Національна Академія наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Колесніченко

Анастасія Анатоліївна

УДК 621.74.047.063.8:669.14

Вплив нових способів електромагнітного перемішування на формування безперервнолитих заготівок з середньо-

та високовуглецевої сталі

Спеціальність 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів

та спеціальних сплавів»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України

та ТОВ «Нет Шейп Каст (Україна)»

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Дубодєлов Віктор Іванович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

НАН України, м.Київ, завідуючий відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Носоченко Олег Васильович,

ВАТ «Металургійний комбінат «Азовсталь»,

м. Маріуполь, консультант директора комбінату

доктор технічних наук, ст.н.с.

Костяков Володимир Миколайович

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

НАН України, м.Київ, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться «_10_» липня 2008 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 26.232.01 в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ, бульвар Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ, бульвар Вернадського, 34/1.

Автореферат розіслано «_30_» _травня_ 2008 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01

доктор технічних наук |

М.І. Тарасевич

Загальна характеристика роботи.

Актуальність проблеми. Постійне зростання вимог до якості металопродукції зумовлює необхідність вдосконалення високоефективного процесу безперервного розливання сталі.

Для запобігання утворенню відомих дефектів в безперервнолитих заготівках (осьова пористість, фізична, хімічна та структурна неоднорідність), широко використовується керований примусовий рух рідкої фази, який створюється, зокрема, за допомогою електромагнітних сил.

Застосування для цих цілей відомих типів електромагнітних пристроїв не усуває ряд недоліків процесу виготовлення безперервнолитих заготівок: турбулізацію меніска; наявність зон, не охоплених перемішуванням; переважаючий ріст стовпчастих кристалів; наявність зон негативної ліквації. Особливо чітко це проявляється при безперервному розливанні середньо- і високовуглецевих сталей, внаслідок досить широкого інтервалу їх кристалізації. Вказані чинники зумовлюють необхідність проведення додаткових досліджень, спрямованих на вдосконалення існуючої технології і пристроїв для електромагнітного перемішування сталі при її розливанні на сортових машинах безперервного лиття заготівок (МБЛЗ).

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

Дисертаційна робота виконувалась у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів (ФТІМС) НАН України відповідно до ДНТП 5.3. “Ресурсозберігаючі технології нового покоління в гірничо-металургійному комплексі”, НДР (ДР №05.03.03/0049828) “Розробка технології та електротехнічного обладнання для індукційного перемішування рідкої сталі в кристалізаторі машини безперервного лиття заготівок” (2004-2006 рр.), та згідно з угодою між ФТІМС НАН України і ТОВ “Нет Шейп Каст (Україна)” та контрактами вказаної компанії з підприємствами Mittal Steel Ostrava (2005-2007 рр.), ArcelorMitall USA R&D (раніше мало назву Ispat Inland Inc. і Mitall Steel USA R&D) (1999-2007 рр).

Мета роботи: підвищення якості безперервно литої сортової заготівки з середньо- та високовуглецевої сталі шляхом застосування нових способів і технологічних схем електромагнітного перемішування металу та розробки оригінальних магнітогідродинамічних пристроїв для їх реалізації.

Об’єкт досліджень: безперервнолита сталева заготівка, одержана на криволінійних сортових МБЛЗ.

Предмет досліджень: гідродинамічні, магнітогідродинамічні та теплофізичні процеси формування безперервнолитих сортових сталевих заготівок.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- розробити нові концептуальні рішення по підвищенню ефективності електромагнітного перемішування середньо- і високовуглецевих сталей, що розливають на сортових МБЛЗ;

- створити принципові технологічні схеми нових способів та пристроїв електромагнітного перемішування сталі при розливанні її на сортових МБЛЗ, що реалізують запропоновану концепцію, розробити дослідні зразки таких пристроїв та визначити їх електричні і електромагнітні параметри;

- встановити характеристики магнітогідродинамічних, гідродинамічних і теплофізичних процесів та їх вплив на формування безперервнолитих сортових заготівок із середньо- та високовуглецевих сталей в умовах електромагнітного перемішування металу в кристалізаторі МБЛЗ і інших зонах по всій довжині заготівки, що твердне;

- визначити раціональні режими перемішування металу та стабілізації меніска сталі в кристалізаторі, а також параметри роботи нових пристроїв електромагнітного перемішування сталі, що розливається на сортових МБЛЗ;

- дослідити якість безперервнолитих сортових зливків із середньо- та високовуглецевих сталей та одержаної з них металопродукції, виготовлених з застосуванням нових технологій та пристроїв електромагнітного перемішування металу;

- провести промислове випробовування нової технології та електромагнітних пристроїв для перемішування середньо- і високовуглецевих сталей при розливанні на сортових МБЛЗ.

Методи дослідження: аналітичні оцінки; математичне моделювання (у тому числі з використанням сучасного спеціального програмного забезпечення) електромагнітних, гідродинамічних і теплових процесів при виготовленні безперервнолитих сталевих зливків з використанням електромагнітного перемішування; стандартні методи вимірювання електричних і магнітних параметрів пристроїв електромагнітного перемішування сталі; фізичне моделювання та спеціальні методи визначення швидкості руху модельного металу; стандартні методи оцінки макро- і мікроструктури безперервнолитих сталевих заготівок; статистична обробка результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблена нова концепція та спосіб організації одночасного електромагнітного перемішування сталі в кристалізаторі та в кінцевій зоні рідкої лунки безперервнолитих сортових заготівок із середньо- і високовуглецевих сталей, що кристалізуються, за допомогою спеціальних магнітогідродинамічних пристроїв, які одночасно створюють обертальний момент і пульсуючий електромагнітний тиск, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки при роботі у резонансних режимах.

