Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ

Рассмотрены существующие подходы к обеспечению высокоскоростной непрерывной разливки сортовой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса формирования твердой корочки в кристаллизаторе и установлены основные факторы, влияющие на темп ее наращивания. Выполнен сравнительный...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Смирнов, А.Н., Ухин, В.Е., Жибоедов, Е.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2009
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Новые методы и прогрессивные технологии литья
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114095
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, Е.Ю. Жибоедов // Процессы литья. — 2009. — № 1. — С. 33-42. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-114095
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1140952017-03-01T03:02:11Z Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Жибоедов, Е.Ю. Новые методы и прогрессивные технологии литья Рассмотрены существующие подходы к обеспечению высокоскоростной непрерывной разливки сортовой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса формирования твердой корочки в кристаллизаторе и установлены основные факторы, влияющие на темп ее наращивания. Выполнен сравнительный анализ влияния интенсивности теплоотвода на характер формирования твердой корочки в кристаллизаторе. Показано влияние локального изменения теплоотвода от поверхности заготовки на изменение ее конфигурации. Розглянуті існуючі підходи до забезпечення високошвидкісного безперервного розливання сортової заготівки. Представлені результати фізичного моделювання процесу формування твердої скоринки в кристалізаторі й встановлені основні фактори, що впливають на темп її нарощування. Виконано порівняльний аналіз впливу інтенсивності тепловідвода на характер формування твердої скоринки в кристалізаторі. Показано вплив локальної зміни тепловідвода від поверхні заготівки на зміну її конфігурації. Existing approaches for high-speed continіuous billet casting ensuring are considered. The results of physical simulation of solid shell formation the mould are presented and the major factors that have an influence on its growth rate build-up are determined. The comparative analysis of heat removal intensity influence on the nature of solid shell formation in the mould is made. The influence of local heat removal changing from billet surface on its reconfiguration is shown. 2009 Article Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, Е.Ю. Жибоедов // Процессы литья. — 2009. — № 1. — С. 33-42. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114095 669.18-412: 621746.6 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья
spellingShingle	Новые методы и прогрессивные технологии литья Новые методы и прогрессивные технологии литья Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Жибоедов, Е.Ю. Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ Процессы литья
description	Рассмотрены существующие подходы к обеспечению высокоскоростной непрерывной разливки сортовой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процесса формирования твердой корочки в кристаллизаторе и установлены основные факторы, влияющие на темп ее наращивания. Выполнен сравнительный анализ влияния интенсивности теплоотвода на характер формирования твердой корочки в кристаллизаторе. Показано влияние локального изменения теплоотвода от поверхности заготовки на изменение ее конфигурации.
format	Article
author	Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Жибоедов, Е.Ю.
author_facet	Смирнов, А.Н. Ухин, В.Е. Жибоедов, Е.Ю.
author_sort	Смирнов, А.Н.
title	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ
title_short	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ
title_full	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ
title_fullStr	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ
title_full_unstemmed	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ
title_sort	физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной мнлз
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Новые методы и прогрессивные технологии литья
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114095
