«На правах рукописи УДК 621.746.2 Кандидат технических наук СМОЛЯКОВ АНАТОЛИЙ СОЛОМОНОВИЧ ...»

Из сравнения кривых скоростей кристаллизатора на рис.2.3, 2.5 и 2.7 видно, что зазор оказывает существенное влияние на характер изменения скорости кристаллизатора и на время опережения. Так, на рис.2.3, где зазор , время опережения равно . В случае, показанном на рис.2.5, где зазор , время опережения не превышает . А для случая, показанного на рис.2.7, где зазор , время опережения не превышает .

Так же значительно отличается характер изменения кривых на рис.2.4, где зазор и на рис.2.6 и рис.2.8, где зазор и соответственно.

2.1.2. Анализ влияния зазоров в шарнирных соединениях цепных затравок на величину времени опережения непрерывнолитой заготовки кристаллизатором.

Выше был приведен анализ влияния зазоров шарниров МКК на время опережения при условии постоянства скорости вытягивания слитка из кристаллизатора с помощью тянущего устройства.

Однако, на самом деле, скорость вытягивания может колебаться по различным причинам, и в частности из-за наличия зазоров в шарнирах цепных затравок.

Для оценки влияния конструктивных и технологических параметров системы «кристаллизатор – слиток - затравка» на характер изменения скоростей слитка и затравки была разработана математическая модель формирования динамических нагрузок. При этом реальную конструкцию представили в виде упрощенной расчетной схемы, приведенной на рис.2.9 [6].

В этой расчетной схеме цифрой 2 представлен кристаллизатор, цифрой 3 – слиток и цифрой 4 представлен элемент затравки, находящейся между валками тянущей клети.

Рис.2.9. Расчетная схема системы «кристаллизатор – слиток - затравка»

Кристаллизатор с помощью механизма качания совершает гармонические колебания с амплитудой и частотой .

Затравка, кроме элемента 4, который находится в валках тянущей клети и движется равномерно со скоростью , представлена также упругим участком, находящимся между тянущей клетью и кристаллизатором. Величина представляет собой линейную жесткость этого упругого участка. Кроме того, на участке между тянущей клетью и кристаллизатором затравка может иметь зазоры, текущая суммарная величина который равна . Рассеяние энергии, имеющее место в динамически процессах, будем учитывать с помощью вязкого сопротивления, установленного параллельно жесткости . Величину коэффициента вязкого сопротивления будем определять из того условия, что отношение двух соседних амплитуд свободных колебаний рассматриваемой динамической системы будет равно 2.

В расчетной схеме и далее в тексте приняты следующие обозначения:

– перемещение кристаллизатора;

– линейная скорость кристаллизатора;

– перемещение слитка;

– линейная скорость слитка;

– перемещение затравки;

– линейная скорость элемента затравки, находящегося в тянущей клети ();

- линейная жесткость участка затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- коэффициент вязкого сопротивления на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- текущее значение зазора на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

- максимальное значение зазора на участке затравки между тянущей клетью и кристаллизатором;

– сила трения между кристаллизатором и слитком;

– масса слитка;

Движение слитка и заготовки в рассматриваемой упругой системе «кристаллизатор – слиток – затравка» описывается следующей системой уравнений:

(2.15)

где - суммарная сила, действующая на перемещении слитка;

Величину необходимо определить как функцию независимых координат , и их производных по времени , , а также параметров , , как известных функций времени, описывающих движение кристаллизатора.

Силу можно представить в виде суммы трех составляющих:

, (2.16)

где - сила, действующая на слиток 3 со стороны кристаллизатора 2;

- сила, действующая на слиток 3 со стороны затравки 4;

- вес слитка.

Сила по абсолютно величине равна силе трения слитка о кристаллизатор. Направление силы совпадает с направлением скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка. Таким образом:

. (2.17)

Для того, чтобы определить направление скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка, сформулируем закон движения кристаллизатора. Как было отмечено выше, кристаллизатор с помощью механизма качания совершает гармонические колебания с амплитудой и частотой . В этом случае перемещение кристаллизатора и скорость перемещения кристаллизатора равны:

(2.18)

где - круговая частота продольных гармонических колебаний кристаллизатора.

Зная скорость движения кристаллизатора и скорость слитка можно определить направление скорости скольжения кристаллизатора относительно слитка и, соответственно, можно определить направление силы трения, действующей на слиток со стороны кристаллизатора.

Сила , действующая со стороны затравки на слиток, по аналогии с (3.2) можно представить в виде суммы:

, (2.19)

где - упругая составляющая силы в затравке;

- вязкая или демпфирующая составляющая силы в затравке.

При этом упругую составляющую продольной силы в затравке с учетом зазора можно определить следующим образом:

(2.20)

где - смещение элемента затравки, находящегося в тянущей клети, относительно слитка, находящегося в кристаллизаторе.

