МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ГРЕСС Олександр Володимирович

УДК 669.18:621.74.047

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ і ПРАКТИКИ КОМПЛЕКСНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

БЕЗПЕРЕРВНОГО ЛИТТЯ БЛЮМОВиХ ЗАГОТовок

Спеціальність 05.16.02

«Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Дніпродзержинськом державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Огурцов Анатолій Павлович,

Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри металургії сталі і ливарного

виробництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Казачков Євген Олександрович,

Приазовський державний технічний університет,

завідувач кафедри теорії металургійних процесів

(м. Маріуполь)

доктор технічних наук, професор

Поляков Володимир Федорович,

завідувач відділу фізико-технічних проблем

виробництва сталі Інституту чорної металургії

НАН України (м. Дніпропетровськ)

доктор технічних наук

Тарасевич Микола Іванович,

завідувач відділу математичних методів дослідження та комп’ютерних технологій Фізико-технологічного

інституту металів і сплавів НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться «03» липня 2008 р. о 12 годині 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України (49005, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий «27» травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.084.03, доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

e-mail:

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Ключовою проблемою чорної металургії України на цей час є скорочення витрат енергетичних і матеріальних ресурсів на виробництво металопродукції, у тому числі яка виготовляється з блюмової сталевої заготовки. Істотного поліпшення техніко-економічних показників її виробництва на фоні поліпшення якості можна досягти при використанні установок безперервного лиття.

Підтвердженням цьому служить стійка світова тенденція до збільшення частки машин, що відливають блюмові безперервнолиті заготовки. На початок 1998 р. у світі експлуатувалося близько 270 блюмових машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), причому їхня частка вже в 1986 р. перевищувала 50У СНД число таких МБЛЗ становить 26 (31,7 %), в Україні – 3 (33,3 %). Запланований концепцією розвитку гірничо-металургійного комплексу України обсяг виробництва в 2010 р. 25 млн. т прокату вимагає, у тому числі, 11 блюмових МБЛЗ.

В умовах України спорудження МБЛЗ ведеться, головним чином, шляхом «вбудовування» установок безперервного лиття в уже діючі цехи «старих» заводів, що не мають, як правило, достатнього запасу виробничих площ для нового цінного обладнання. Тому на цей час актуальною проблемою вітчизняних металургів є розробка і впровадження на вже діючих підприємствах комплексних науково-обгрунтованих технологій, що передбачають підготовку металу і його безперервне лиття на існуючому устаткуванні і дозволяють створювати якісну продукцію із заданими споживчими якостями при мінімальних витратах матеріальних, енергетичних і трудових ресурсів.

Одержання якісної безперервнолитої заготовки зумовлюється: 1) умовами захисту рідкого металу; 2) технологією рафінування металу від моменту його випуску зі сталеплавильного агрегату до подачі в кристалізатор, включно; 3) гідродинамікою металу в проміжних ковшах і у рідкій лунці МБЛЗ; 4) умовами кристалізації. Перші два питання досліджені досить широко, інші – менше через складність одержання первинної інформації. Недостатньо вивчені, зокрема: процеси тепломасообміну у великовантажних багаторучайних проміжних ковшах, у блюмових кристалізаторах, у тому числі при подачі в них газу; лікваційні процеси, що протікають при формуванні блюмових заготовок, а також при накладенні на метал, що кристалізується, зовнішнього впливу. Знання закономірностей процесів, що протікають при безперервному розливанні, дозволить підняти на новий рівень керування якістю металопродукції.

Рішення проблеми можливо на основі досліджень і аналізу гідродинаміки, тепло- і масообміну рідкого металу в процесі розливання і кристалізації, створення сполучених математичних моделей для моделювання впливу технологічних факторів і розробки технологічних прийомів підготовки виплавленого металу до розливання, раціональних і оптимальних умов розливання, кристалізації і вторинного охолодження заготовки, і повинне носити комплексний характер, поєднуючи положення ряду суміжних наукових дисциплін - гідродинаміки, теорії фазових переходів, теплотехніки і термомеханіки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Матеріали дисертаційної роботи являють собою узагальнення наукових результатів, отриманих автором за період з 1994 по 2007 р. при виконанні науково-дослідних робіт відповідно до планів НДР Дніпродзержинського державного технічного університету (ДДТУ), науково-дослідного інституту теорії і технології металургійних процесів ДДТУ, і відповідають концепції розвитку чорної металургії України до 2010 р. Автор був керівником або відповідальним виконавцем ряду науково-дослідних робіт (номера державної реєстрації держбюджетних робіт: 0198U005708, 0100U005206, 0102U001845, 0104U000810; госпрозрахункових робіт: 131/94/585–94, 4Н/95/627–95, 8Н/96/045–645, 10Н/97/045–668–97, 101/98/045–693/98–2405–02, 102/98/045–692/98–2404–02, 901Н/98/045–691/98–2404–02), які були базовими для підготовки й подання дисертаційної роботи. Тема дисертації відповідає науковому напрямку кафедри металургії сталі і ливарного виробництва ДДТУ.

Мета і завдання дослідження.

Метою роботи є розробка науково обґрунтованої ресурсо- і енергозберігаючої комплексної технології одержання безперервнолитих блюмових сталевих заготовок із заданими споживчими властивостями на основі дослідження і аналізу гідродинаміки, тепло- і масообміну рідкого металу в процесі розливання і кристалізації, створення сполучених математичних моделей для моделювання впливу технологічних факторів і розробки технологічних прийомів підготовки виплавленого металу до розливання, раціональних і оптимальних умов розливання, кристалізації і вторинного охолодження заготовки.