2. Визначено кореляцію електромагнітного перемішування металу із розподілом температур і швидкостей рідкої фази середньо- і високовуглецевої сталі при твердінні безперервнолитого сортового зливку. Визначені раціональні режими електромагнітного перемішування сталі, при реалізації яких на 80 % зменшується глибина проникнення струменя сталі, що надходить з проміжного ковша в кристалізатор МБЛЗ, та на 1018 % збільшується тепловий потік через стінки кристалізатора завдяки стабілізації утвореної в кристалізаторі кірки металу, що затвердів.

3. Вперше встановлено ефект суттєвого поліпшення структури безперервнолитого сортового зливка при використанні акустичних хвиль, спрямованих уздовж осі рідкої лунки в її кінцеву зону, разом з обертальним рухом металу. Доведено, що ініційовані у розплаві при резонансних режимах роботи пристроїв електромагнітного перемішування (ЕМП) пульсації, зумовлюють підплавлення зростаючих при кристалізації зливка дендритів і сприяють утворенню переважно рівновісних кристалів. Показано, що для крупних сортових зливків (перерізом більше ніж 200200 мм) аналогічний ефект досягається при додатковому застосуванні нового неявнополюсного електромагнітного перемішувача, розміщеного в кінцевій зоні твердіння заготівки.

4. Визначено, що застосування нових пристроїв комбінованої електромагнітної дії на рідкий метал, що кристалізується, дозволяє інтенсифікувати процеси тепло- і масопереносу, та міжфазної взаємодії у всіх зонах безперервнолитих сталевих заготівок. При цьому забезпечується: зниження на 20% сегрегації вуглецю в безперервнолитих сортових зливках із середньо- і високовуглецевих сталей; збільшення на 50ч100% зони рівновісних кристалів в зливках із середньовуглецевої сталі та на 40ч60% – в заготівках з високовуглецевої сталі залежно від параметрів розливання і марки сталі; зниження або виключення осьової пористості.

Практичне значення отриманих результатів:

Вперше розроблено і здійснено промислову перевірку на підприємствах Mittal Steel Ostrava A.S. (Чеська Республіка), Mittal Steel Point Lisas Limited (Тринідад і Тобаго), Mittal Steel USA (США) нових способів та пристроїв електромагнітного перемішування сталі і стабілізації збурень на меніску кристалізатора сортових МБЛЗ. Встановлено, що їх використання забезпечило:

- підвищення якості безперервнолитих сортових заготівок, зокрема, їх внутрішньої структури та поверхні, що призвело до зменшення відбраківки виготовлених з них металовиробів (труб) з 1,12,0% до 0,0% та зменшення в 1,52 рази глибини осциляційних рисок в порівнянні з розливкою сталі без електромагнітного перемішування;

- суттєве зниження капітальних вкладень при установці розроблених електромагнітних пристроїв на МБЛЗ.

Особистий внесок автора.

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві:

- науково обґрунтовані основні положення нової концепції організації одночасного електромагнітного перемішування в кристалізаторі та в кінцевій зоні рідкої лунки безперервнолитих сортових заготівок [1];

- створені математичні три - і двовимірні моделі розроблених МГД пристроїв електромагнітного перемішування металу, встановлено взаємозв'язок параметрів їх роботи із розподілом температур і швидкостей рідкої сталі в безперервнолитому зливку, що твердне, визначені раціональні геометричні і електромагнітні параметри розроблених пристроїв [2-4,6];

- за допомогою математичного моделювання автором визначені раціональні режими нового технологічного процесу електромагнітного перемішування сталі і стабілізації збурень на меніску кристалізатора при її розливанні на сортових МБЛЗ, особливістю якого є живлення МГД пристрою для його реалізації полігармонійним струмом [4,5];

- експериментально обґрунтовано достовірність теоретично визначених раціональних режимів та електромагнітних параметрів роботи створених нових МГД пристроїв електромагнітного перемішування металу, визначено їх вплив на характер та інтенсивність руху рідкого металу і формування структури безперервнолитих сортових заготівок [7];

- здійснено дослідно-промислову перевірку нової технології та розроблених МГД пристроїв комбінованого електромагнітного перемішування сталі при розливанні на сортових МБЛЗ, проведено оцінку якості одержаних безперервнолитих зливків з середньо- та високовуглецевих сталей, здійснено аналіз результатів досліджень [7].

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на:

- міжнародних симпозіумах: «The 3rd International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials», квітень 2000 р., Нагоя, Японія; «The 5th International Symposium on Electromagnetic Processing of Materials», жовтень 2006 р., Сендай, Японія;

- міжнародних конференціях: «Fifth International Conference on Fundamental and Applied MHD», вересень 2002 р., Раматуєль, Франція; 3-а Міжнародна конференція «Проблеми промислової теплотехніки», вересень-жовтень 2003 р., Київ, Україна; «Fourth International Conference on Electromagnetic Processing of Materials», жовтень 2003 р., Ліон, Франція; «Прогресивні технології в металургії сталі: XXI століття», жовтень 2004 р., Донецьк, Україна;

- міжнародних науково-технічних конгресах: «Процеси плавки, обробки та розливання металів: відливки, злитки, заготівки», червень 2006 р., Київ, Україна; «Сучасні матеріали і технології в металургії та машинобудуванні», вересень 2007 р., Київ, Україна.