Производная по времени переменной может быть определена через скорость слитка и скорость элемента затравки, находящегося в тянущей клети:

. (2.21)

При известной величине можно определить демпфирующую составляющую продольной силы в затравке:

(2.22)

Таким образом, для первого уравнения системы (2.15) на основании зависимостей (2.16)…(2.22) сформулирована правая часть.

Система уравнений (2.15) по аналогии с системой (2.1) должна иметь периодическое решение, период которого соответствует периоду колебаний кристаллизатора. Решение системы (2.15), также как и системы (2.1) можно получить, используя численные методы. Для этого будем численно решать начальную задачу.

В качестве начальных условий для переменных, входящих в систему уравнений (2.15), возьмем следующие значения:

. (2.23)

Как показали примеры численного решения начальной задачи для системы уравнений (2.15) с начальными условиями (2.23), периодическое решение устанавливается за время, не превышающее одного периода движения кристаллизатора.

Применение разработанной модели рассмотрим на конкретном примере при следующих исходных данных:

частота качания кристаллизатора ……………………………….3,0

амплитуда качания кристаллизатора ……...……………..……3,0

установившаяся скорость затравки ………...………..………2,0

масса слитка в кристаллизаторе …...………………………….120,0

жесткость затравки ……………………………...…...…….137106

коэффициент вязкого сопротивления ……………………12103

сила трения слитка о стенки кристаллизатора ………..……..1500

Результаты расчета скоростей кристаллизатора и слитка в функции времени t приведены на рис.2.10а, 2.10б и 2.10в.

Из сравнения кривых, приведенных на рисунках видно, что зазор оказывает существенное влияние на время опережения. Так, на рис.2.10а, где зазор , величина опережения практически совпадает с идеализированным случаем, не учитывающим жесткость затравки. В случае, показанном на рис.2.10б, где зазор , время опережения не превышает 0,07 сек, что может привести к нарушению технологического режима. При дальнейшем увеличении зазоров время опережения уменьшается. Так, при зазоре (рис.2.10в) время опережения равняется 0,04 сек.

	Полученные результаты подтверждают мнение о целесообразности замены цепных затравок на беззазорные упругие затравки. Разработанная методика может быть использована при анализе динамических явлений в упругих системах МНЛЗ.
Рис.2.10. График скоростей кристаллизатора и слитка: а) - ; б) – ; в) – .

2.1.3. Анализ взаимодействия валков тянуще-правильного устройства с непрерывнолитой заготовкой.

Вытягивание затравки со слитком, а затем слитка без затравки из кристаллизатора и ЗВО осуществляется парами валков тянуще-правильного устройства (ТПУ).

При недостаточном давлении валков на затравку и слиток могут возникать пробуксовки, отрицательно влияющие на стабильность скорости вытягивания слитка. Избыточная величина давления может привести к раскатке тела затравки и к возникновению дефектов макроструктуры заготовки – горячим трещинам.

По этой причине целесообразно разработать конструкцию полноприводных тянущих устройств, в которых все валки связаны с приводом.

Для расчета температурного поля и фазового состояния заготовки использовали методику, основанную на равновесной модели затвердевания с учетом двухфазной зоны, и конечно-разностный метод решения задачи теплопроводности.

Исследование показало, что при повышенном неконтролируемом давлении валков на заготовку, содержащую жидкую фазу (рис.2.11), в макроструктуре, образуются трещины.

Рис.2.11. Конфигурация двухфазной зоны для слитка 125х125 мм из малоуглеродистой стали, скорость разливки 4,2 м/мин. f – относительное содержание жидкой фазы.

Таким образом, от ТПУ высокоскоростной МНЛЗ требуется:

- стабильная скорость вытягивания и отсутствие пробуксовок для обеспечения требуемого закона качания и времени опережения, что может быть достигнуто повышением давления валков на заготовку;

- ограничение давления, связанное с опасностью поражения макроструктуры горячими трещинами.

Так как эти требования противоречат друг другу, при разработке новой конструкции ТПУ необходимо искать компромиссное решение.

Это обстоятельство учтено при анализе взаимодействия валков ТПУ с непрерывнолитой заготовкой.

Суммарная мощность привода, необходимая для обеспечения вытягивания непрерывнолитой заготовки, складывается из мощностей, затраченных на деформирование непрерывнолитой заготовки при ее выпрямлении , и обжатии в валках ТПУ, а также суммы мощностей, необходимых на преодоление сил трения в кристаллизаторе и роликовой проводке зоны вторичного охлаждения:

(2.24)

где - скорость разливки;

- сила трения слитка о кристаллизатор;

- вес слитка на радиальном участке.

Уравнение для определения силы трения слитка о кристаллизатор приведено в разделе 2.1.2.

Определение мощности, затрачиваемой на деформирование непрерывнолитой заготовки при ее выпрямлении и обжатии в валках ТПУ, является достаточно сложной задачей.

В общем виде эта мощность для объема деформируемого тела вычисляется по формуле:

, (2.25)

где и – интенсивности напряжений и скоростей деформаций.