citation_txt	Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ / А.Н. Смирнов, В.Е. Ухин, Е.Ю. Жибоедов // Процессы литья. — 2009. — № 1. — С. 33-42. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT smirnovan fizičeskoemodelirovanieuslovijformirovaniânepreryvnolitojsortovojzagotovkivkristallizatorevysokoskorostnojmnlz AT uhinve fizičeskoemodelirovanieuslovijformirovaniânepreryvnolitojsortovojzagotovkivkristallizatorevysokoskorostnojmnlz AT žiboedoveû fizičeskoemodelirovanieuslovijformirovaniânepreryvnolitojsortovojzagotovkivkristallizatorevysokoskorostnojmnlz
first_indexed	2025-07-08T06:56:06Z
last_indexed	2025-07-08T06:56:06Z
_version_	1837060868023517184
fulltext	Новые методы и прогрессивные технологии литья ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 33 Cписок литературы 1. Медовар Б. И., Миринский Г. С., Шевцов В. Л. Центробежное электрошлаковое литье. — Киев: Зна- ние, 1983. — 48 с. 2. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла / Б. И. Медовар, В. Л. Шевцов, В. М. Мар- тын и др. /Под ред. Б. Е. Патона, Б. И. Медовара — Киев: Наук. думка, 1988. — 216 с. 3. Электрошлаковый металл / Под ред. Б. Е. Патона, Б. И. Медовара. – Киев: Наук. думка, 1981. – 680 с. 4. Участок электрошлаковых технологий на Государственном предприятии «Научно-проиводст- венный комплекс газотурбостроения «Зоря» - «Машпроект» / А. В. Горячек, В. В. Романов, С. В. Блохин и др. // Металлургия машиностроения. – 2007. – № 6. – С. 34-36. Поступила 15.07.2008 УДК 669.18-412: 621746.6 А. Н. Смирнов, В. Е. Ухин, Е. Ю. жибоедов* Донецкий национальный технический университет МОН Украины, Донецк *ОАО «Енакиевский металлургический завод», Енакиево ФИзИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИй ФОРМИРОВАНИЯ НЕ- ПРЕРЫВНОЛИТОй СОРТОВОй зАГОТОВКИ В КРИСТАЛЛИзАТОРЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОй МНЛз Рассмотрены существующие подходы к обеспечению высокоскоростной непрерывной раз- ливки сортовой заготовки. Представлены результаты физического моделирования процес- са формирования твердой корочки в кристаллизаторе и установлены основные факторы, влияющие на темп ее наращивания. Выполнен сравнительный анализ влияния интенсив- ности теплоотвода на характер формирования твердой корочки в кристаллизаторе. Пока- зано влияние локального изменения теплоотвода от поверхности заготовки на изменение ее конфигурации. Розглянуті існуючі підходи до забезпечення високошвидкісного безперервного розливан- ня сортової заготівки. Представлені результати фізичного моделювання процесу форму- вання твердої скоринки в кристалізаторі й встановлені основні фактори, що впливають на темп її нарощування. Виконано порівняльний аналіз впливу інтенсивності тепловідвода на характер формування твердої скоринки в кристалізаторі. Показано вплив локальної зміни тепловідвода від поверхні заготівки на зміну її конфігурації. Existing approaches for high-speed continіuous billet casting ensuring are considered. The results of physical simulation of solid shell formation the mould are presented and the major factors that have an influence on its growth rate build-up are determined. The comparative analysis of heat removal intensity influence on the nature of solid shell formation in the mould is made. The influence of local heat removal changing from billet surface on its reconfiguration is shown. Ключевые слова: заготовка, разливка, непрерывное литье, кристаллизатор, физическое моделирование. Эволюция развития технологии непрерывного литья сортовой заготовки характе- ризуется стремлением производителей максимально увеличить скорость разливки при обеспечении высоких кондиций твердой заготовки в части геометрической конфигура- ции и отсутствия поверхностных трещин [1-3]. В последние два десятилетия основной прогресс в разливке сортовой заготовки достигается при использовании гильзовых кри- сталлизаторов, внутренняя полость которых имеет сложную геометрическую форму и 34 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 Новые методы и прогрессивные технологии литья в значительной степени учитывает особенности наращивания твердой корочки в кри- сталлизаторе (теплоотвод, скорость наращивания твердой корочки по периметру, усад- ку, внутренние