Публікації: Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 6 наукових статтях і збірниках доповідей 6 міжнародних конференцій, подано заявку на патент США, яка знаходиться в стадії розгляду. При цьому п’ять публікацій представлено у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура і об'єм роботи: Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 118 джерел. Дисертаційна робота містить 216 сторінок машинописного тексту, 119 рисунків, 22 таблиці, 40 формул та 4 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і визначено основні завдання досліджень, сформульовані наукові положення, які виносяться на захист, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів з урахуванням особистого внеску автора.

У першому розділі проведений літературний огляд існуючих технологічних процесів безперервного розливання середньо- і високовуглецевої сталі на МБЛЗ та виготовлення сортових заготівок із застосуванням різних систем електромагнітного перемішування.

У другому розділі здійснено порівняльній аналіз традиційної та запропонованої в дисертаційній роботі концепцій електромагнітного перемішування при безперервному розливанні сталі на МБЛЗ.

Показано, що відповідно до існуючої концепції електромагнітного перемішування сталі на МБЛЗ (Рис.1а) активна зона з примусовим рухом розплаву, має локальний характер, а її протяжність майже не перевищує лінійний розмір самого пристрою ЕМП. В результаті інтенсифікація тепло- і масообміну, що відбувається лише в межах активних зон перемішування, дає змогу тільки частково усунути дефекти безперервнолитого зливка, що утворились при його формуванні. При цьому ріст стовпчастих кристалів повністю не пригнічується і при твердненні зливка в зоні між встановленими електромагнітними перемішувачами зберігаються умови для утворення таких кристалів.

При розширенні області інтенсивного тепло- та масообміну на весь об’єм рідкої частини зливка, зона дрібнозернистих кристалів розповсюджується на весь переріз зливка. Це відбувається в разі забезпечення перемішування метала на всьому протязі лунки заготівки, що твердне.

Вказана обставина була покладена в основу розробки нової концепції електромагнітного перемішування (Рис.1б). Для її реалізації в дисертаційній роботі використовувався електромагнітний перемішувач (Рис.2а), розташований в кристалізаторі МБЛЗ, відмінністю якого від відомих було те, що він разом із здійсненням азимутального обертання металу, генерував осцилюючий електромагнітний тиск в кристалізаторі, зумовлюючий поширення акустичної хвилі вниз по зливку, що формувався.

Це сприяло інтенсифікації тепло- та масообміну у всьому об'ємі рідкої частини безперервнолитого сортового зливка.

Хвилі тиску, що створюються електромагнітним перемішувачем, поширюються уздовж зливка та в свою чергу ініціюють в ньому нестаціонарний рух рідкої фази. При цьому амплітуди і частоти пульсацій тиску задаються джерелом електроживлення та схемою комутації котушок індуктора, а також шляхом реверсування напрямку обертання магнітного поля, що створюється перемішувачем.

а) | б)

Рис.1. Принципові схеми електромагнітного перемішування металу при безперервному розливанні сталі та виготовленні сортових заготівок на МБЛЗ: а – існуюча концепція, б – запропонована.

а) |

б)

Рис.2. Принципові схеми розроблених пристроїв електромагнітного перемішування:

а – електромагнітний перемішувач, розташований в зоні кристалізатора, б - електромагнітний перемішувач, розташований в зоні кінцевого твердіння зливка.

Безперевнолитий зливок в гідроакустичному сенсі являє собою відчинений з одного боку канал з твердими піддатливими стінками, наповнений розплавленою сталлю. Рівень швидкостей металевого розплаву електромагнітного перемішувача не перевищує 10 см/с. В’язкі сили в рідині превалюють і течію зазвичай приймають ламінарною та вісісиметричною.

Рішення системи рівнянь Навьє-Стокса, рівнянь нерозривності та енергії дає розподіл варіацій тиску та швидкості в рідкій сталі вздовж зливка. Варіації тиску в глухому кінці каналу для різних чисел Рейнольдса наведені на Рис.3. Ці дані одержані для , де R – розмір безперервнолитого зливка в перерізі, м, а l – довжина його рідкої частини, м. Як видно, в такій системі існують резо- |

Рис.3. Амплітудні характеристики коливань тиску в глухому кінці рідкої частини зливка (Рис.2,б), що збуджуються електромагнітним перемішувачем, для різних значень числа Рейнольдса: 1 – Rea=4106, 2 – Rea=4105, 3 – Rea=4104.

нансні режими (перший, другий і т.п.), при яких інтенсивність згасання тиску та швидкості виявляється найменшою. Це відбувається при частотах: ; ; і т.п. (де , – кругова частота обертання, рад; a – адіабатична швидкість звуку, м/с). Між резонансами ефект поширення хвиль тиску в зливку та пульсуюча течія значно менше проявляються за межами магнітної системи електромагнітного перемішувача. В той же час при наближенні до резонансних значень різко зростають амплітуди коливань середньої швидкості як на вході, так і на виході з тракту.