При температурах, близких к температуре затвердевания, деформация ползучести значительно больше пластической и упругой деформаций, и, поэтому последними можно пренебречь. В этом случае деформирование характеризуется существенным влиянием скорости деформации на величину напряжения. Все это дает основание использовать в расчетах уравнение состояния нелинейно-вязкого тела.

Примем степенную зависимость между интенсивностью напряжений и интенсивностью скоростей деформации :

, (2.26)

где - , и - постоянные величины, зависящие от материала, которые определяются на основе экспериментальных исследований;

- показатель ползучести.

Мощность, необходимую для распрямления непрерывнолитой заготовки, определим, используя гипотезу плоских сечений на основе следующего выражения:

, (2.27)

где – изгибающий момент в поперечном сечении заготовки;

-скорость изменения кривизны заготовки при ее разгибании;

- участок, на котором происходит разгибание слитка;

- осевая координата слитка в направлении движения.

Начальный радиус кривизны слитка равен .

С учетом свойств материала слитка (2.26) из (2.27) получим выражение для определения мощности, затрачиваемой на распрямление слитка:

, (2.28)

где представляет собой температурно-геометрическую характеристику жесткости сечения при изгибе.

Величина может быть определена из следующей зависимости:

,

где - координата, отсчитываемая по высоте сечения слитка.

Силу натяжения слитка, создаваемую валками ТПУ и необходимую для разгибания заготовки и преодоления силы трения в кристаллизаторе можно определить из следующего выражения:

. (2.29)

Привод валков ТПУ должен обеспечить силу натяжения слитка, а также обеспечить неизбежно возникающее обжатие слитка при его прохождении через валки. Причем обжатие слитка при прохождении через валки ТПУ должно быть минимальным.

Для того чтобы определить мощность , затрачиваемую на обжатие слитка в клети ТПУ, свойства материала слитка будем принимать такими же, как и при определении мощности , затрачиваемой на разгибание слитка. В результате получим:

, (2.30)

где - радиус валков ТПУ;

- абсолютное обжатие слитка валками в клети ТПУ;

.

Из (2.30) можно определить функциональную связь между силой давления валков на слиток и обжатием:

, (2.31)

На рисунке 2.12 показана функциональная связь между силой давления на валки ТПУ и величиной обжатия непрерывнолитой заготовки при различных скоростях разливки.

Рис.2.12. Зависимость силы давления на валки от величины обжатия заготовки в валках ТПУ для малоуглеродистой стали. Скорость разливки 4,2 м/мин – в центре заготовки жидкая фаза. Скорость разливки 3,0 м/мин – в центре заготовки двухфазная зона. Скорость разливки 2,5 м/мин – полностью затвердевшая заготовка.

Проведенные расчеты позволили выполнить анализ привода валков ТПУ. Рассмотрены два варианта привода: с одним нижним приводным валком и двумя приводными валками.

Схема сил взаимодействия валков с непрерывнолитой заготовкой показана на рисунке 2.13.

Рис.2.13. Распределение сил взаимодействия валков ТПУ со слитком:

а) – схема с двумя приводными валками;

б) – схема с одним нижним приводным валком.

На рис.2.13 показаны нормальные контактные напряжения и касательные контактные напряжения , действующие в очаге деформации со стороны валков ТПУ на слиток. Кроме того, на этом рисунке показаны точки и , принадлежащие, соответственно верхнему и нижнему валку, в которых касательные контактные напряжения меняют знак. Эти точки отделяют зону опережения, примыкающую к выходу из очага деформации, от зоны отставания, примыкающей к входу в очаг деформации. На этом рисунке показаны также обжатие слитка, длина дуги захвата, угол захвата и сила (2.29) заднего натяжения, которую необходимо обеспечить роликами ТПУ при вытягивании слитка из кристаллизатора.

При симметричном процессе вытягивания слитка двумя приводными валками контактные условия на обоих валках одинаковые, соответственно, длина зоны отставания в очаге деформации на верхнем валке равна длине зоны отставания в очаге деформации на нижнем валке. Максимальная величина заднего натяжения может быть обеспечена в том случае, если зона отставания занимает всю длину очага деформации. Эта величина может быть определена из следующей зависимости:

, (2.32)

где - коэффициент контактного трения между слитком и валками в очаге деформации.

Если ТПУ имеет один приводной валок (в нашем случае нижний), то момент, создаваемый контактными напряжениями, действующими на верхний валок со стороны слитка, должен быть равен нулю. Это обеспечивается за счет примерного равенства длин зон опережения и отставания в контакте верхнего тянущего валка со слитком. Максимальная величина заднего натяжения может быть обеспечена в том случае, если зона отставания занимает всю длину зоны контакта нижнего валка со слитком. Эта величина может быть определена из следующей зависимости:

, (2.33)

Из (2.32) и (2.33) можно определить величину отношения и :

. (2.34)

Из (2.34) следует, что при одной и той же силе давлении валков на слиток тянуще-правильное устройство с двумя приводными валками может обеспечить силу вытягивания более чем в два раза превышающую силу вытягивания, которую может обеспечить тянуще-правильное устройства с одним приводным валком.