Об'єкт дослідження – процес одержання безперервнолитої блюмової заготовки.

Предмет дослідження – теплофізичні процеси, тепло- і масообмін, фазові перетворення, газодинаміка і гідромеханіка в процесах розливання і кристалізації безперервнолитої сталевої заготовки.

У зв'язку із цим, у дисертаційній роботі вирішувалися наступні задачі:

· дослідження тепломасообмінних і термомеханічних процесів, що відбуваються при формуванні сталевих безперервнолитих заготовок, з метою визначення конкретних механізмів зовнішнього впливу на їхні якісні характеристики;

· дослідження тепломасообмінних процесів при формуванні безперервнолитих сталевих заготовок з метою уточнення механізму ліквації домішок при кристалізації металу й удосконалення математичної моделі цього процесу;

· дослідження процесів вторинного охолодження безперервнолитої заготовки, що забезпечують, з використанням розроблених пристроїв і технологій, при мінімальних матеріальних, енергетичних і трудових витратах, одержання металопродукції з заданими споживчими властивостями;

· дослідження тепломасообмінних і гідродинамічних процесів, що протікають у проміжних ковшах і кристалізаторах МБЛЗ, з метою розробки пристроїв і технологій, що забезпечують підвищення стійкості і ефективності роботи проміжних ковшів і кристалізаторів, пристроїв дозування металу, захисту металу від вторинного окислення;

· розробка пристроїв і заходів, що забезпечують зниження забруднення сталі неметалічними включеннями (НВ), у тому числі, на ділянці підготовки металу до безперервного розливання, і стабільне одержання безперервнолитих заготовок з заданими споживчими властивостями.

Методи дослідження. У роботі використані сучасні розрахункові і експериментальні методи дослідження, що дозволяють визначити закономірності тепломасообмінних і термомеханічних явищ, які супроводжують одержання безперервнолитої заготовки, включаючи математичне моделювання (чисельний експеримент), фізичне моделювання з використанням відповідних критеріїв подібності, методи активного експерименту. Теплотехнічні виміри, металографічні і хімічні дослідження якості металу, механічні випробування зразків проведені за стандартними методиками, що забезпечує порівнянність отриманих результатів. Всі експериментальні виміри виконані з використанням повірених приладів.

Наукова новизна отриманих результатів.

Отримані в дисертаційній роботі нові наукові результати дозволили вирішити важливу для металургії проблему, пов'язану з розробкою комплексної науково-обґрунтованої технології одержання блюмової заготовки з заданими споживчими властивостями. Установлено, що рішення проблеми повинно носити комплексний характер, поєднуючи положення ряду суміжних наукових дисциплін - гідродинаміки, теорії фазових переходів, теплотехніки і термомеханіки. У результаті теоретичних і експериментальних досліджень тепломасообмінних і термомеханічних процесів в області теорії і практики комплексної технології безперервного лиття блюмових заготовок були отримані наступні нові наукові результати:

1. Одержала подальший розвиток теорія кристалізації сплавів різного складу, яка базується на урахуванні наявності в сплаві, який кристалізується, мікрообластей з різним хімічним складом, що має значення для одержання металопродукції з мінімальним розвитком лікваційних явищ. Отримані модельні уявлення підтверджені сучасними методами аналізу кінцевого стану заготовки, одержаної в реальних умовах.

2. Установлено, на основі аналізу результатів моделювання по розробленій математичній моделі тепломасообмінних і термомеханічних процесів при кристалізації сплавів, що розподіл домішок, температури, частки твердої фази і термонапружень у просторі і часі існування зони двофазного стану (ДФЗ) не стабільний і носить хвилеподібний, а не плавний характер, і, як і ступені ліквації, розбіжностей екстремумів концентрацій домішок у готовому зливку, швидкості пересування лікватів по ДФЗ залежить, головним чином, від хімічного складу сталі, перетину заготовки і інтенсивності електромагнітного перемішування рідкої серцевини зливка. Кількісна оцінка динаміки розподілу домішок по ДФЗ дозволяє науково-обґрунтовано визначати технологічні параметри розливання сталі для одержання безперервнолитої заготовки з мінімальним розвитком лікваційних явищ.

3. Визначено, за допомогою розробленої математичної моделі тепломасообмінних процесів при кристалізації сталі, що проникнення регульованих конвективних потоків металу в зону виливаності ДФЗ протягом проміжку часу тверднення, який відповідає часу існування в зоні виливаності позитивної ліквації, сприяє зменшенню лікваційних явищ в готовій заготовці. Показано, що це дозволяє науково-обґрунтовано визначати час і місце накладення на заготовку, що формується, електромагнітного перемішування.

4. Одержано, за допомогою створеної тривимірної сполученої математичної моделі гідродинаміки і тепломасопереносу металу у кристалізаторі, кількісний взаємозв’язок між швидкістю росту твердої кірки і витратами нейтрального газу, що подається в рідкий метал крізь прямоточний занурений стакан. Отримані відомості по раціональному фазовому, температурному, гідродинамічному і концентраційному стану металу в кристалізаторі дозволяють, за рахунок перенаправлення потоків металу, зменшення температури сталі внаслідок збільшення тепловіддачі кристалізатору і газу, поліпшити умови для асиміляції шлаком НВ, знизити в твердій кірці термонапруження при одночасному підвищенні рівномірності її товщини, швидкості розливання металу і якості заготовки. Одержані модельні уявлення підтверджені результатами практичних експериментів.