В запропонованій концепції ЕМП для додаткової інтенсифікації тепло- та масообміну при формоутворенні безперервнолитих крупних заготівок на фінальній ділянці твердіння зливка встановлюється система з одного або двох, розташованих один за одним, нових фінальних неявнополюсних магнітогідродинамічних перемішувачів (Рис.2б). Особливістю цієї системи ЕМП є створення поширеної активної зони перемішування завдяки можливості індуктування в рідкому металі спільного контуру струму для обох перемішувачів значного за величиною (0,851,20 кА) і створення потужного обертального моменту в кінцевій зоні заготівки. Крім того, розширена активна зона перемішування в області кінцевого твердіння заготівки усуває необхідність визначення оптимального місця розташування пристрою ЕМП.

У третьому розділі виконано теоретичний аналіз розроблених пристроїв електромагнітного перемішування з урахуванням їх використання при безперервному розливанні сортових сталевих заготівок. Наведені аналітичні методи, що використовувались для визначення раціональних параметрів електромагнітного перемішування при безперервному розливанні сталі на МБЛЗ. Запропоновані тривимірні і двовимірні математичні моделі розроблених пристроїв ЕМП.

Методом математичного моделювання з використанням спеціальних програм-

них пакетів були визначені геометричні розміри розробленого електромагнітного перемішувача, вбудованого в кристалізатор.

Встановлені раціональні значення частоти, при яких швидкість обертання рідкої фази набуває максимального значення. Показано, що частота повинна бути в межах 46 Гц (Рис.4). |

Рис.4. Залежність швидкості перемішування від частоти живлючого струму.

Розроблені нові технічні рішення, спрямовані на послаблення збурень меніску при роботі електромагнітного перемішувача. Встановлено, що турбулізація меніска суттєво знижується, в разі зменшення щільності магнітного потоку в цій зоні за рахунок встановлення магнітного шунта, або використання для живлення пристрою ЕМП полігармонійних струмів.

Результати проведеного чисельного моделювання показали, що встановлення магнітного шунта дозволяє зменшити на 30%60% азимутальні компоненти швидкості на меніску для частот 15 Гц (типових для ротаційних перемішувачів, розташованих в кристалізаторі).

Ідея живлення ротаційного перемішувача полігармонійним струмом полягає в одночасній дії на сталь в кристалізаторі поля низької частоти, яке забезпечує основний перемішуючий ефект, і одночасно - поля високої частоти, що має протилежний напрям обертання та обумовлює прояв ефекту гальмування руху металу на меніску. Як показали результати розрахунків, виконаних з використанням тривимірних математичних моделей, кардинальне пригнічення швидкості потоків на меніску сталі досягається при застосуванні для живлення індуктора перемішувача двохчастотного струму, низькочастотна складова якого має частоту 0,53,0 Гц, а високочастотна – 1320 Гц і амплітуду струму – 5075% від амплітуди низькочастотної складової.

Методом математичного моделювання була проведена оцінка ступеня інтенсифікації теплопереносу в кристалізаторі при роботі електромагнітного перемішувача. Для оцінки теплового ефекту ЕМП визначалася середня температура в перерізі зливка, що відповідав низу кристалізатора для двох випадків: перемішувач увімкнений і перемішувач вимкнений. Результати розрахунків показали, що електромагнітне перемішування внаслідок створення більш ефективної гідродинамічної обстановки в кристалізаторі МБЛЗ, дозволяє стабілізувати кірку, яка сформувалась, збільшити тепловий потік через стінки кристалізатора, забезпечити інтенсифікацію в середньому на 15 % відведення тепла від зливка.

В процесі вивчення впливу ЕМП на глибину проникнення струменя металу, що надходить з проміжного ковша в кристалізатор МБЛЗ, було встановлено наступне:

- електромагнітне перемішування гальмує струмінь сталі, тому глибина його проникнення у разі застосування нових пристроїв ЕМП менша на 80%, ніж без них (Рис.5);

- подовжні компоненти швидкості у разі застосування розроблюваних пристроїв ЕМП мають більші значення біля стінок кристалізатора, ніж у разі відсутності ЕМП, що дає можливість інтенсифікувати тепловіддачу через стінки кристалізатора. |

Рис.5. Глибина проникнення струменя

сталі, що надходить з проміжного ковша

в кристалізатор МБЛЗ без

та з застосуванням ЕМП.

Для визначення раціональної частоти живлячого струму фінального перемішувача були проведені розрахунки з використанням математичної моделі для інтервалу частот 170 Гц. Отримані результати показали, що при розмірах рідкої частини 1525 % перерізу зливка, максимальний обертаючий момент в новому неявнополюсному перемішувачі досягається при частотах живлячого струму 1540 Гц. В разі, якщо рідка фаза займає більше 25 % перерізу зливка, раціональний діапазон частот становить – 5060 Гц.

Була також проведена оцінка того, якою мірою нові електромагнітні перемішувачі інтенсифікують переміщення маточного розплаву в міждендритному просторі, та як прискорення руху розплаву в рідкій частині зливка сприяє сплощенню фронту кристалізації заготівки. Розмір і форма дендритів були змодельовані з використанням літературних даних про розмір рідкої, твердої фази і двофазної зони залежно від відстані по технологічній осі сортового зливка від меніска. Глибина лунки при розрахунках становила 7 м.

В результаті рішення спряженої електромагнітної і гідродинамічної задач методом кінцевих елементів в двомірній постановці було одержане поле швидкостей в міждендритному просторі (Рис.6).

Так, типовий рівень швидкостей маточного розплаву в міждендритному просторі при роботі нових електромагнітних перемішувачів склав 2 см/с, при цьому завдяки такій достатньо низькій швидкості ефективна теплопровідність зони стовбчастих кристалів збільшилася на порядок (до 270Вт/мК).