Допустимая величина силы и, соответственно, обжатия в ТПУ ограничивается деформационной способностью затвердевающего металла в температурном интервале хрупкости.

2.2. Разработка конструкции и промышленное освоение радиальных многоручьевых сортовых МНЛЗ. Модернизация действующих сортовых МНЛЗ на металлургических заводах России и зарубежных стран.

Спроектированные под руководством автора шестиручьевые сортовые МНЛЗ Молдавского металлургического завода были пущены в эксплуатацию в 1985 году. Основными структурными составляющими завода являлись электросталеплавильный цех с двумя 100-тонными дуговыми печами, две шестиручьевые МНЛЗ, отливающие заготовки 125х125 мм, и мелкосортнопроволочный прокатный стан. Проектная мощность завода составляла 700 тыс. тонн в год.

В последующие годы в результате существенного увеличения мощности печного трансформатора, использования альтернативных источников энергии в печи, внедрения агрегата печь-ковш производительность одной электродуговой печи емкостью 100-120 т превысила 1 млн. т в год. Новая технология позволила обеспечить выполнение требований по температуре, химическому составу, чистоте по неметаллическим включениям, предъявляемых к стали, предназначенной для разливки на МНЛЗ.

В связи с этим было принято решение перейти на работу одной технологической линией в составе: дуговая электропечь, установка печь-ковш, шестиручьевая МНЛЗ, мелкосортный проволочный прокатный стан. При этом объем производства в ЭСПЦ должен был составлять 1,0 млн. тонн в год стали в год.

Поставленная задача была достигнута путем коренного усовершенствования технологии производства и модернизации сталеплавильного, разливочного и прокатного оборудования, что позволило существенно сократить производственные издержки и повысить конкурентоспособность продукции завода.

Модернизация основных технологических узлов МНЛЗ проводилась по следующим основным направлениям:

- оптимизация конструкции и эксплуатационных свойств промежуточных ковшей, повышение стойкости рабочей футеровки, обеспечение точного центрирования струй металла из промковша в кристаллизаторы;

- повышение эффективности и равномерности формирования корки стали в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения;

- уменьшение сопротивления вытягиванию слитка, обеспечение кинематической точности работы механизма качания кристаллизатора;

- снижение отрицательного влияния деформации корки при разгибе и вытягивании в тянуще-правильном устройстве (ТПУ) на размеры поперечного сечения и макроструктуру заготовки;

- уменьшение деформации торцов заготовок при порезке на мерные длины;

- обеспечение прямолинейности заготовок при охлаждении на холодильнике;

- комплексная защита жидкого металла от вторичного окисления;

- использование электромагнитного воздействия на кристаллизующийся слиток;

- применение системы быстрой замены дозаторов промковша во время разливки стали;

- комплексная автоматизация управления МНЛЗ.

Мероприятия, обеспечивающие повышение стабильности процесса разливки стали и увеличение фонда рабочего времени оборудования МНЛЗ, были направлены на:

- увеличение стойкости оборудования в условиях длительного воздействия повышенной температуры, воды и окалины;

- интенсивное внутреннее циркуляционное водяное охлаждение элементов машин;

- защиту узлов трения от внешней среды;

- применение современных систем смазки узлов трения (система «масло-воздух»);

- повышение кинематической точности работы механизмов путем замены шарнирных узлов трения упругими шарнирами рессорного типа;

- организацию регламентной замены сменных узлов, а также ремонт оборудования на МНЛЗ путем замены узлов подготовленными блоками.

Модернизация, выполненная с учётом изложенного в п. 2.1 теоретического анализа, коснулась основных технологических узлов МНЛЗ. Так, например, разработана новая конструкция кристаллизатора, обеспечившая равномерное течение охлаждающей воды со скоростью 12 м/сек за счет самоцентрирующейся обечайки и плавающей диафрагмы.

Успешно прошли длительные испытания МКК рессорного типа. В течение 10 лет эксплуатируются полноприводные тянуще-правильные клети.

Опыт и результаты освоения МНЛЗ Молдавского метзавода были использованы при проектировании и промышленном внедрении сортовых МНЛЗ на заводах в Енакиево, Омутнинске и Ярцево, а также при реконструкции действующих сортовых МНЛЗ на металлургических заводах в России и зарубежных стран.

В таблице 2.1 приведён перечень заводов, на которых было модернизировано основное технологическое оборудование действующих сортовых МНЛЗ и для которых под руководством автора были разработаны новые конструктивные решения ТПУ, МКК и затравок.

Таблица 2.1. Перечень заводов, на которых под руководством автора были реконструированы сортовые МНЛЗ.

№

Объект

Сечение загото-вок, мм.

Кол-во ручьев, шт.

Кол-во МНЛЗ, шт.