напряжения в твердой оболочке и другие) [4-7]. На практике фирмы- производители гильз кристаллизаторов для сортовых МНЛЗ при разработке конфигура- ции их внутренних профилей используют определенные конструкционные и техноло- гические соображения, которые далеко не всегда декларируются в журнальных статьях и патентах, что затрудняет выбор рациональных параметров литья применительно к конкретным технологическим условиям. Не выполняя углубленного анализа известных конфигураций гильз, отметим лишь, что у большинства производителей нижняя половина гильзы представляет собой квази- параболический профиль, рассчитанный, видимо, для определенных технологических условий (скорость разливки, химический состав стали и другие) [8, 9]. Однако реальные условия эксплуатации гильз показывают, что так называемый параболический профиль гильз не всегда в полной мере соответствует оптимальным условиям разливки. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит локальный износ поверхности гильз в от- дельных ее частях (преимущественно в углах нижней части гильзы), что, соответствен- но, ухудшает условия отвода тепла от поверхности заготовки и способствует короблению твердой корочки. Не менее важным элементом конструкции гильзы является и профиль ее верхней части. Как правило, различные фирмы-производители предусматривают раз- личную конусность верхней части гильзы, что следует рассматривать как свидетельство различных концептуальных подходов в части поведения заготовки в верхней части кри- сталлизатора [10]. Собственно, для обеспечения высокой эффективности разливки не- обходимо учитывать эти концептуальные подходы непосредственно в процессе литья, что наиболее важно в случае отклонения технологических параметров от номинальных. Цель настоящей статьи заключается в идентификации основных процессов и явле- ний, которые сопровождают формирование твердой корочки заготовки в кристалли- заторе и исследование влияния на процесс наращивания твердой корочки различного рода возмущений, имеющих периодический и несимметричный характер. В качестве основных возмущающих факторов, влияющих на процесс формирования твердой ко- рочки, были приняты неравномерный отвод тепла по грани и в углах заготовки, а также неравномерный отвод тепла, связанный либо с износом части внутренней поверхности кристаллизатора, либо с отхождением поверхности заготовки от поверхности гильзы кристаллизатора вследствие несоответствия их профилей. Наиболее эффективным методом исследования динамики затвердевания различно- го рода слитков является физическое моделирование, поскольку в этом случае удается контролировать отвод тепла от исследуемого объекта в совокупности с визуализацией основных процессов, сопровождающих наращивание твердой фазы [11-13]. При этом особое значение приобретает выбор моделирующего вещества, которое должно не толь- ко обладать оптической прозрачностью, но также иметь определенную совокупность теплофизических характеристик, позволяющих обеспечить соответствующую систему критериев подобия. Дополнительным условием, которое представляется, на наш взгляд, крайне важным, является затвердевание вещества по дендритному механизму. Как показывает анализ, в наибольшей степени вышеперечисленным требованиям удо- влетворяет химическое соединение камфен (2,2-диметил-3-метилен-бициклогептан), которое затвердевает с образованием дендритной структуры. При этом в жидком состоя- нии камфен сохраняет оптическую прозрачность вплоть до полного затвердевания. Те- плофизические свойства камфена, которые были определены авторами в лабораторных условиях, приведены в табл. 1. При физическом моделировании процессов затвердевания непрерывнолитой сорто- вой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ решались следующие зада- чи: определение наиболее характерных стадий процесса затвердевания сортовой заго- товки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ; количественная оценка параметров продвижения фронта затвердевания; исследование влияния параметров охлаждения на трещинообразование в твердой корочке. Было принято, что моделирование процессов затвердевания целесообразно осуществлять, имитируя поперечное сечение заготовки. Новые методы и прогрессивные технологии литья ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 35 Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рис. 1. Расплав камфе- на затвердевает в модели поперечного сечения кристаллизатора сортовой МНЛЗ, кото- рый изготовлен из алюминиевого сплава (рис. 1, 1), что обеспечивает высокую интенсив- ность отвода тепла. Высота модельного слоя жидкости составляет 20 мм. Внутри модели кристаллизатора вмонтированы медные трубки (рис. 1, 2) диаметром 5 мм, через кото- рые с определенным расходом пропускается охлаждающая вода. К нижней части модели приклеено прозрачное стекло (рис. 1, 3), которое позволяет визуализировать процессы затвердевания при пропускании света через жидкую ванну. Соответственно, при такой схеме интенсивность теплоотвода через водоохлаждаемые стенки модели на несколько порядков выше, чем через мениск моделирующего вещества и прозрачное стекло. Физи- ческая модель выполнена в масштабе 1:1 по отношению к моделируемому объекту – не- прерывнолитой сортовой заготовке сечением 100×100 мм. Температура заливки камфена составляла 42 ± 0,5 0С. Среднее значение температуры воды для охлаждения стенок модели составляло 18-20 0С. Процесс затвердевания наблюдался визуально и фиксировался с по- мощью цифровой видеокамеры. По полученным видеофайлам осуществлялась количе- ственная оценка кинетики затвердевания и трещинообразования в затвердевшей корочке. Темпе- ратура соли- дус, 0С Темпе- ратура ликви- дус, 0С Теплота кристал- лизации, кДж/кг Теплоемкость, кДж/(кг·К) Температу- ропровод- ность, м2/с Поверхностное натяжение, Н/м Кинема- тическая вязкость, м2/сжидкий твердый 33 35 40,2 2,4 2,1 1,3 · 10-8 0,021 7,2 · 10-6 Таблица 1. Некоторые физические и теплофизические свойства камфена Рис. 1. Общая схема лабораторной установки для моделирования процесса за- твердевания заготовки в кристаллизаторе: 1 – фиксирующая рама; 2 – осве- тительные лампы; 3 – фиксаторы для поддержания кристаллизатора; 4 – кри- сталлизатор; 5 – отверстия для пропускания охлаждающей воды; 6 – твердый слой камфена, намерзший в ходе затвердевания; 7 – жидкий объем модели- рующего вещества; 8 – прозрачное органическое стекло с низкой теплопрово- дностью; 9 – видеокамера 36 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 Новые методы и прогрессивные технологии литья В разработанной модели предусмотрена возможность регулирования расхода охлаж- дающей воды для каждой грани в отдельности и измерения расхода посредством рас- ходомера. Температура воды на входе и выходе из модели измерялась при помощи ртутного термометра с точностью ± 0,1 0С. Газовый зазор между кристаллизатором и затвердевающей корочкой моделировался посредством наклеивания на внутреннюю сторону стенки или угла модели теплоизолирующей прокладки определенной толщины. Компенсация различий в теплофизических параметрах стали и камфена осуществля- лась путем регулирования интенсивности режимов отвода тепла таким образом, чтобы выполнялось условие тождественности произведения критерия Био (Bі) и критерия фазового перехода (N) (Bі·N = іdem). Временной масштаб моделирования μτ опреде- ляли, исходя из идентичности критерия Фурье (Fo = іdem) в соответствии с формулой ,2 L st m a a µ⋅=µτ (1) где a m и a st — коэффициенты температуропроводности, соответственно, моделирующего вещества и стали. При этом наличие развитой двухфазной зоны учитывалось посредством эффектив- ных значений коэффициентов температуропроводности, которые определялись при по- мощи следующего уравнения: ),/(/ крэф TLCa Δ+ρλ= (2) где λ – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м·К); ρ – плотность вещества, кг/м3; С – средняя массовая теплоемкость вещества, кДж/(кг·К); L – теплота кристал- лизации вещества, кДж/кг; ΔТ кр – интервал температур затвердевания, 0С. Для осуществления сравнительных количественных оценок динамики наращивания твердой корочки в зависимости от условий охлаждения использовалась широко извест- ная эмпирическая зависимость ,τ×=δ k (3) где δ – толщина твердой корочки; τ – время затвердевания; k – коэффициент затверде- вания, определяемый экспериментально. При этом динамика процессов затвердевания легко оценивается по значению коэф- фициента затвердевания k, поскольку толщина твердой корочки для заданного времени затвердевания