Розрахунок температур в різних зонах зливка, що твердне, за наявності течії розплаву в міждендритній зоні, був здійснений шляхом розв’язання нелінійної задачі нестаціонарної теплопровідності в двовимірній постановці. На першому етапі було одержано поле температур в поперечному перерізі зливка на вході у фінальний електромагнітний перемішувач. Цей стан був прийнятий в подальшому як початковий, що і дозволило таким чином задати краєві (початкові і граничні) умови для вирішення рівнянь теплопровідності. При розрахунку початкового стану прийнята форма поперечного перерізу зливка, яка має місце на відстані 7 м від меніска. Граничні умови для розрахунку початкового стану (перед входом в перемішувач): зовнішнє охолодження – водоемульсійне, Тводи = 30С, воды = 900 Вт/м2К (тут Тводи та воды температура та коефіцієнт тепловіддачі охолоджуючої води), товщина кірки тверднучого металу (сталі) визначена за напівемпіричним рівнянням, що пов'язує цю товщину з відстанню від меніска.

Рис.6. Поле швидкостей (м/с) в міждендритному просторі зливка.

Поперечний переріз зливка. |

Рис.7. Поле температур (С) в твердій частині зливка на виході його з перемішувача.

Світло-сірі частини дендритів підплавляться.

Поперечний переріз зливка.

Як показали результати розрахунків, інтенсифікація теплообміну в двофазній зоні та джоулеве тепловиділення призводять до оплавлення дендритів, а при зростанні тепловіддачі від рідкої до твердої фази – сплощується фронт кристалізації (Рис.7).

Одержані результати є близькими до тих, що були отримані для зливків меншого перерізу при впливі на двофазну зону акустичних хвиль, створених ЕМП, встановленим в кристалізаторі.

У четвертому розділі наведені дані випробувань дослідно-промислових зразків розроблених пристроїв електромагнітного перемішування на заводських стендах, а також результати їх промислового застосування при безперервному розливанні середньо- і високовуглецевої сталі та виготовлені сортових зливків.

Дослідно-промисловий зразок розробленого електромагнітного перемішувача, вбудованого в кристалізатор, виготовлявся для МБЛЗ, яка забезпечувала виготовлення сортових зливків перерізом 130130 мм. Інтенсивність ЕМП попередньо оцінювали на модельному сплаві Sn-Bi. При цьому було встановлено, що найбільш інтенсивне перемішування в даному пристрої досягається при частоті 6,06,5 Гц (що є близьким до результатів, одержаних з допомогою математичних моделей).

До сьогодні великою проблемою залишається визначення оптимального місця розташування фінального перемішувача на ливарній дузі, з огляду на те, що воно пов'язане з положенням кінцевої точки твердіння зливка, яке є залежним від конкретних режимів розливання.

За допомогою математичного моделювання з застосування сучасних спеціальних програм було визначено положення кінцевої точки твердіння для заданих режимів розливання (Рис.8).

Враховуючи, що зміна сортаменту сталі, яка розливається, вимагає змінення місця розташування фінального перемішувача для забезпечення режимів його раціональної роботи, було запропоноване інше рішення цієї проблеми. |

Рис.8. Розподіл температур уздовж зливка

в центрі та на його поверхні:

зливок 300400мм, швидкість лиття 1,0 м/хв, температура перегріву 25С.

Воно полягає у розширенні активної зони перемішування за рахунок встановлення двох неявнополюсних електромагнітних перемішувачів на фінальних ділянках твердіння зливка. Новий неявнополюсний перемішувач створює в зливку струм, що має потужню осьову компоненту. При розміщенні двох таких перемішувачів один за одним по технологічній осі і замиканні контуру індукованого струму за межами зливка перед першим перемішувачем і після другого (по ходу зливка), в просторі між перемішувачами виникає індукований струм, який, взаємодіючи з власним магнітним полем, дає змогу інтенсифікувати тепло- і масообмін в рідко-твердій зоні зливка. Для дослідження даного ефекту була створена експериментальна установка. В результаті проведених тестів було встановлено, що азимутальні швидкості в рідкій частині зливка між перемішувачами, що рознесені на 3,5 м, можуть досягати 6 см/с, що достатньо для істотного поліпшення структури зливків.

В експериментах по безперервному розливанні на МБЛЗ сортових зливків 130130 мм з середньо- та високовуглецевої сталі, відповідно AISI 1541 (0,42%С) та AISI 1070 (0,71%С), швидкість лиття 2,52,7 м/хв, температура перегріву металу – 3040С, з використанням розробленого електромагнітного перемішувача, розташованого в кристалізаторі, були випробувані два режими його роботи:

1. Ротаційний. Він характеризується максимальною інтенсивністю азимутального руху металу.

2. Пульсаційний. Режим, при якому одночасно зі створенням обертального руху сталі, генеруються акустичні хвилі, спрямовані уздовж осі лунки в її кінцеву зону.

Аналіз виготовлених темплетів показав, що зливки, відлиті без застосування електромагнітного перемішування, взагалі були позбавлені зони рівновісних кристалів (Рис.9,а). При застосуванні електромагнітного перемішування (ротаційний режим) в заготівці з'являється зона рівновісних кристалів (Рис.9,б). Середня протяжність зони рівновісних кристалів для всіх зразків металу, одержаних із зливків середньовуглецевої сталі, відлитих із застосуванням електромагнітного перемішування, перебуває в діапазоні , де a – сторона зливка, а в заготівках з високовуглецевої сталі – . У разі застосування режиму «пульсацій» зливок має рівновісну структуру по всьому перерізу (Рис.9,в).