Тип МНЛЗ

Год реконструк­ции

Вес плав­ки, т

Выполненные во ВНИИМЕТМАШ работы

1	Дургапурс-кий метзавод (Индия)	100х100	6	1	Радиаль-ная, R5 м	2000	100	Техно-рабочий проект (ТРП) участка уборки. Поставка гильз кристаллизаторов.
2	Метзавод «Ново­росс­металл»	125х125	3	1	Радиаль-ная, R8 м	1992	40	ТРП реконструкции кристаллизаторов.
3	Сулинский метзавод,	125х125	3	1	Радиаль-ная, R5 м	1995-2006	25	ТРП реконструкции кристаллизаторов, гильз, коллекторов и форсунок вторичного охлаждения и оборудования МКК.
4	Метзавод «Баку Стил» (Азербайд-жан)	125х125	3	1	Радиаль-ная, R4, 9 м	1998	40	ТРП и поставка реконструированных кристаллизаторов и гильз.
5	Метзавод «Серп и молот»	140х140 140х300 140х420	2	1	Верти-кальная с изгибом	1998-2000	12	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов, оборудования ЗВО, затравок и подъемно-поворотного стенда.
6	Белорусский метзавод, г. Жлобин	125х125	6	2	Радиаль-ная, R6 м	1998-2000	120	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов и гильз.
7	Метзавод «Лиепаяс металлургс», г. Лиепая, Латвия	150х150	8	2	Вертика-ль­ная с изгибом	1999-2001	170	ТРП реконструкции и поставка кристаллизаторов и ЗВО.
8	Фроловский электростале­плавильный завод	125х125	3	1	Вертика-ль­ная с изгибом	2000	50	ТРП реконструкции кристаллизаторов.
9	Нижнесергинс­кий метизно-металлурги- чес­кий завод	125х125	6	1	Радиальная, R9 м	2000	120	ТРП реконструкции кристаллизаторов и бесшарнирных гибких затравок.
10	Волгоградский метзавод «Красный Октябрь»	120х120 200х200	6	1	Радиальная, R8,5 м	2002	100	ТРП реконструкции промежуточного ковша, тележки для него и бесшарнирных гибких затравок.

В новой конструкции ТПУ один из валков блока приводится от внешнего привода, а привод другого валка осуществляется от первого через зубчатые колёса. Конструкция разработанного ТПУ показана на рис.2.14. Конструкция защищена патентом № 2247004.

Рис.2.14. Тянуще-правильное устройство с одним общим приводом на верхний и нижний валки.

Была разработана новая конструкция МКК рессорного типа. Рычаги с подшипниковыми шарнирами были полностью заменены плоскими рессорными элементами, в которых эффект взаимного перемещения достигается за счет их упругой деформации (рис.2.15).

.

Рис.2.15. Рессорный механизм качания кристаллизатора МНЛЗ Молдавского металлургического завода.

На рис.2.16 приведены осциллограммы токовых нагрузок электродвигателей приводов МКК традиционного рычажного типа (а) и нового рессорного типа (б).

В рессорном механизме плавная токовая нагрузка свидетельствует о спокойном качании кристаллизатора и его мягком взаимодействии с коркой формирующегося слитка.

а - механизм качания кристаллизатора рычажного типа, б - механизм качания кристаллизатора рессорного типа.
Рис.2.16. Осциллограммы токовых нагрузок электродвигателя привода механизма качания кристаллизатора.

Для привода механизма качания был разработан специальный редуктор с устройством выбора зазоров. В этом редукторе (рис.2.17), содержащем зубчатую передачу шевронного типа, радиальный зазор в зацеплении устраняется пружиной, воздействующей на вал- шестерню в осевом направлении. Усилие пружины выбирается таким образом, чтобы радиальная составляющая осевого усилия (с учетом угла наклона зуба) превышала максимальное окружное усилие вал – шестерни на колесо на 20 – 30%.

Рис.2.17. Специальный редуктор привода МКК с устройством для выбора зазоров в зацеплении.

На современных сортовых и крупносортовых МНЛЗ с переменным радиусом кривизны применение жесткой дугообразной затравки становится невозможным. Поэтому под руководством автора была разработана упругая бесшарнирная затравка (рис.2.18), которая состоит из однолистовой рессоры с закрепленными на ней жесткими сегментами. По условиям изготовления собственно рессора выполнена из отдельных полос (участков) длиной от 2000 до 4000 мм, которые воспринимают и передают изгибающие и продольные нагрузки полностью.

Впервые в России бесшарнирная затравка была разработна и изготовлена в 2000 году для МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода.

Рис.2.18. Упругая бесшарнирная затравка. 1 – головное звено; 2, 3, 5, 7 – верхние полузвенья; 4 – нижнее полузвено; 6 – боковая направляющая; 8 – хвостовое звено; 10 – ось головного звена; 11 – специальный болт.

Промышленное внедрение этой затравки подтвердило предположение, что отсутствие шарниров положительно влияет на качество слитка в начальный период процесса разливки. Подтвердилось также и то, что значительно уменьшились динамические нагрузки на элементы привода механизма качания кристаллизатора.

В настоящее время гибкие затравки, изготовленные по проекту автора, помимо Белорусского металлургического завода успешно также эксплуатируются на МНЛЗ завода «Серп и Молот», Волгоградского металлургического завода «Красный Октябрь», Нижнесергинского метизно-металлургического, Ярцевского литейно-прокатного и Волжского трубного заводов.

