Введение

    В последние два десятилетия в науке и промышленности ведутся серьезные исследования, направленные на увеличение производительности МНЛЗ и минимизацию затрат, непосредственно связанных с организацией процесса литья. В этом аспекте крайне важным технологическим элементом является обеспечение высокого показателя серийности разливки непосредственно из одного промковша [1-3]. Это обеспечивает стабильность работы МНЛЗ, а также снижает удельные затраты на огнеупоры, обеспечивающие литье, и удельные отходы металла, связанные с остановкой МНЛЗ. В этом аспекте технологические функции промковша МНЛЗ постоянно трансформируются и становятся все более обширными, чем это было предусмотрено первоначальными проектами.

Актуальность темы

    Длительность разливки стали из одного промковша сортовой МНЛЗ лимитируется двумя основными факторами: износом стаканов-дозаторов и опережающим износом футеровки промковша в зоне падения струи, вытекающей из сталеразливочного ковша. Практика последнего десятилетия показывает, что проблема износа внутренней полости стаканов-дозаторов полностью решается путем оптимизации технологии подготовки стали к разливке и применением устройств для быстрой замены стаканов-дозаторов, которые в настоящее время разработаны несколькими зарубежными фирмами [2-4]. Такие устройства предполагают расположение под днищем промковша специальной кассеты, имеющей, по крайней мере, два стакана-дозатора, быстрая установка которых в рабочее положение (цикл перемещения стакана-дозатора составляет около 0,2 секунды) осуществляется с помощью специального гидропривода. Применение устройства для быстрой замены стакана-дозатора обеспечивает, по меньшей мере, повышение стабильности процесса литья за счет хорошей организации течения струи и квазипостоянного мгновенного расхода стали, а также минимизации вторичного окисления металла на участке промковш-кристаллизатор.

Цели и задачи работы

    Целью настоящего исследования являлось изучение особенностей перемешивания металла и шлака в промковшах многоручьевых МНЛЗ на физической и математической модели и разработка оптимальной конструкции металлоприемника, обеспечивающего повышение эксплуатационной стойкости футеровки рабочего слоя применительно к условиям конкретной МНЛЗ. При разработке конфигурации металлоприемника были приняты следующие технологические соображения: конструкция металлоприемника должна обеспечивать торможение падающей струи и ограничивать турбулентность потоков, вызванных падением струи металла из сталеразливочного ковша; конструкция металлоприемника должна ограничивать турбулентное перемешивание металла с покровным шлаком определенной зоной и предотвращать интенсивное перемешивание металла и шлака у стен промковша в зоне падения струи; положение и конфигурация окон металлоприемника должны обеспечивать направленное движение однородных циркуляционных потоков в направлении дальних стенок промковша (то есть отверстий крайних ручьев) и предотвращать прямое попадание порций металла из сталеразливочного ковша в стаканы-дозаторы средних ручьев. Реализация вышеперечисленных функций может быть достигнута при использовании металлоприемника так называемой «ведрообразной» формы с боковыми окнами для направленно истечения стали. Эффективность применения металлоприемников такой геометрической формы во многом зависит от его геометрических размеров и расположения применительно к конкретному промковшу и параметрам разливки. Поскольку конвективные потоки, формирующиеся в металлоприемнике и промковше, в основном регулируются воздействующими на них инерционными и гравитационными силами, то оптимизацию геометрической формы металлоприемника целесообразно выполнить с привлечением физического и математического моделирования. Динамическое подобие между моделью промковша, в котором потоки являются турбулентными, и его промышленным аналогом могут должным образом соблюдаться при сохранении тождественности числа Фруда [5]. Подобие коэффициента Фруда между моделью и полномасштабным промковшом обусловливает необходимость соответствия скорости притока воды в модельной системе к скорости притока жидкого металла в промышленном промковше. При этом, как показывают исследования, выполненные, например, в работах [6-8], в условиях развития турбулентных потоков величина числа Рейнольдса в различных промковшах вне зависимости от их конфигурации и размеров будет практически одинаковой.