определяется в ходе физического моделирования. В соответствии с выполненными качественными и количественными оценками уста- новлено, что в ходе моделирования достаточно адекватно воспроизводятся процессы наращивания твердой корочки по грани и в углах заготовки. Исследования выполня- лись последовательно в несколько этапов, что предполагало возможность дифферен- цированной количественной оценки основных параметров, характеризующих процесс наращивания твердой корочки в кристаллизаторе. На первом этапе исследований оценивалось влияние интенсивности охлаждения на динамику формирования твердой корочки. Для этих целей две соседние грани кристалли- затора охлаждались водой с расходом 0,818 л/мин каждая. А две другие — в одном случае с расходом 0,409 л/мин, а в другом – 0,080. Результаты экспериментов представлены на рис. 2. В целом для всех исследуемых ситуаций можно выделить два наиболее характерных этапа затвердевания. На первом этапе (начало затвердевания) величина коэффициента затвердевания k непрерывно растет до достижения определенного значения, которое за- висит от интенсивности теплоотвода. В дальнейшем величина коэффициента затвердева- ния остается примерно одинаковой в достаточно большом временном интервале. Мож- но принять, что на этом участке процесс наращивания твердой корочки характеризуется высокой степенью стабильности. Поэтому сравнительные оценки динамики процессов формирования твердой корочки выполнялись именно в этом временном интервале. Новые методы и прогрессивные технологии литья ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 37 В ходе экспериментов установлено, что при уменьшении расхода жидкости на охлаждение стенок модели на 50 % толщина твердой корочки моделирующего веще- ства в середине грани уменьшается соответственно на 6,0-6,5 %, а коэффициент за- твердевания — на 14,0-14,5 %. При тех же условиях для угла модели толщина корочки снизилась на 17,5-18,0 %, а коэффициент затвердевания — на 21,0-21,5 %. В случае же уменьшения расхода жидкости до 0,08 л/мин толщина затвердевшего слоя уменьшилась соответственно на 14,0-15,0 и 17-18 %, а коэффициент затвердевания — на 18-19 и 19-20 %. Та- ким образом, при изменении условий теплоотвода на физической модели удалось иденти- фицировать соответствующее изменение темпа прироста твердой корочки. При этом неравномерная толщина твердой корочки по различным участкам периметра заготов- ки обусловливает развитие внутренних растягивающих и сжимающих напряжений, которые приводят к появлению трещин в твердой фазе. а б Рис. 2. Динамика продвижения фронта затвердевания (а) и изменения коэффициента затвердевания (б) в зависимости от режима охлаждения граней модели: а, г – интенсив- ность охлаждения 0,818 л/мин; б, д – интенсивность охлаждения 0,409 л/мин; в, е – ин- тенсивность охлаждения 0,080 л/мин 38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 Новые методы и прогрессивные технологии литья Принимая во внимание тот факт, что в практике непрерывной разливки может на- блюдаться отделение части твердой корочки от внутренней поверхности гильзы (в силу искажения профиля или износа отдельных участков поверхности гильзы), на втором этапе исследований были выполнены эксперименты для оценки влияния газового за- зора на динамику затвердевания заготовки и трещинообразование в корочке. При этом рассматривались две наиболее вероятные ситуации: образование газового зазора в углу кристаллизатора и образование газового зазора вдоль грани кристаллизатора. Для имитации уменьшения интенсивности теплоотвода при отхождении твердой корочки заготовки в углу (или середине грани) модели кристаллизатора наклеивался определенный слой теплоизоляционного материала. В ходе экспериментов слой те- плоизоляционного материала варьировался по толщине (1 и 2 мм), что обеспечивало эффект изменения интенсивности теплоотвода. Обобщая приведенные в табл. 2 данные относительно изменения толщины твердой корочки для различных условий, следует от- метить, что уменьшение интенсивности теплоотвода в значительной степени проявля- ется на начальных этапах формирования твердой корочки (до толщины 6-8 мм). При моделировании уменьшения интенсивности теплоотвода в углу заготовки отмечено существенное отставание