3. МОДЕРНИЗАЦИЯ ОСНОВНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ РАДИАЛЬНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ КРУГЛЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК

Для исследования процесса непосредственного получения круглых непрерывнолитых заготовок и их применения в трубопрокатном производстве был выполнен анализ причин возникновения овальности, дефектов поверхности и макроструктуры круглых заготовок.

3.1. Анализ влияния изгиба и правки круглой непрерывнолитой заготовки в процессе её затвердевания на величину овальности её поперечного сечения.

Необходимым условием для получения качественной круглой заготовки является решение проблемы, связанной с изгибом слитка в криволинейной зоне МНЛЗ и разгибом в зоне тянущих клетей. На основании математического анализа происходящих при этом процессов были разработаны основные технические решения для реконструкции блумовой МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода с целью литья круглых трубных заготовок диаметром 200, 160 и 140 мм. После этого стало возможным выбрать технически и экономически обоснованную схему технологической линии реконструированной МНЛЗ.

Был рассмотрен вариант реконструкции, при котором сохранялся существующий марочный и размерный сортамент с сохранением существующей технологической линии МНЛЗ:

- прямой кристаллизатор;

- вертикальный участок направляющих роликов;

- зона плавного изгиба;

- радиальный участок R10000 мм;

- зона плавного выпрямления.

Была разработана математическая модель деформирования оболочки заготовки при ее изгибе. Задача определения напряженно-деформированного состояния затвердевающей заготовки относится к классу задач механики сплошной среды для тел с изменяющимися границами.

Рассмотрено основное уравнение, необходимое для анализа процессов деформирования непрерывного слитка.

Вектор скоростей полных деформаций (векторная запись удобна для конечно-элементной формулировки)

, (3.1)

где - вектор полных деформаций, который определяется в виде суммы нескольких компонент:

.

где - вектор скоростей упругих деформаций;

- вектор скоростей деформаций ползучести;

- вектор скоростей температурных деформаций.

Методика расчёта основана на модели поведения материала в виде упруго-нелинейного вязкого тела с учётом температурной деформации и конечно элементного алгоритма решения задачи деформирования слитка. Так как рассматривается деформирование заготовки в широком диапазоне температур, в данной модели использована традиционная степенная зависимость скоростей деформаций ползучести от напряжений.

Конечно-элементная сетка строится по специальному шаблону, представляющему собой полную сетку для поперечного сечения заготовки, причем узлы этого шаблона совпадают с узлами конечноразностной сетки температурной задачи. Расчет проводился для геометрии роликовой проводки МНЛЗ-3 Белорусского металлургического завода. Для оценки влияния изгиба на овальность заготовки искажение её профиля рассчитывалось в осесимметричной постановке. На рис. 3.1 и 3.2 показаны форма и распределения перемещений в поперечном сечении на различных этапах прохождения рассматриваемого сечения вдоль технологической оси МНЛЗ для заготовки диаметром 200 мм при скорости разливки 2,4 м/мин. Для заготовок диаметром 140 и 160 мм общая картина деформирования оставалась практически такой же. Отметим, что образование овальности заготовки идет на фоне усадки поперечного сечения при его затвердевании и охлаждении.

Основной вклад в образовании овальности дает изгиб заготовки на базовый радиус.

Расчетная овальность круглой заготовки () за счет изгиба:

200 мм при скорости 1,8 м/мин 0,55 %

200 мм при скорости 2,4 м/мин 0,63 %

140…160 мм при скорости 2,8…4,9 м/мин 0,45…0,55 %

Горизонтальные перемещения Вертикальные перемещения

Рис. 3.1. Искажение поперечного сечения слитка диаметром 200 мм после «изгиба» на базовый радиус (скорость разливки 1,8 м/мин)

(перемещения на верхнем рисунке увеличены в 10 раз)

Горизонтальные перемещения Вертикальные перемещения

Рис. 3.2. Искажение поперечного сечения слитка диаметром 200 мм после выпрямления (скорость разливки 1,8 м/мин)

(перемещения на верхнем рисунке увеличены в 10 раз)

Наибольшая расчётная величина овальности при правке для диаметра 200 мм не превосходит 0,5 %.

По существующим нормам приёмки допускается овальность до 1,5 %. Следовательно, непосредственно изгиб и правка круглой заготовки дает суммарную овальность в пределах указанного допуска.

3.2. Анализ формирования затвердевающей корки круглой непрерывнолитой заготовки в гильзе кристаллизатора. Определение конструктивных параметров рабочей полости гильзы. Анализ влияния разнотолщинности стенки гильзы на качество круглой заготовки.

С целью создания новой конструкции гильзы для непрерывного литья круглой заготовки рассмотрен процесс взаимодействия формирующейся оболочки круглого слитка со стенками кристаллизатора с учетом усадки и контактных явлений как основы образования овальности. Результатом этого анализа стала разработка гильзы кристаллизатора с новой формой рабочей полости.