5. Установлено, за допомогою фізичного, математичного моделювання гідродинамічних і тепломасообмінних процесів, практичного експерименту, що при раціональному перерозподілі теплових і гідродинамічних потоків по об’єму великовантажного багаторучайного проміжного ковша (ПК) трапецеїдальної конструкції температура металу і його хімічний склад вирівнюються на всіх ручаях ПК. Це дає можливість розробляти раціональні конструкції великовантажних багаторучайних ПК трапецеїдальної конструкції з метою зниження втрат металу і підвищення його якості за рахунок змінення конструкції ПК шляхом встановлення в них комплексу перегородок, у тому числі і фільтрувальних, або продувних елементів.

6. Одержано, за допомогою математичного моделювання тепломасообмінних і термомеханічних процесів при формуванні блюмових заготовок досліджених типорозмірів і сортаменту, раціональний взаємозв’язок між розподілом теплових потоків, що відбираються по довжині і периметру заготовок у зоні вторинного охолодження (ЗВО) та їх хімічним складом і геометричними параметрами, який враховує такі параметри оптимізації, як ступінь дисперсності дендритної структури, градієнти температури металу по об’єму затверділої частини зливка, об’єм його рідкої лунки з обмеженням температури поверхні заготовки на виході з бункера ЗВО. Це дозволяє розробляти технологічний процес отримання блюмових заготовок з заданими геометричними параметрами і без тріщин.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються використанням сучасних теорій будови рідких металів, кристалізації сплавів, тепломасообміну, методик аналізу макроструктури і хімічного складу заготовок, коректністю фізичної і математичної постановки задач, використанням результатів промислових експериментів для ідентифікації математичних і фізичних моделей, методів планування експериментів і статистичної обробки експериментальних і практичних даних.

Практичне значення отриманих результатів.

На основі комплексу проведених теоретичних і експериментальних досліджень гідродинамічних і тепломасообмінних процесів, що супроводжують безперервне розливання і формування блюмової сталевої заготовки, її термонапруженого стану, сформульованих принципів, закономірностей і положень одержані наступні практичні результати.

З використанням методів фізичного, математичного моделювання гідродинамічних і тепломасообмінних процесів удосконалена конструкція 49-тонного шестиручайного ПК трапецеїдальної конструкції.

1. Впровадження у виробництво конструкції ПК, що передбачає перерозподіл теплових і гідродинамічних потоків металу в об’ємі ковша шляхом виконання з боку задньої стінки ПК посиленої футерівки розміром 120х2000х1200 мм, підвищило стійкість ковша з 7 до 12,9, в середньому, і більше плавок в серії, якість заготовки при одночасному зменшенні різниці температур на ручаях ПК з 30 до 10 К.

2. З метою вирівняння температури, хімічного складу сталі по ручаях ПК, зменшення в ній вмісту НВ шляхом перерозподілу теплових і гідродинамічних потоків рідкого металу по об’єму ковша запропонована конструкція ПК, обладнаного системами подачі нейтрального газу, або системами перегородок з отворами, у тому числі і фільтрувальними.

3. Здійснений спосіб збільшення стійкості сталерозливного припасу ПК не менш ніж на 10полегшення запуску його ручаїв і зменшення кількості НВ за рахунок використання спеціальної вогнетривкої рамки стопорів.

За допомогою створеної тривимірної сполученої математичної моделі гідродинаміки і тепломасопереносу металу у кристалізаторі, фізичного моделювання визначено і практично доведено, що подача в нього нейтрального газу з раціональною витратою 0,012 м3/т рідкої сталі крізь прямоточні занурені стакани, за рахунок зміни гідродинамічного і теплового стану металу, забезпечує збільшення швидкості його розливання. Зокрема, подача газу у кристалізатор перерізом 335х400 мм підвищила швидкість розливання на 8 % при відсутності гарячих тріщин і одночасному підвищенні якості металу.

На основі результатів моделювання на створеній комп'ютерній моделі, яка дозволяє прогнозувати тепловий, концентраційний і термонапружений стан блюмових заготовок досліджених типорозмірів і сортаменту:

1. Розроблена методика визначення часових меж застосування електромагнітного перемішування, що забезпечує формування безперервнолитої заготовки з мінімальним розвитком лікваційних явищ.

2. Отриманий кількісний взаємозв’язок між раціональним розподілом щільності теплового потоку, що відбирається в процесі кристалізації, по периметру і довжині заготовок та їх хімічним складом і перерізом, що дозволяє отримувати металопродукцію з заданими споживчими властивостями.

3. Розроблена методика прогнозування часу і місця появи у заготовці ймовірних тріщин, яка дозволяє розробляти технології, які не допускають появи тріщин.

4. Одержано аналітичні залежності для: прогнозування якості макроструктури заготовок; розрахунку основних геометричних (металургійна довжина МБЛЗ, довжина бункера ЗВО) і технологічних (швидкість розливання) параметрів безперервного розливання, динаміки просування фронтів кристалізації. Це дозволяє розробляти технології безперервного розливання сталі з отриманням заготовки заданої якості.

5. Розроблена, у тому числі з використанням результатів фізичного моделювання, запатентована і впроваджена в діюче виробництво нова конструкція пристрою вторинного охолодження безперервнолитих заготовок, що забезпечує формування водоповітряного факела заданої форми і не потребує очищення води й застосування кольорових металів на його виготовлення. Розробка відрізняється можливістю застосування нефільтрованої води й відсутністю форсунок, дозволяє створювати пристрої водоповітряного охолодження при мінімальних затратах матеріальних, енергетичних і трудових ресурсів на їхнє виготовлення й експлуатацію.