темпа продвижения фронта затвердевания при наличии те- плоизоляционных прокладок на толщинах до 5-6 мм. В дальнейшем темп наращива- ния твердой корочки для всех случаев примерно выравнивается, что подтверждается близкими значениями коэффициента затвердевания k. Между тем, как видно из приведенных фотографий (рис. 3), характерной особенно- стью процесса формирования твердой корочки в местах с уменьшенным теплоотводом (теплоизоляционные прокладки) является образование большого количества мелких трещин, которые располагаются вдоль направления отвода тепла. Размещение этих тре- щин носит достаточно локальный характер — по периметру зоны расположения те- плоизолирующих прокладок. При этом трещины представляют собой тонкие разрывы сплошности твердой корочки, тянущиеся, видимо, вдоль границ дендритных кристал- лов на глубину 5-8 мм. Количество трещин на единицу длины периметра твердой ко- рочки возрастает с увеличением толщины теплоизолирующей прокладки. Это, веро- ятно, можно рассматривать как подтверждение того факта, что наиболее вероятным механизмом происхождения этих трещин являются внутренние напряжения в твердой корочке, которые формируются вследствие неравномерного ее охлаждения. При этом растрескивание происходит в тех областях твердой корочки, которые охлаждаются ме- нее интенсивно и имеют меньшую величину линейной усадки в сравнении с областями твердой корочки, затвердевающими с более высокой скоростью. Эффект образования трещин в твердой корочке в случае локального уменьшения теплоотвода хорошо проявляется и при установке теплоизолирующих прокладок вдоль грани. На рис. 4 представлен характерный результат моделирования, в котором на го- ризонтальной (положение на фотографии) грани устанавливалась теплоизоляционная а б в Рис. 3. Характерный вид твердой корочки заготовки после затвердевания в кристаллизаторе: а – без теплоизолятора; б и в – с теплоизоляторами толщиной 1 и 2 мм, установленными в углу кристаллизатора Новые методы и прогрессивные технологии литья ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 39 З на че ни я ве ли чи н У го л С ер ед ин а гр ан и вр ем я от н ач ал а за тв ер де ва ни я, с 54 0 72 0 90 0 10 80 12 60 14 40 16 20 54 0 72 0 90 0 10 80 12 60 14 40 16 20 То лщ и н а ко ро чк и с и н те н си вн о- ст ью о хл аж де н и я 0, 81 8 л/ м и н , м м 6, 1 7, 1 7, 6 8, 5 9, 2 10 ,2 11 ,3 3, 5 4, 0 4, 5 5, 0 5, 6 6, 0 6, 4 К оэ ф ф и ц и ен т за тв ер де ва н и я k с и н те н си вн ос ть ю о хл аж де н и я 0, 81 8 л/ м и н , м м /с 0, 5 0, 26 0, 27 0, 28 0, 27 0, 27 0, 28 0, 28 0, 14 0, 17 0, 17 0, 17 0, 18 0, 17 0, 17 То лщ и н а ко ро чк и с о дн и м с ло ем те п ло и зо ля то ра , 1 м м 2, 8 4, 9 6, 4 7, 4 8, 8 9, 9 11 ,3 0, 2 1, 0 2, 0 2, 5 3, 5 4, 2 5, 0 То лщ и н а ко ро чк и с д ву м я сл оя м и те п ло и зо ля то ра , 2 м м 2, 5 4, 2 5, 7 7, 1 8, 5 9, 9 11 ,3 - - - - - - - К оэ ф ф и ц и ен т за тв ер де ва н и я k с од н и м с ло ем т еп ло и зо ля то ра 0, 12 0, 19 0, 21 0, 22 0, 25 0, 26 0, 28 0, 04 0, 07 0, 08 0, 10 0, 11 0, 12 0, 13 К оэ ф ф и ц и ен т за тв ер де ва н и я k с дв ум я с ло ям и т еп ло и зо ля то ра 0, 11 0, 16 0, 19 0, 22 0, 24 0, 26 0, 28 - - - - - - - Та б л и ц а 2 . Н е ко то р ы е э кс п е р и м е н та л ьн ы е д а н н ы е п о н а р а щ и в а н и ю т в е р д о й к о р о ч ки и в е л и ч и н е к о э ф ф и ц и - е н та з а тв е р д е в а н и я k в з а в и с и м о с ти о т ус л о в и й о тв о д а т е п л а 40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 Новые методы и прогрессивные технологии литья прокладка, а на вертикальной – нет. Так, при толщи- не твердой корочки 4,5 и 6,0 мм (охлаждение без те- плоизоляторов) уменьшение ее толщины посередине грани (с изоляционным слоем) составило соответ- ственно 2,25 и 1,4 раза (см. табл. 2). В дальнейшем фронт затвердевания продвигался примерно с одина- ковой скоростью для всех исследуемых случаев, что, вероятно, объясняется увеличением термического сопротивления отводу тепла через твердую корочку. Выполненные на физической модели исследо- вания позволили установить тот факт, что в случае локального изменения величины интенсивности те- плоотвода от твердой корочки заготовки в кристал- лизаторе МНЛЗ в ней может образовываться боль- шое