Решение задачи обеспечивается тем, что в верхней части гильзы выполнены (рис.3.3) участки вогнутых поверхностей, при этом их форма, количество и длина зависят от размерного и марочного сортамента отливаемых слитков.

Рис.3.3. Конструктивное выполнение вновь разработанной гильзы кристаллизатора для литья круглых заготовок.

При разработке новой конструкции круглой гильзы необходимо было оценить образование зазора/натяга между внутренней стенкой гильзы кристаллизатора и формирующейся корочкой слитка.

На рис.3.4 приведено изменение зазора по длине кристаллизатора для круглой заготовки диаметром 156 мм (конусность гильзы постоянная – 1,4%/м).

Из рисунка видно, что при нелинейных функциях усадки и теплового потока добиться равномерного зазора по длине кристаллизатора при постоянной конусности невозможно. Кроме того, усадка заготовки помимо теплового потока зависит и от множества других факторов: скорости литья, марки стали, конструкции кристаллизатора и т.д. Следовательно, задание переменной по длине кристаллизатора конусности может обеспечить оптимальный зазор только в определённом диапазоне параметров разливки.

Рис.3.4. Изменение зазора по длине кристаллизатора для круглой заготовки диаметром 156 мм (конусность постоянная – 1,4%/м).

Для исследования особенностей взаимодействия затвердевающей оболочки заготовки в кристаллизаторе с профилированной стенкой гильзы был проведен анализ деформирования затвердевающей оболочки круглого слитка на участке кристаллизатора с четырьмя синусоидальными вогнутостями.

Математическая модель деформирования поперечного сечения затвердевающей круглой заготовки построена на основе теории изгиба криволинейных стержней. Разработан алгоритм, позволяющий расчетным путем получить распределение контактного давления по периметру оболочки заготовки при ее взаимодействии со стенками гильзы в процессе движения вдоль кристаллизатора.

В целях определения рациональной геометрии внутренней полости гильзы возможно построение приближенной расчетной модели. Это основано на том, что при моделировании деформационных процессов в заготовке на начальном этапе ее затвердевания в кристаллизаторе принимается во внимание тот факт, что процессы теплоотдачи и деформирования главным образом происходят в радиальном направлении. Это позволяет рассматривать деформирование оболочки заготовки как последовательность деформирования движущегося кольцевого сечения заготовки при равномерных по периметру и переменных по высоте охлаждении и затвердевании.

Считая, что в верхней части кристаллизатора затвердевание кольцевой оболочки слитка начинается равномерно (независимо от угла) и, используя приведенную среднюю температуру по толщине кольца, сводим данную задачу к задаче деформирования однородного кольца. При деформировании оболочки слитка полная скорость деформаций складывается из скорости деформации ползучести и скорости температурной деформации . Последняя связана с температурной усадкой формирующейся оболочки заготовки. В результате уравнение состояния при деформировании материала затвердевшей оболочки слитка запишем в следующем виде:

, (3.2)

где - коэффициент линейного расширения ;

- характеристика материала при высокотемпературном деформировании .

В данном выражении использована линейная зависимость скорости деформации ползучести от напряжения, что характерно для температур предплавления на начальной стадии образования оболочки слитка. Линейная зависимость существенно упрощает решение задачи и позволяет для круглых слитков использовать известные в теории упругости формулы, описывающие деформирование стержневых колец при изгибе.

При движении кольца вдоль кристаллизатора на участке гильзы с синусоидальными вогнутостями, скорость радиальных перемещений элементов кольца в зависимости от угловой координаты можно записать в следующем виде:

, (3.3)

где – число вогнутостей синусоидальной формы внутренней поверхности гильзы;

a – коэффициент определяющий конусность по вогнутостям;

b – коэффициент определяющий конусность по выступам.

Введем параметр – скорость радиальных перемещений с учетом изменения геометрии формы и температурной усадки слитка.

, (3.4)

где - изменение радиуса кольца за счет температурной усадки затвердевающей корочки слитка.

Построим решение контактной задачи взаимодействия кольцевой оболочки слитка со стенками гильзы кристаллизатора. Разобьем кольцо на «n» одинаковых элементов длиной , где . Каждый «j»-ый элемент характеризуется координатой и контактной силой

,

где - нормальное контактное напряжение.

С другой стороны, скорость радиального перемещения в «i»-ом элементе является результатом суммарного влияния всех «j»-ых контактных давлений. В результате, просуммировав скорости радиальных перемещений под действием всех «j»-ых контактных давлений, получаем систему «n» линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных :

, (3.5)

где , , соответственно - изгибающий момент, нормальная и поперечная силы в поперечном сечении кольца с угловой координатой при его нагружении единичными встречными силами в точках с угловой координатой.

Уравнение (3.5) получено на основе известного в сопротивлении материалов решения для кольца, нагруженного двумя единичными встречными силами. Его решение позволяет получить распределение контактных давлений по периметру круглого слитка при его взаимодействии со стенками кристаллизатора.