6. Розроблена і впроваджена система вторинного водоповітряного охолодження блюмових безперервнолитих заготовок, параметри якої забезпечують заданий режим охолодження як по периметру заготовки, так і по її довжині залежно від хімічного складу сталі й швидкості розливання. Це дозволяє отримувати заготовку з заданими геометричними параметрами і без тріщин.

Інженерні пропозиції на ділянці підготовки сталі до безперервного розливання дозволили розробити і впровадити технологію кінцевого розкислення і легування сталі в ковші на УКДС спеціальними, так званими, «розкислювально-легуючими фурмами» (РЛФ) із продувкою металу подаваним крізь них аргоном, що передбачає введення вторинного алюмінію у сталерозливний ківш у вигляді блоків, які виготовляють і наплавляють на РЛФ безпосередньо на робочій площадці УКДС. Це, при одночасному збільшенні стабільності результатів, дозволило підвищити ступінь засвоєння алюмінію, знизити бал по НВ, зменшити брак і поліпшити механічні властивості металопродукції.

Способи, пристрої і технології безперервного лиття заготовок, запропоновані автором, можуть бути використані на металургійних підприємствах, що мають у своєму складі відділення безперервного лиття блюмових заготовок.

Наукові результати, методики і програмні продукти, отримані автором при роботі над докторською дисертацією, перевірені і знайшли схвалення на ДМК, Єнакіївському металургійному заводі, ВАТ ММК ім. Ілліча, ВАТ «Азовсталь» і використовуються в навчальному процесі для студентів металургійного (ДДТУ, ПДТУ) і фізичного (ДонНУ) факультетів.

Документи, що підтверджують практичну реалізацію роботи, наведені в Додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи базуються на дослідженнях, проведених безпосередньо автором. У друкованих працях, наведених в авторефераті і опублікованих у співавторстві, особисто здобувачеві належать: [1] – розділи 3–6 (стор. 126–556), [2] – розділ 2.1 (стор. 18–24), розділ 3 (стор. 32–55), глави 5 й 6 (стор. 104–176), глава 8 (стор. 198–259), які містять у собі відомості про структуру й властивості рідких металів і сплавів, методи підготовки металу до безперервного розливання, основи технології безперервного розливання, особливості формування і якості безперервнолитої заготовки, методику й результати моделювання тепломасообмінних процесів при безперервному розливанні стали; [8–16] – постановка задачі, розробка моделі тепломасообмінних процесів при кристалізації, проведення досліджень, обробка й аналіз їх результатів; [17] – постановка задачі й аналіз результатів; [18, 23, 24] – постановка задачі, розробка лабораторного устаткування, проведення досліджень, аналіз і систематизація результатів; [19] – розробка математичної моделі ліквації домішок, встановлення адекватності, проведення досліджень, обробка й аналіз результатів; [20] – нові режими водоповітряного охолодження, обробка результатів експериментів; [21, 22, 25, 26, 28] – проведення промислових досліджень, обробка результатів і їхній аналіз; [27] – комп'ютерна модель тепломасообмінних процесів у ПК МБЛЗ, аналіз результатів досліджень; [30] – новий пристрій водоповітряного охолодження заготовок.

Проведення промислових експериментів і впровадження результатів розробок проводилося при сприянні й участі співробітників ДДТУ і ДМК. Узагальнення даних, отриманих у результаті досліджень, і висновки зроблені автором самостійно. Основні ідеї і положення дисертаційної роботи розроблені й опубліковані особисто автором.

Апробація роботи. Основні наукові результати досліджень і їх практичне застосування, узагальнені в дисертації, представлені, обговорені й одержали позитивну оцінку на VI конгресі сталеплавильників (Рибниця, 2000), на V Мінському міжнародному форумі по тепло- і масообміну (Мінськ, 2004), конференціях і семінарах: I, II міжнародні конференції «Наука i освіта» (Дніпродзержинськ, 1998; Київ – Дніпропетровськ – Луганськ – Черкаси – Дніпродзержинськ, 1999); VIII–XI Міжнародні науково-технічні конференції «Теорія і практика киснево-конвеpтеpних процесів» (Дніпропетровськ, 1994, 1998, 2002, 2005); VII–IX seminarium naukowe «Nowe technologie i materialy w metalurgii i ingenierii materialowej» (Katowice, 1999–2001); міждержавні конференції «Комп’ютерне моделювання» (Дніпродзержинськ, 1997, 1999–2001); III всеукраїнська науково-методична конференція з міжнародною участю «Екологія та інженерія. Стан, наслідки, шляхи створення екологічно чистих технологій» (Дніпродзержинськ, 2000); VI міжнародна науково-технічна конференція «Тепло- і масообмінні процеси в металургійних системах» (Маріуполь, 2000); I–III всеукраїнські наукові конференції «Математичні проблеми технічної механіки» (Дніпродзержинськ, 2001–2003); науково-технічна конференція «Стан і основні шляхи розвитку безперервного розливання сталі на металургійних підприємствах України» (Харків, 2001); всеросійська науково-технічна конференція «Сучасна металургія початку нового тисячоріччя» (Липецьк, 2001); міждержавна науково-методична конференція «Проблеми математичного моделювання» (Дніпродзержинськ, 2002, 2005); міжнародна науково-технічна конференція «Прогресивні технології безперервного лиття сталі XXI сторіччя» (Донецьк, 2002); науково-методична конференція «Сучасні проблеми виробництва сталі і керування якістю підготовки фахівців» (Маріуполь, 2002); міжнародна наукова конференція «Сучасні проблеми теорії і практики виробництва якісної сталі» (Маріуполь, 2004); І міжнародна науково-практична конференція «Наука: теорія та практика – 2006»; III Міжнародна науково-практична виставка-конференція «Лиття 2007» (Запоріжжя, 2007); міжнародний науково-технічний конгрес «Сучасні матеріали й технології в металургії і машинобудуванні» (Київ, 2007).