количество трещин, локально расположенных по периметру заготовки в местах с меньшей интенсивностью теплоотвода. Причиной растрескивания твердой корочки, видимо, следует считать неравномерную усадку металла по периметру заготовки, а так- же низкую прочность и пластичность твердой корочки в области температур затвер- девания [14]. При этом трещины появляются в зонах с меньшей усадкой вследствие появления в них растягивающих напряжений, формирующихся за счет повышенной усадки в соседних зонах. Принимая такую схему формирования твердой корочки заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ, можно предположить, что в углах заготовки, которые отошли от поверхности гильзы кристаллизатора, может наблюдаться возникновение некоторого количества ми- кротрещин, которые, по сути, локально разупрочняют твердый каркас. При этом вслед- ствие действия внутренних напряжений, формирующихся в твердом каркасе в процес- се затвердевания, углы заготовки, в которых имеется повышенное количество трещин, проявляют склонность к макродеформации. В результате этого заготовка в поперечном своем сечении изменяет свою конфигурацию, образуя либо ромб, либо более сложную геометрическую фигуру. При этом, как видно из рис. 5, в углах заготовки могут обра- зовываться диагональные макротрещины, которые делают непрерывнолитую заготовку некондиционной. Рассмотренные явления трещинообразования в твердой корочке непрерывнолитой заготовки в целом находятся в прямой взаимосвязи с условиями разливки и тепловой работы кристаллизатора. Они могут быть предотвращены в значительной степени, если поверхность заготовки будет плотно прилегать к внутренней поверхности гильзы кри- сталлизатора на всем пути ее движения. При создании оптимальной конфигурации вну- Рис. 4. Эффект образования трещин в процессе формирования твердой ко- рочки с изолятором, установленном на грани кристаллизатора Рис. 5. Характерное расположение диагональных трещин на поперечных темпле- тах (квадрат 125 мм) сортовой заготовки: а — 18 мм, б — 16 мм (ромбичность) а б Новые методы и прогрессивные технологии литья ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 41 тренней полости гильзы кристаллизатора необходимо учитывать особенности усадки твердой корочки как по поперечному сечению заготовки, так и по высоте кристалли- затора. Принимая во внимание тот факт, что трещины начинают зарождаться в твердой корочке заготовки уже в верхней части гильзы, целесообразнее конструкционную ко- нусность гильзы в верхней еечасти предусматривать несколько большую, чем усадочная конусность для этой зоны заготовки. Кроме того, усадочная конусность гильзы в ее углах должна быть существенно меньше, чем вдоль ее грани. На практике же определенный внутренний профиль гильзы используется для широ- кого спектра марок сталей, имеющих различный коэффициент линейной и объемной усадок. Кроме того, на величину скорости вытяжки заготовки могут накладываться до- полнительные технологические ограничения. В то же время в процессе разливки могут изменяться скорость литья (например, вследствие износа внутренней полости стакана- дозатора или падения уровня металла в промковше в ходе замены сталеразливочных ковшей), а также положение уровня металла в кристаллизаторе. Все это может привести к существенному отклонению профиля твердой корочки заготовки от внутреннего про- филя гильзы, что создает условия для повышенного износа локальных участков гильзы кристаллизатора. Выводы •Наращивание твердой корочки в кристаллизаторе МНЛЗ происходит достаточно не равномерно. При этом коэффициент затвердевания k в начале формирования твер- дой корочки непрерывно возрастает, а затем имеет примерно постоянное значение. Темп наращивания твердой корочки в углах заготовки почти в 1,5-2,0 раза превышает темп при- роста твердой корочки по грани, что объясняется двухмерным характером отвода тепла в углу кристаллизатора. •Уменьшение интенсивности теплотвода на каком-либо участке твердой корочки снижает темп ее наращивания в этой зоне, что приводит к появлению достаточно боль- шого количества трещин в твердом каркасе, а это локально разупрочняет твердую обо- лочку заготовки и может привести к ее деформации (короблению). •Неравномерное наращивание твердой корочки по периметру заготовки обуславли- вает формирование внутренних напряжений в твердом каркасе, что приводит к искаже- нию профиля заготовки и формированию таких типичных дефектов формы и поверх- ности, как «ромбичность» и продольные подповерхностные угловые трещины. Список литературы 1. Смирнов А. Н., Штепан Е. В., Смирнов Е. Н. Опыт производства сортовых заготовок для длин- номерного проката // Металл. — 2005. — № 1. — С. 44-50. 