минимальных затратах электроэнергии на прокатном стане.

Выводы

Для предотвращения появления дефектов на поверхности заготовок необходимо выдерживать требуемое соотношение в стали Мп^ < 25

и С/10 + < 0,035 . Жидкую сталь сливать в разогретый ковш с температурой футеровки не менее 1000 °С. Для снижения падения температуры металла при разливке следует накрывать промковш футерованной крышкой и обеспечить работу газовой горелки над зеркалом металла.

При скорости разливки заготовки 3 м/мин на сечение 100x100 мм необходимое расстояние от оси мениска кристаллизатора до установки ножниц для порезки заготовок составляет 8-10 м.

После порезки на ножницах заготовка в течение 10 с должна передаваться по рольгангу на прокатный стан. Упрощенные инженерные формулы позволяют рассчитать теплосодержание заготовки перед прокаткой. В момент входа заготовки в прокатную клеть среднемассовая температура заготовки составляет 1017 °С, поверхности - 860 °С. Для выравнивания температуры заготовки по сечению и подогрева поверхности металла целесообразно подогревать заготовку на установке индукционного нагрева мощностью 1140 кВт. В процессе прокатки выделяется тепло деформации, эквивалентное приросту температуры на 40 °С.

Литература

1. С т е б л о в А. Б., Б е р е з о в С. Н., Т а и р б е к о в М. М. и др. Проектирование и строительство металлургического микрозавода // Литье и металлургия. 2013. № 1. С. 17-20.

2. Р и м е н В. Х., Б р о в м а н М. Я., К у л и к А. Б. Инженерная методика расчета температурного режима прокатки на заготовочных станах // Изв. вузов. Черная металлургия. 1974. № 8. С. 66-69.

3. С т у к а ч А. Г. Расчет охлаждения металла при горячей прокатке // Сталь. 1955. № 7. С. 626-629.