Публікації. Основні результати роботи викладені в 2 монографіях, 27 статтях у спеціалізованих наукових журналах і збірниках наукових праць і 1 патенті, також є 2 монографії, 64 статей, тез доповідей і патентів по темі дисертації, що не ввійшли в зазначене число праць.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, семи розділів з висновками по кожному з них, загальних висновків і викладена на 302 сторінках машинописного тексту, містить 36 таблиць, 130 рисунків, список використаних літературних джерел з 393 найменувань і 39 сторінок 4-х додатків. Загальний обсяг роботи 461 сторінка.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність роботи, її відповідність цілям і завданням Національної Програми розвитку ГМК України 2005–2010 р.р., сформульовані проблема, цілі, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, наукові результати, практичне значення і реалізація досліджень, особистий внесок здобувача, наведені дані по апробації і публікації результатів роботи.

У першому розділі проведений аналіз сучасного стану технології безперервного лиття сталі і вибір напрямків досліджень.

Відмінною рисою розвитку безперервного лиття в СРСР було будівництво великих МБЛЗ, в основному слябових, для розливання металу з ковшів великої місткості. В Україні, на відміну від світових показників, МБЛЗ блюмового типу з розливанням з великовантажних багаторучайних ПК поки широкого застосування не одержали.

Запланований концепцією розвитку ГМК України обсяг виробництва в 2010 р. 25 млн. т прокату вимагає 41 МБЛЗ, у тому числі 11 блюмових і 18 сортових (14730 тис. т), причому 48,7прокату може бути отримано з безперервнолитих заготовок перетином 300х360 мм і більше.

Аналіз сучасного стану технології й наукових пошуків в області безперервного лиття блюмових заготовок не виявив комплексних наукових і технологічних рішень, що дозволяють вирішити важливу металургійну проблему розробки науково-обґрунтованої комплексної технології безперервного лиття блюмових заготовок із заданими споживчими властивостями й малими витратами матеріальних, енергетичних і трудових ресурсів. Визначено, що рішення проблеми можливо на основі досліджень і аналізу гідродинаміки, тепло- і масообміну рідкого металу в процесі розливання і кристалізації, створення сполучених математичних моделей для моделювання впливу технологічних факторів і розробки технологічних прийомів підготовки виплавленого металу до розливання, раціональних й оптимальних умов розливання, кристалізації і вторинного охолодження заготовки, і повинно носити комплексний характер, поєднуючи положення ряду суміжних наукових дисциплін – гідродинаміки, теорії фазових переходів, теплотехніки і термомеханіки.

Проведені в умовах ДМК комплексні статистичні дослідження залежностей показників якості безперервнолитої блюмової заготовки від умов її виробництва підтвердили висновки, зроблені на основі аналітичного огляду.

Зокрема, розробці ефективної технології одержання блюмової заготовки високої якості сприяють удосконалення: технології розкислення і легування сталі в стальковші; технології захисту сталі від вторинного окислення; гідродинаміки потоків металу в ПК і кристалізаторі; умов тверднення металу; температурно-швидкісних режимів безперервного розливання сталі в сукупності з розробкою відповідних пристроїв.

У другому розділі наведені загальна методика й основні методи досліджень тепломасообмінних процесів при підготовці металу до лиття й литті безперервнолитої заготовки.

Зокрема: викладені основні характеристики методів фізичного і математичного моделювання тепломасообмінних процесів у ПК, кристалізаторах, ДФЗ зливка; наведені методики розрахунків термонапружень у тілі заготовки, що формується, проведення промислових експериментів і обробки результатів дослідів.

При математичному моделюванні тепломасообмінних процесів у ПК рівняння гідродинаміки й теплопереносу вирішувалися в декартових координатах у двомірній постановці (розрахунковою областю був горизонтальний переріз ПК):

; (1)

; (2)

, (3)

де Qсум – параметр, що враховує теплоту фазового переходу при кристалізації сталі й тепловіддачу в навколишнє середовище; p – тиск; – теплопровідність; T – температура; – кінематична в'язкість; V – швидкість; – прискорення вільного падіння; індекс «ж» – рідка фаза.

При чисельному тривимірному моделюванні тепломасообміну в кристалізаторі динаміка газорідинної системи описувалася сполученою математичною моделлю, що одержала розвиток у роботах Недопьокіна Ф.В., Білоусова В.В., Самохвалова С.Є. і представленою системою рівнянь

; (4)

; (5)

; (6)

, (7)

де – барицентрична швидкість середовища газ–розплав; – швидкість спливання пухирців газу; – час процесу; а – коефіцієнт об'ємного газовмісту; ; D – коефіцієнт турбулентної дифузії газової фази; с – теплоємність; – густина; індекс «еф» – ефективне значення величини.

Турбулентний характер руху врахований використанням в обох моделях ефективних коефіцієнтів в'язкості і дифузії, які включають апроксимаційну і турбулентну складові. Намерзання кірки металу розраховувалося на основі рішення рівняння теплопровідності Фур'є в наближенні квазирівноважної ДФЗ.