Основные результаты

    В результате выполненных визуальных наблюдений установлено, что при определенных размерах и конфигурации металлоприемника могут быть созданы такие условия, которые будут ограничивать турбулентное перемешивание металла с покровным шлаком зоной металлоприемника. При этом большое значение приобретает истечение металла из окон металлоприемника в объем промкомша. Установлено также, что при определенном положении струи и окон друг относительно друга может наблюдаться вихревая турбулизация в областях прилегающих к окнам металлоприемника с внешней стороны. Наличие таких областей следует рассматривать как негативное явление, приводящее к ускоренному разрушению огнеупоров промковша и металлоприемника. На распространение потоков в жидкой ванне промковша существенное влияние оказывают положение окон металлоприемника относительно поперечного сечения промковша, а также конфигурация их сечения. В целом же, как видно из рис.4, рациональная конфигурация металлоприемника может обеспечить движение потоков жидкости параллельно длинным стенкам промковша. При этом вытекающие из промковша конвективные потоки первоначально движутся вдоль зеркала жидкости и попадают в периферийную зону объема жидкости, где располагаются стаканы-дозаторы крайних ручьев многоручьевой МНЛЗ. Затем потоки жидкости постепенно изменяют направление движения на преимущественно нисходящие к днищу потоки, которые продолжают движение, как к крайним, так и к средним стаканам-дозаторам. Фактически представленная схема движения потоков характеризуется отсутствием зон критической турбулентности (в том числе и у поверхности раздела шлак-металл), а также «мертвых» зон, которые слабо вовлекаются в перемешивание. Это особенно важно в случае разливки металла сверхдлинными сериями в плане обеспечения стабильности процесса литья. При этом рассмотренная картина движения конвективных потоков в основном сохраняется при падении уровня жидкости в промковше на 35-40%. Выполненные с помощью математического моделирования исследования особенностей движения потоков стали в промковше 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ в целом хорошо корреспондируются с результатами, полученными в ходе физического моделирования. Это, прежде всего, относится к направлению движения основных конвективных потоков и их поведения областях, прилегающих к стенкам промковша. В тоже время установлено, что весьма значимым для обеспечения рациональной картины движения конвективных потоков является положение окон металлоприемника относительно оси падающей струи. Так, при смещении положения окон (или позиции металлоприемника) всего на 70-80 мм (в поперечном сечении промковша) могут наблюдаться зоны повышенной турбулентности в областях, прилегающих к стенкам промковша и металлоприемника, что следует рассматривать как нежелательное явление, приводящее к ускоренному износу футеровки промковша. Оптимизация геометрических параметров окон металлоприемника была выполнена с помощью математического моделирования перемещения потоков стали в ванне промковша. Основными критериями, используемыми для оптимизации, были отсутствие зон повышенной турбулентности в областях, прилегающих к футеровке промковша, минимизация количества и протяженности так называемых «мертвых» зон, а также примерно равное время перемещения стали от металлоприемника до любого стакана-дозатора промковша. Наиболее сложным, как показали исследования, является соблюдение последнего условия. Тем не менее, в результате выполненных расчетов установлено, что при определенных геометрических размерах окон металлоприемников удается выполнить это условие. В настоящей работе принята схема, при которой время движения частиц металла от приемника до 1-го, 2-го, 5-го и 6-го ручьев примерно на 15-20% меньше, чем для средних ручьев, находящихся непосредственно у стенки металлоприемника. Подобная картина движения потоков сохраняется при увеличении размеров проема окон (эрозия стенок металлоприемника в процессе разливки) не более чем на 10-15% Полученные результаты исследований влияния конфигурации металлоприемника на организацию рациональной схемы движения конвективных потоков были использованы для дальнейшей разработки конструкции металлоприемника шестиручьевого промковша сортовой МНЛЗ.