а) |

Рис.9. Поперечні темплети безперервнолитих зливків 130130 мм з середньовуглецевої сталі AISI 1541 (0,42%С), відлитих:

без електромагнітного перемішування (а);

з електромагнітним перемішуванням (б);

в режимі «пульсацій» (в).

б)

в)

Осьова пористість в зливку, виготовленому без використання електромагнітного перемішування, характеризувалася наявністю отвору діаметром 45 мм. При застосуванні розробленого електромагнітного перемішувача, що працює в ротаційному режимі, вона зменшилася до 12 мм. В разі використання розробленого електромагнітного перемішувача, який працює в режимі «пульсацій», осьова пористість була відсутня.

Паралельно оцінювався вплив електромагнітного перемішування на сегрегацію вуглецю в центрі безперервнолитого сортового зливка. З цією метою в кожному з досліджуваних зразків в місцях, що знаходяться в зоні центра зливка, були відібрані циліндричні проби (шляхом висвердлювання) діаметром 5 мм. При цьому сегрегація вуглецю в центрі зливка визначалась як відношення вмісту вуглецю в центрі зливка () до вмісту вуглецю в промковші ().

Дослідження на підставі аналізу зразків, узятих з 57 безперервнолитих сортових зливків середньовуглецевої сталі, показало, що за відсутності ЕМП в кристалізаторі, середній відносний вміст вуглецю становив 1,201,22; при використанні ЕМП в традиційному режимі перемішування – 1,161,18; в разі спеціального «пульсуючого» режиму електромагнітного перемішування – 1,091,13 (Рис.10).

Аналогічний аналіз, проведений для високовуглецевої сталі AISI 1070 (0,71%С), показав, що застосування ЕМП дозволило зменшити значення середнього відносного вмісту вуглецю в центрі зливка з 1,33 до 1,21.

Розроблений електромагнітний перемішувач, розташований в кристалізаторі, був випробуваний при відливанні безперервнолитих сортових сталевих заготівок перерізом 180180 мм. |

Рис.10. Відносний вміст вуглецю в центрі зливка при різних режимах розливання: ,

де – вміст вуглецю в центрі зливка,

– вміст вуглецю в промковші.

В процесі розливання швидкість лиття середньовуглецевих сталей (0,250,45%С) складала 1,6 м/хв, а температура їх перегріву 2628С. Безперервне розливання сталі проводилося через занурений стакан. На Рис.11 наведені поздовжні темплети зливків 180180 мм, відлитих без використання (Рис.11,а) і з застосуванням (Рис.11,б) електромагнітного перемішування та наступної прокатки їх до товщини 120 мм. Як видно, у разі відливання зливків без ЕМП (Рис.11,а), пористість в центрі зливка зберігається і після прокатки. В той же час в зливку, що піддавався ЕМП, центральна пористість повністю відсутня (Рис.11,б).

а) |

б) |

Рис.11. Поздовжні темплети зливків 180180 мм

з середньовуглецевої сталі T42U (0,45%С) після прокатки

до 120 мм:

без ЕМП (а), з ЕМП (б).

При проведенні промислових випробувань новий фінальний неявнополюсний електромагнітний перемішувач був встановлений на ливарну дугу машини безперервного лиття сортового зливка 178178 мм в зоні кінцевого твердіння на відстані 7 м від меніска. Швидкість лиття середньовуглецевої сталі AISI 1050 (0,5% вуглецю) складала 1,82,06 м/хв. Температура перегріву металу, що поступав у кристалізатор – 23350С. На цій МБЛЗ був також додатково розміщений в кристалізаторі ротаційний електромагнітний перемішувач GME Ltd (Канада), який включали на його звичайну потужність під час всіх випробувань.

В ході експериментів варіювали швидкість розливання і температуру перегріву сталі, а також по черзі вмикали і вимикали фінальний електромагнітний перемішувач на фіксований час.

Для всіх випробуваних параметрів розливання безперервнолитих сортових зливків, відлитих із застосуванням електромагнітного перемішування на фінальній стадії їх твердіння, встановлення нового неявнополюсного фінального перемішувача дозволило істотно зменшити осьову пористість. Зокрема у разі використання ЕМП (Рис.12б) осьові тріщини в заготівці були відсутні, а пористість в цій зоні відповідала балу 2,0, тоді як в заготівці, відлитій без ЕМП (Рис.12а), – балу 2,53,0.

а) |

б)

Рис.12. Поздовжні темплети зливків 178178 мм з середньовуглецевої сталі AISI 1050 (0,5%С), відлитих з ЕМП в кристалізаторі, без застосування ЕМП на фінальній стадії твердіння зливка (а), з ЕМП як в кристалізаторі, так і на фінальній стадії твердіння зливка (б).

Тперегріву = 340С, vлиття = 1,82 м/хв.

Рис.13. Відносний вміст вуглецю в центрі зливка:

Сталь AISI 1050 (0,5% С), швидкість лиття 1,82 м/хв,

температура перегріву 250С. | Як показав аналіз проб (див. Рис.13), відібраних із вказаних зливків, виготовлених без та з використанням ЕМП, при швидкості розливання сталі 1,82 м/хв і температурі перегріву 25С, спостерігалося зниження в середньому з 1,2 до 1,06 від-

носного вмісту вуглецю в центрі зливка для всіх зразків, взятих із безперервнолитих заготівок, одержаних із застосуванням електромагнітного перемішування. В процентному відношенні сегрегація вуглецю в зливках, відлитих з ЕМП (Рис.13), зменшилась на 20% .