Всі рівняння були доповнені відповідними початковими і граничними умовами.

Поставлені задачі вирішувалися чисельно в природних змінних методом розщеплення, що реалізований у вигляді трьохетапної схеми розщеплення, який є комбінацією методу розщеплення по фізичних факторах для рівняння гідродинаміки і перерахункової різницевої схеми М.І. Никитенко.

Практично всі службові характеристики металу пов'язані із процесом його кристалізації і зумовлюються, в першу чергу, явищами макроперіодичності розподілу домішок у сталі, що кристалізується.

Досить вдалі спроби пояснити появу зональної ліквації масопереносом домішок конвективними потоками рідкого металу припускають наявність на верхівках дендритів, що знаходяться біля поверхні ізоліквідусу, дифузійного прикордонного шару, який містить підвищену кількість лікватів. Причиною цього є направлений масоперенос домішок у просторі ДФЗ при кристалізації сплавів.

Великий внесок у вивчення питань кристалізації зливків внесли Вейнік А.Й., Іванцов Г.П., Сладкоштєєв В.Т., Євтєєв Д.П., Рутес В.С., Потанін Р.В., Скворцов О.О., Акіменко О.Д., Самойлович Ю.А., Дюдкін Д.О., Смірнов О.М., Поляков В.Ф. та ін. Також надзвичайно цікава й сучасна теорія об'ємно-послідовної кристалізації, заснована на працях В.О. Єфімова, Є.О. Казачкова, О.М. Скребцова, Ю.М. Яковлєва, В.С. Дуба, С.Я. Скобло та ін.

Завдяки їм на цей час накопичений значний експериментальний і теоретичний матеріал з питань формування зливка і безперервнолитої заготовки, що дозволяє робити досить обґрунтовані висновки про застосування тієї або іншої теорії кристалізації.

До найбільш сучасних розробок у напрямку розвитку теорії кристалізації варто віднести теорію квазирівноважної ДФЗ В.Т. Борисова. У той же час, ця теорія і наступні розробки, що її розвивають, не вільні й від деяких недоліків, пов'язаних, у першу чергу, з питаннями визначення концентраційного стану зливка. Зокрема, роль гідродинамічного руху рідини у ДФЗ, частіше за все, зводиться до збільшення ефективного коефіцієнта дифузії. Реалізація такого припущення переносить положення теорії Г.П. Іванцова про експонентний характер розподілу домішок і температури в дифузійному шарі на всю ДФЗ. При наявних спробах чисельної реалізації моделі квазирівноважної ДФЗ передбачається залежність перерізу рідкої фази від коефіцієнта розподілу однієї домішки, у той час як у реальності ліквує багато компонентів розплаву, причому ступінь ліквації кожного ліквату залежить від активностей інших компонентів сплаву.

Для розрахунку процесу ліквації домішок при кристалізації безперервнолитої заготовки використовувалася двомірна модель. Як розрахункова область приймалася чверть поперечного перерізу заготовки. Рівняння теплопровідності для твердої і двофазної розрахункової області тіла має вигляд:

(8)

де L – теплота фазового переходу; – частка твердої фази; індекс «т» – тверда фаза, «ж» – рідка фаза.

У моделі всі теплофізичні характеристики, крім т і ж, залежали від хімічного складу і температури сталі. За ж у рідкій лунці прийняте його ефективне значення. На межі тверда кірка – рідкий метал задавали граничні умови третього роду, що залежать від місця розташування розрахункового перерізу на технологічній осі МБЛЗ і її конфігурації. Швидкість руху потоків металу в кристалізаторі приймали відповідно до результатів фізичного і математичного моделювання. На поверхні заготовки, залежно від цілей дослідження, задавали граничні умови I–III роду. Розрахунки робилися із застосуванням неявної різницевої схеми з розщепленням по напрямкам.

Зміну маси (mi,j) затверділого металу в розрахунковому i,j-му осередку в інтервалі температур кристалізації визначали по формулі

, (9)

де mi,j – маса i,j-го розрахункового об’єму; n – розрахунковий проміжок часу; індекси «s» й «L» – відповідно, солідус і ліквідус.

Дійсна температура в розрахунковій точці залежить від співвідношення часток твердої й рідкої фаз:

. (10)

Процес переносу домішки при кристалізації заготовки описується рівнянням дифузії домішки виду

(11)

де С – концентрація ліквата; D – коефіцієнт дифузії домішки; індекс «i» – номер домішки.

Рівняння (11) було доповнено відповідними початковими і граничними умовами.

Величина Vi знаходилася відповідно до рівняння Дарсі

, (12)

де К – коефіцієнт проникності ділянки фільтрації; – коефіцієнт динамічної в'язкості рідини, що фільтрується; lф – довжина зони фільтрації; Pi – перепад тиску в зоні фільтрації.

, (13)

де – коефіцієнт поверхневого натягу на межі кристал – i-а домішка; h – висота стовпа рідкого металу над розглянутим перерізом; – кут нахилу капіляра до горизонталі; л, l1 – відповідно, густина розплаву з i-ю домішкою (змінюється залежно від концентрації лікватів) і відстань між дендритами першого порядку, яка залежить від швидкості кристалізації.

Для фізичного моделювання гідродинаміки металу в ПК використовувалася його прозора модель, виконана в масштабі 0,2. Як робоча рідина застосовувалася вода. Визначальними були число Фруда й критерій гомохронності.