Выводы

    1. Разливка стали на многоручьевых сортовых МНЛЗ сверхдлинными сериями лимитируется износом рабочего слоя футеровки промковше в зоне шлакового пояса и области падения струи, вытекающей из сталеразливочного ковша. Существенного увеличения стойкости футеровки промковша удается достичь при применении металлоприемников специальной геометрической формы, учитывающей специфику конкретного промковша и условий разливки.
    2. Не существует универсальных решений для оптимальных геометрических параметров промковшей и металлоприемников. Выбор конструктивных решений для металлоприемников должен осуществляться в привязке к конкретным решений с использованием методов физического и математического моделирования.

    3. В результате выполненных исследований разработана принципиально новая конструкция металлоприемника, обеспечивающая разливку сверхдлинными сериями для многоручьевых сортовых МНЛЗ. В условиях конвертерного цеха ОАО «Енакиевский металлургический завод» достигнута максимальная серийность разливки 64 плавки, что соответствует разливке 9,3 тыс. т стали из одного промковша. Предполагается, что при организационных, технических и технологических предпосылках этот показатель может быть увеличен, по меньшей мере, в 1,5 раза.

Перечень используемой литературы

1. 1.Wolf M. Bloom and Billet Casting: Overview // Proceedings 3rd European Conference on Continuous Casting, Madrid (Spain), October 20-23, 1998. – Madrid: 1998. – P.515-524.
2. Pindor J., Michalek K. Application of tundish metallurgy for improvement of steel quality and increasing of continuous casting operational parameters// Proceedings 3rd European Conf. on Continuous Casting, Madrid (Spain), October 20-23, 1998. – Madrid: 1998. – P.1025-1028.
3. Энергосберегающий ресурс непрерывной разливки в условиях современного конвертерного цеха / А.Н.Смирнов, А.А.Ларионов, С.П.Матвеенков, А.Н.Токий // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2003. №3.-С. 21-24
4. Irwing W.R. Continuous Casting of Steel. – Cambridge: The University Press, 1993. – 207 p.
5. Dainton A.E. A novel tundish flow control system // Advanced Steel 1997-98. – P.143-145.
6. Tanikawa K., Ishiguro S., Matsuo K. Improvement of Steel Quality by Advanced Tundish Technology in New Slab Caster at Kakogawa Works, Kobe Steel, Ltd. // ISIJ International. 1996. Vol.36. – P.81-84.
7. Combined Modeling of Inclusions Behavior During Tundish Process / A.Smirnov, S.Grydin, S.Louhenkilpi e.a. // 6th European Conference on Conyinuous Casting. Riccione, Italy, 2008. – AIM, 2008 (CD). – 10 p.
8. Optimization of Molten Steel Flow in Billet Continuous Casting Tundish at Trinecke Zelezarny/ K.Michalek, J.Pindor, R.Lebeda e.a. // Continuous casting of Billets. 2-nd International Conf. Trinec (Czech rep.). 1997. – P.59-69.
9. Papay F., Schlichting B. Intermix on a 5-Strand Bloom // Steelmaking Conf. Proc., (ISS). – 1999. Vol.82. – P.183-188.
10. Dorricott J.D., Heaslip L.J., Hoagland P.G. Asymmetric Tundish Design and Flow Control Principles in Multistrand Billet ad Bloom Casters // Electric Furnace Conf. Proc., (ISS). – 1990. Vol.48. – P.119-124.
11. Пути повышения стойкости промежуточных ковшей в ОАО ЕМЗ / С.П.Черненков, А.Г.Коваленко, Т.В.Лапшина, Е.Н.Дымченко // Сталь. 2007. №11. – С.21-22.

    Важное замечание

        При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. Полный текст работы и материалы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    email: kravchenko.dpi@gmail.com  

    © ДонНТУ 2009 Кравченко А. В.

    ---