Використання розроблених пристроїв ЕМП дозволяє значно покращити якість зливків, що відливаються на МБЛЗ, зокрема, їх внутрішню структуру та поверхню.

Дослідження отриманих із зливків металовиробів (труб) показало при використанні пристрою ЕМП тріщини були відсутні у 75 % зразків (Рис.14), тоді як без ви-

Рис.14. Тріщиноутворення в трубах, отриманих з зливків, відлитих використанням пристрою ЕМП та без нього. | користання пристрою ЕМП тріщини відсутні лише у 55 % зразків. Максимальна відносна довжина тріщин у випадку розливки з застосування електромагнітного перемішування складає 9ч12%, без ЕМП для 10% зразків значення цього параметру є більшим 15% (Рис.14).

Підвищення якості зливків при застосуванні пристроїв ЕМП призвело до зменшення відбраківки виготовлених з них металовиробів (труб) з 1,12,0% до 0,0% в залежності від сортаменту сталі, що розливається, та параметрів лиття.

Окрім того, нові електромагнітні перемішувачі, встановлені в кристалізаторі, не вимагають додаткових витрат на зміну існуючого устаткування (механізму коливання, корпусу кристалізатора та ін.), як це зазвичай відбувається у разі використання на МБЛЗ перемішувачів зовнішнього виконання, а для живлення фінальних електромагнітних перемішувачів не потрібні перетворювачі частоти, що дорого коштують.

Результати наведених в дисертації досліджень впроваджені на підприємствах Mittal Steel Ostrava A.S. (Чеська Республіка), Mittal Steel Point Lisas Limited (Тринідад і Тобаго), Mittal Steel USA (США), що підтверджується відповідними актами, які приведені в додатках до дисертаційної роботи.

Загальні висновки

1. Запропонована і експериментально обґрунтована нова концепція електромагнітного перемішування при розливанні сталі на сортових МБЛЗ, що передбачає створення примусової керованої конвекції розплаву по всій зоні кристалізації зливка (від меніска до зони кінцевого твердіння) та пригнічення пульсацій меніска в кристалізаторі. Показано, що це створює передумови для одержання зливків високої якості – позбавлених осьової пористості, з меншим вмістом лікваційних дефектів та глибиною осциляційних рисок, скороченою або повністю відсутньою зоною стовпчастих кристалів, переважно рівновісною структурою.

2. Встановлено, що для сортових безперервнолитих зливків забезпечення примусової керованої конвекції по всій зоні кристалізації зливка може бути досягнуто завдяки створенню, одночасно з обертальним моментом, пульсуючого електромагнітного тиску, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки.

3. Теоретично встановлена та експериментально підтверджена наявність резонансних значень частот коливань, генерованих у розплаві за допомогою пристрою ЕМП, при наближенні до яких інтенсивність згасання пульсуючого електромагнітного тиску є мінімальною. Показано, що це призводить до зменшення товщини пограничного прошарку в напрямку лиття, та переміщення максимального значення швидкості в рідкій частині зливка в кінцевій зоні лунки до поверхні кристалізації, внаслідок чого інтенсифікуються тепло- масообмін та міжфазна дифузія в цій зоні.

4. Розроблено нові оригінальні пристрої ЕМП, які розміщуються в кристалізаторі і забезпечують реалізацію розроблених режимів перемішування.

5. Визначено взаємозв’язок параметрів роботи пристроїв електромагнітного перемішування металу із розподілом температур і швидкостей рідкої середньо- та високовуглецевої сталі в безперервнолитому сортовому зливку. Визначені раціональні режими електромагнітного перемішування сталі, при яких в середньому на 15% збільшується тепловий потік через стінки кристалізатора, а глибина проникнення струменя металу з проміжного ковша в кристалізатор зменшується на 80%.

6. Встановлено ефект поліпшення структури безперервнолитого сортового сталевого зливка при використанні нових пристроїв електромагнітного перемішування металу. Доведено, що він в значній мірі пов’язаний з теплосиловою дією на зростаючі дендрити ініційованих у розплаві пульсацій, які призводять до їх підплавлення і створення умов формування в литій заготівці переважно рівновісних кристалів.

7. Здійснено експериментальну перевірку розробленого способу та МГД обладнання для електромагнітного перемішування сталі в кристалізаторі сортових МБЛЗ з одночасним подавленням збурень на меніску, особливістю якого є те, що живлення перемішувача здійснюється полігармонійним струмом. Показано, що кардинальне пригнічення руху на меніску досягається при живленні обмоток перемішувача двохчастотним струмом, коли низькочастотна його складова має частоту 0,53,0 Гц, амплітуду 100%, а високочастотна відповідно – 1320 Гц і амплітуду – 5075%, в результаті чого покращується якість поверхні безперервнолитого зливка.

8. Показано, що для додаткової інтенсифікації тепло- масообміну на фінальній ділянці твердіння зливка (особливо при литті заготівок перетином більше ніж 200200 мм) необхідно додатково використовувати нові неявнополюсні пристрої електромагнітного перемішування металу, які забезпечують індукування в розплаві значного електричного струму (0,851,2 кА) і створення магнітного поля з індукцією 0,180,2 Т, та встановлювати їх в кінцевій зоні кристалізації зливка.