Модель кристалізатора виконана прозорою, у масштабі 0,6 реального зразка. При моделюванні гідродинаміки металу дотримували рівності чисел Вебера, Фруда, Ньютона. Як моделюючу рідину використовували воду.

Розрахунки термомеханічних напружень у тілі заготовки, що формується, виконувалися з використанням методик, викладених у роботах Рудого Л.С., Самойловича Ю.А., Іодко Е.А.

Промислові дослідження тепломасообмінних процесів на УКДС, у ПК, у кристалізаторі, у ЗВО МБЛЗ, макроструктури і хімічного складу заготовок проводилися з використанням стандартних методик на заводському повіреному устаткуванні.

Обробка результатів активних і пасивних експериментів проводилася з використанням методів математичної статистики.

Повна реалізація такого комплексу досліджень дозволила вирішити поставлену в роботі проблему.

У третьому розділі за допомогою фізичного, математичного моделювання і промислових експериментів досліджені особливості роботи багаторучайних ПК МБЛЗ, пристроїв і способів підвищення їхньої стійкості й ефективності.

Адекватність математичної моделі встановлювалася за допомогою порівняння отриманих даних: по швидкості потоків – з результатами фізичного моделювання, по тепловій картині – з даними контрольних вимірів на промисловому ПК. Відносна похибка в обох випадках не перевищувала 9

Аналіз результатів досліджень дозволив виявити, що конструкція експлуатованих на цей час на більшості підприємств великовантажних багаторучайних ПК трапецеїдальної конструкції не задовольняє умовам одержання якісної металопродукції, оскільки не забезпечує: 1) рівності теплових і хімічних характеристик металу на всіх ручаях ПК; 2) необхідної стійкості сталерозливного припасу ПК; 3) достатнього ступеня рафінування металу в ПК від НВ; 4) відсутності виносу крапель металу на ранній стадії наповнення ПК. Все це призводить до підвищення витрат на виробництво продукції, частки браку, порушенням технології і т.і.

У результаті комплексу досліджень установлено, що при раціональному перерозподілі теплових і гідродинамічних потоків металу по об’єму великовантажного багаторучайного ПК трапецеїдальної конструкції температура сталі і її хімічний склад вирівнюються на всіх ручаях ПК. Для шестиручайного 49-т ПК трапецеїдальної конструкції запропоноване раціональне місце подачі затопленого струменя металу зі стальковша й виконання в ПК ряду перегородок і фільтрувальних елементів. Зокрема (рис. 1), навколо місця падіння струменя металу зі стальковша доцільно розташовувати прийомну ємність квадратного поперечного перерізу висотою, рівною висоті вогнетривкої перегородки, виконаної уздовж ПК. Ємність має в торцевих стінках чотири ряди отворів діаметром (у перерахуванні на оригінал) 50–60 мм загальною площею 490 см2. Отвори площею перерізу 200 см2 у поздовжній перегородці ПК знаходяться на рівній відстані між 2-м і 3-м, 4-м і 5-м ручаями.

Високу ефективність з погляду вирівнювання властивостей металу по ручаях ПК показала установка продувних елементів для подачі нейтрального газу під місцем подачі металу зі сталерозливного ковша і на відстані 300 мм від 1-го і 6-го ручаїв трапецеїдального ПК у напрямку до його поперечної осі.

Чисельними і промисловими дослідженнями встановлена необхідність захисту дозуючих пристроїв ПК. За допомогою методів фізичного і математичного моделювання розроблені способи, визначені конструктивні параметри пристроїв захисту сталерозливного припасу ПК, що забезпечують полегшення запуску ручаїв і поліпшення якості сталі шляхом ліквідації затягування НВ у кристалізатор. Випробування в промислових умовах запатентованих вогнетривких захисних рамок стопорів, що плавають уздовж тіла стопора на межі шлак – метал, показали, що при їхньому використанні стійкість відповідного сталерозливного припасу може бути збільшена не менш ніж на 10

У четвертому розділі наведені результати дослідження тепломасообмінних процесів у блюмових кристалізаторах МБЛЗ.

Проведений комплекс фізичного, математичного моделювання і промислових досліджень дозволив докладно вивчити тепломасообмінні явища у блюмовому кристалізаторі МБЛЗ, у тому числі, при подачі в метал нейтрального газу крізь прямоточні занурені стакани. Відносна похибка між результатами математичного, фізичного моделювання і промислового експерименту не перевищувала 10

Рис. 1. Проміжний ківш з перегородками і фільтруючими елементами

Визначено, що при витратах газу понад 0,014 м3/т рідкого металу вся внутрішня порожнина зануреного стакана заповнена газорідинною сумішшю. Зниження витрати газу призводить до поділу порожнини стакана на дві зони – верхню, зі струминним плином рідини, і нижню – газорідинну. Положення рівня розподілу залежить від витрати газу, зменшення якої приводить до росту розмірів верхньої зони. Збільшення подачі газу в струмінь металу, при необхідності збереження масової витрати останнього, вимагає збільшення величини відкриття сталерозливного отвору, що, за рахунок зниження ефекту дроселювання, подовжує термін служби відповідного розливного припасу.