2. Шалимов А. Г. Высокоскоростная непрерывная отливка стальных заготовок // ОАО «Чер- метинформация». Приложение «Сталеплавильное производство». Новости черной металлур- гии за рубежом. — М.: Черметинформация, 2003. – С. 3-21. 3. Wolf M. Can mini mills cope with high speed casting? // Steel Times International. — 1989. — № 3. – P. 16-19. 4. Хорбах У., Коккендидт Й., Юнг В. Скоростное литье сортовых заготовок через кристаллизато- ры с параболической конусностью // Чер. металлы. — 1998. — № 5. – С. 19-25. 5. Гильзовые кристаллизаторы высокоскоростных сортовых МНЛЗ / В. Б. Ганкин, Б. А.Спивак, Г. И. Николаев и др. // Тяжелое машиностроение. — 1997. — № 5. – С. 19-22. 6. Analys of Thermo-Mechanical Behavior in Billet Casting / J. K. Park, C. Li, B. Thomas, I. V. Sama- rasekera // Proceedings 60th Electric Furnace Conference. ISS. – Warrendale, PA, 2002. – P. 669-685. 7. Высокоскоростное литье мелкосортовых заготовок на МНЛЗ с кристаллизатором «Дайэмоулд» /Ф. Виммер, Х. Тене, Л. Пекштфйнер и др. // Сталь. — 1999. — № 6. – С. 22-26. 8. Технологическое развитие параметров высокоскоростной разливки на сортовых МНЛЗ / А. Н. Смирнов, Г. И. Касьян, А. Я. Минц, Е. В. Штепан // Труды VIII Конгресса Стале- плавильщиков. Нижний Тагил. 18-22 Октября 2004 г. – М.: Черметинформация, 2005. – С. 484-488 9. Schweikle R., Volkert A., Barbe J. High efficiency and reliability, and high casting speed on the billet casters at BSW // 5th European Continuous Casting Conference in Nice. Proceedings. – Paris: La Revuvuede Metalurgie, 2004. – P. 382-389. 42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 1 Новые методы и прогрессивные технологии литья 10. Смирнов А. Н., Жибоедов Е. Ю., Лейрих И. В. Современные тенденции развития конструкции кристаллизаторов для сортовых МНЛЗ // Металлургическая и горнорудная пром-сть, 2005. –№ 6. – С. 13-17. 11. Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях /А. Н. Смирнов, В. Л. Пи- люшенко, С. В. Момот, В. Н. Амитан. — Донецк: Изд-во «ВИК», 2002. – 169 с. 12. Эльдарханов А. С., Ефимов В. А., Нурадинов А. С. Процессы формирования отливок и их моде- лирование. – М.: Машиностроение, 2001. – 208 с. 13. Thomas B. G. Continuous casting: Complex Models // The Encyclopedia of Materials: Science and Technology. – Oxford: Elsevier Science Ltd, 2001. – Vol. 2. – Р. 1599-1609. 14. Strategies for coupled analyses of thermal strain history during continuous solidification proсes- ses /J. R. Boehmer, G. Funk, M. Jordan, F. N. Fett // Advanced in Engineering Software. – 1998. – Vol. 29, № 7-9. – P. 679-697. Поступила 04.09.2007 Вниманию читателей и подписчиКоВ! С 1 января 2009 г. редакция журнала «Металл и литье Украины» из- менила адрес. Статьи для печати в журнале «Металл и литье Украины» необхо- димо высылать по адресу: Украина, 03680, г. Киев-142, пр. Вернад- ского, 34/1, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины. Телефоны: (044) 424-12-50, 459-50-29; факс: (044) 424-35-15, E-mail: mlu@ptima.kiev.ua продолжается подписка журнала на 2009 год Для того чтобы подписаться на журнал через редакцию, необходимо напра- вить письмо-запрос или факс в адрес редакции. Счет-фактура согласно запро- су высылается письмом или по факсу. Стоимость одного журнала – 28 грн. Годовая подписка – 336 грн. (для Украины). Годовая подписка для зарубежных стран – 90 $. Редакция может предоставить электронную версию журнала на компакт- диске. Редакция также может подготовить заказной номер журнала Ориентировочная стоимость заказного номера - 6750 грн. ( объем до 4 уч.- изд. л. ) Ориентировочная стоимость заказного спаренного номера – 1300 грн. ( объем до 8 уч.- изд. л. )

Физическое моделирование условий формирования непрерывнолитой сортовой заготовки в кристаллизаторе высокоскоростной МНЛЗ

Репозитарії

Схожі ресурси