9. Встановлено, що при розташуванні двох таких пристроїв один за одним та замиканні індукованого ними струму за межами зливка, зона силового впливу електромагнітних перемішувачів значно розширюється, внаслідок чого відпадає необхідність пошуку раціонального місця розташування пристрою ЕМП по відношенню до точки кінцевого твердіння зливка. Окрім того, виключаються причини виникнення в зливку негативної ліквації, яка утворюється в разі занадто високого розташування такого пристрою електромагнітного перемішування по технологічний вісі зливка відносно точки кінцевого твердіння.

10. Експериментально визначено, що використання нових МГД пристроїв при розливанні на сортових МБЛЗ середньо- та високовуглецених сталей, дозволяє одержати зливок високої якості з розвиненою зоною рівновісних кристалів, відсутністю центральної пористості, призводить до зменшення сегрегації вуглецю по перерізу зливка. Зокрема сегрегація вуглецю в литих заготівках із середньо- і високовуглецевих сталей зменшилася з 1,21,22 до 1,061,13, досягнуто збільшення зони рівновісних кристалів в зливках із середньовуглецевої сталі в середньому на 50ч100%, а в заготівках з високовуглецевої сталі – на 40ч60% – залежно від параметрів розливання і марки сталі.

11. Дослідно-промислова перевірка нових розроблених способів та пристроїв електромагнітного перемішування металу при безперервному відливанні сортових трубних заготівок із середньо- та високовуглецевих сталей на підприємствах Mittal Steel Ostrava A.S. (Чеська Республіка), Mittal Steel Point Lisas Limited (Тринідад і Тобаго), Mittal Steel USA (США) показала, що за рахунок зменшення лікваційних дефектів, глибини осциляційних рисок, пористості та формування переважно рівновісних кристалів замість стовпчастих в різних зонах литої заготівки, зменшується відбраківка кінцевої металопродукції (труб) з 1,12,0% до 0,0% в залежності від сортаменту металу, що розливається, і параметрів лиття. Окрім того, суттєво зменшуються вартість обладнання, систем живлення, капітальні вкладення та собівартість виготовлення металопродукції.

ОСновний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Anatoly Kolesnichenko, Anastasia Kolesnichenko, Viktoriya Buryak. Заявка на міжнародний патент (US Patent Application) № 11/650,803 от 08.01.2007. – Method and System of Electromagnetic Stirring for Continuous casting of Medium and High Carbon Steels.

2. В.В. Буряк, В.И. Дубоделов, А.А. Колесниченко. Новый электромагнитный финальный перемешиватель для МНЛЗ из средне и высокоуглеродистых сталей. // Процессы литья. – 2003. – №2 – с.53-59.

3. А.А. Колесниченко, В.В. Буряк. Влияние электромагнитного перемешивания на внутреннюю структуру непрерывноотливаемого слитка. // Промышленная теплотехника. – 2003. – том 25. – №4. – с.395-396.

4. Anatoly F. Kolesnichenko, Anastasiya A. Kolesnichenko, Viktoriya V. Buryak. Improvement of In-mold Electromagnetic stirrer by feeding of magnetic system with Polychromic current. // ISIJ International. – 2004. – Vol. 44. – №2. -– с.342-349.

5. В.В. Буряк, В.И. Дубоделов, А.А. Колесниченко, А.Ф. Колесниченко. Новый электромагнитный перемешиватель на полигармонических токах, расположенный в кристаллизаторе для МНЛЗ. // Металл и литье Украины. – 2004. – №1-2. – с.8-12.

6. А.А.Колесниченко. Электромагнитный перемешиватель с магнитным шунтом. // Процессы литья. – 2004. – №2. – с. 75-78.

7. В.В.Буряк, В.И. Дубоделов, А.А.Колесниченко. Промышленные испытания нового финального неявнополюсного перемешивателя в технологическом процессе непрерывной разливки стальных сортовых заготовок. // Металл и литье Украины. – 2005. – №9-10. – с.17-21.

АНОТАЦІЯ

Колесніченко А.А. Вплив нових способів електромагнітного перемішування на формування безперервнолитих заготівок з середньо- та високовуглецевої сталі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів». – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ, 2008.

Дисертація присвячена удосконаленню технології безперервного розливання та формування сортових заготівок з середньо- і високовуглецевих сталей та підвищення їх якості за рахунок використання нових способів та технологічних схем електромагнітного перемішування металу та розробки оригінальних магнітогідродинамічних пристроїв для їх реалізації. Створені оригінальні МГД пристрої, що одночасно створюють обертальний момент і пульсуючий електромагнітний тиск, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки. Їх функціонування в резонансних режимах забезпечило стабілізацію кірки, що сформувалась, інтенсифікацію теплового потоку через стінки кристалізатора, збільшення в середньому на 15% теплозйому від зливка, зменшення на 80% глибини проникнення струменя, що надходить з проміжного ковша в кристалізатор, призвело до підплавлення дендритів у двофазній зоні зливка, що кристалізується. Розроблені нові технічні рішення і електромагнітні системи для пригнічення збурень на меніску за рахунок живлення пристрою ЕМП полігармонійним струмом та фінальні неявнополюсні перемішувачі, що створюють завдяки значному індукованому в розплаві струму потужний обертовий момент при формуванні зливка в кінцевій зоні. Визначені раціональні режими перемішування та параметри роботі пристроїв ЕМП. Це забезпечило