Установлені поля швидкостей у радіальному кристалізаторі блюмової МБЛЗ, у тому числі, при подачі в нього нейтрального газу, які були використані при моделюванні ліквації домішок у заготовці. Підтверджено, що глибина проникнення потоків металу в кристалізатор при подачі аргону в досліджених межах зменшується в 1,4–1,7 рази в порівнянні з технологією без його подачі. Знайдено, що подача нейтрального газу в кристалізатор крізь прямоточний занурений стакан дозволяє організувати в ньому рух рідини, подібний такому при використанні пристроїв електромагнітного гальмування металу. А саме - високотемпературні потоки рідкої сталі зміщуються у верхню частину кристалізатора і змінюють свій напрям, що призводить до: зменшення температури металу за рахунок збільшення тепловіддачі кристалізатору і газу; підвищення якості заготовки за рахунок поліпшення умов для асиміляції шлаком НВ; підвищення рівномірності товщини твердої кірки заготовки за рахунок зменшення глибини проникнення високотемпературних потоків металу у рідку лунку заготовки при одночасному зниженні в її кірці термонапружень.

Визначено, що розташування циркуляційних зон, їх швидкісні і температурні характеристики, зміна швидкості наростання твердої оболонки в кристалізаторі по периметру і його довжині залежать від витрати металу, газу, глибини занурення стакана й співвідношення сторін кристалізатора. За інших рівних умов, збільшення діаметра стакана, витрати газу, зменшення глибини занурення стакана, витрати металу сприяють менш глибокому проникненню потоків рідини в кристалізатор і відповідному збільшенню швидкості розливання завдяки зростанню товщини й рівнотовщинності твердої кірки на виході з кристалізатора.

На рис. 2 представлено поле швидкостей руху рідини, об'ємна концентрація газу в розплаві і динаміка затвердіння металу в блюмовому (перетином 335х400 мм) кристалізаторі на різній відстані від меніска металу і зануренні патрубка на 120 мм при швидкості розливання 0,6 м/хв (цифри біля ізоліній відповідають частці газу в розплаві, м3/м3).

Рис. 2. Тепломасообмін на різній відстані від меніска металу в кристалізаторі при витраті аргону 0,012 м3/т

Аналіз отриманих даних показав, що в поперечному перерізі кристалізатора виникає ряд шнуроподібних вихорів, розташування й інтенсивність яких залежать від витрати металу, газу і профілю кристалізатора. Зміна товщини кірки по периметру і висоті кристалізатора носить складний характер та визначається швидкісними і температурними характеристиками потоків рідкої сталі. У квадратному кристалізаторі товщина кірки по гранях заготовки рівномірно зменшується в напрямку до їхніх центрів. У кристалізаторі з неоднаковими стінками метал із трохи меншою швидкістю кристалізується в центрі широкої грані, а також на деякій відстані від центра вузької грані, обумовленою профілем кристалізатора й умовами розливання.

Промислові дослідження динаміки наростання твердої кірки металу з подачею в кристалізатор аргону проводили шляхом введення в кристалізатор МБЛЗ ДМК (переріз 335х400 мм) сірки і наступного аналізу сірчаних відбитків відібраних поперечних темплетів. Підтверджено, що в межах кристалізатора зростання товщини твердої кірки (, мм) не підкоряється закону квадратного кореня ( – час кристалізації, с; R – коефіцієнт кореляції):–

по стороні великого радіуса: =2,0700,6, R=0,98; (14)–

по стороні малого радіуса: =1,9970,6, R=0,99; (15)–

по вузькій грані: =2,1590,6, R=0,98. (16)

Нами, за допомогою створеної тривимірної сполученої математичної моделі гідродинаміки і тепломасопереносу металу у кристалізаторі, встановлено кількісний взаємозв’язок між зростанням швидкості кристалізації кірки заготовки (vкр, м/хв) та інтенсивністю подачі газу (Qг, м3/т):

vкр=0,162 Qг, R=0,96. (17)

Розрахунки по рівнянню (17) показують, що при піднятті витрати аргону до його раціонального значення 0,012 м3/т, яке не призводить до оголення дзеркала металу, за рахунок збільшення швидкості кристалізації кірки заготовки перетином, наприклад 335х400 мм, та її рівнотовщинності, можливе підняття швидкості розливання на 8

У п'ятому розділі досліджені лікваційні процеси при кристалізації сталевої заготовки.

З метою дослідження процесу ліквації розчинених у металі домішок при розробці чисельної моделі враховували наявність в сплаві, що кристалізується, декількох видів мікрообластей з різним хімічним складом. Факт наявності в сплаві таких мікронеоднорідностей підтверджений роботами Г.М. Єланського, В.О. Кудріна, В.І. Явойського, К.С. Філіппова, В.М. Залкіна, П.С. Харлашина та ін. Мікрообласті відокремлені одна від одної шаром відносно чистого від домішок розплаву і взаємодіють між собою згідно законам міжатомних хімічних взаємодій. По мірі кристалізації розплаву мікрообласті, збагачені домішками, переміщуються в просторі ДФЗ у результаті капілярного ефекту. Область, що звільняється між дендритами, займає матковий розплав.

Різна швидкість переміщення лікватів і характер їхнього розподілу по перерізу зливка пояснюється рухом у міждендритному просторі ДФЗ відповідних мікрообластей, що відрізняються одна від одної фізичними властивостями (густиною, поверхневим натягом на межі кристал – рідина і т.п.), які, у свою чергу, залежать від енергії міжатомної взаємодії домішок і матриці.

Нами припущено, що про величину можна судити по зміні коефіцієнтів активності складових компонентів. Для практичних розрахунків використовувалася формула, що є розвитком розробок Саратовкіна Д.Д.:

, (18)

де 0 – поверхневий натяг чистого металу; а, b – константи, відмінні для кожного i-го