Для анализа геометрических параметров гильзы с синусоидальными вогнутостями использована безразмерная форма записи зависимости (3.4):

, (3.6)

где ;

- безразмерный параметр геометрии внутренней полости гильзы, объединяющий коэффициенты и , определяющий глубину воронкообразной части гильзы:

Также удобно ввести относительную толщину кольцевой оболочки

слитка

Таким образом, для анализа влияния геометрии формы внутренней поверхности гильзы на распределение контактных давлений и равномерность охлаждения заготовки в кристаллизаторе достаточно рассмотреть влияние на деформирование оболочки двух параметров и . Приведенные ниже результаты относятся к форме гильзы с 4-мя вогнутостями в верхней части.

Данный расчет позволяет определить критическое значение параметра , при котором контактное напряжение в области синусоидальных вогнутостей падает до нуля. Эта ситуация создает опасность возникновения газовых зазоров и местных разогревов оболочки слитка. С другой стороны, нельзя допустить и больших значений контактного напряжения, так как это приводит к возрастанию сил трения, и как следствие – к повышенному износу внутренней поверхности гильзы, а также к возможному разрыву оболочки заготовки. Рассматривая различные положения кольцевого элемента оболочки (задавая различные значения его относительной толщины ), подбираем такие значения параметра конусности , при котором обеспечивается приемлемая равномерность контактного напряжения по периметру и его величина. Таким образом, выбранные на основании данного расчёта рациональные значения внутренней полости гильзы в верхней воронкообразной части обеспечивают значительное снижение овальности круглой заготовки и при этом исключают образование поверхностных и подповерхностных трещин. В частности, для относительной толщины = 0,02 рациональное значение = 0,02, для = 0,04 - = 0,05, для = 0,06 - = 0,1 и для = 0,08 - = 0,2.

Для отклонений от среднего значения контактных напряжений не более 10% параметр в конце воронкообразного участка гильзы должен быть не менее 0,4…0,5 при относительной толщине оболочки в конце воронкообразного участка гильзы с синусоидальными вогнутостями не более 0,05…0,07.

На МНЛЗ-1 Волжского трубного завода, были установлены кристаллизаторы и гильзы новой конструкции «ВМ-синус» [2, 8…15, 18, 19, 23, 68]. В конце литья заготовок диаметром 156 мм (на четвёртой плавке в серии) при скорости вытягивания 2,9 м/мин в один из кристаллизаторов была введена сера. В результате была получена непрерывнолитая заготовка длиной 4500 мм, затем были отобраны поперечные темплеты с шагом порядка 150 мм, их подвергли шлифованию и сделали серные отпечатки, показанные на рис.3.5. Из рисунка видно, что распространение фронта кристаллизации к центру слитка происходит равномерно. Равномерный фронт кристаллизации обеспечивается разработанной конструкцией гильзы

Рис.3.5. Серные отпечатки с поперечных темплетов, сделанные после проведения эксперимента (h – толщина оболочки слитка; L – расстояние от мениска в кристаллизаторе). Скорость разливки 2,9 м/мин.

кристаллизатора в сочетании с новой системой вторичного охлаждения для литья круглых заготовок.

Во время освоения гильз «ВМ-синус» для круглых заготовок диаметром 156 мм на МНЛЗ-2 Волжского трубного завода, было установлено, что наилучшие результаты в части получения равномерного фронта затвердевания и, следовательно, – исключения овальности и трещин термического происхождения, были получены в тех случаях, когда перед формированием на оправке рабочей поверхности круглой гильзы её трубную медную заготовку обтачивают с целью уменьшения разностенности. Указанное объясняется тем, что рабочая поверхность гильзы «ВМ-синус» по сравнению с гильзами, изготавливаемыми другими фирмами, по своим размерам и конфигурации в наибольшей степени соответствует размерам и конфигурации наружной поверхности кристаллизующейся непрерывнолитой круглой заготовки, что обеспечивает плотный контакт между заготовкой и гильзой почти по всему периметру и по всей длине рабочей полости гильзы. В таких условиях, когда происходит интенсивный теплоотвод от заготовки к гильзе, оказалось, что равномерность теплоотвода по периметру заготовки не может быть обеспечена при существующих общепринятых мировых нормах допустимой разнотолщинности стенок гильзы в пределах +0,5 мм, т.е. поле допуска составляет около 1 мм, что в среднем равняется 6-7% от толщины стенок гильзы. В связи с этим при изготовлении гильз указанный допуск нами был уменьшен в 7 раз, что благотворно сказалось на качестве непрерывнолитой круглой трубной заготовки.

3.3. Модернизация действующих радиальных машин непрерывного литья круглых трубных заготовок на металлургических заводах России и зарубежных стран.

Результаты описанных выше выполненных работ и исследований были использованы при разработке новой конструкции кристаллизатора для разливки непрерывнолитых круглых заготовок диаметром 156 мм и оборудования зоны вторичного охлаждения при проведении реконструкции МНЛЗ-2 и модернизации кристаллизатора для заготовки диаметром 150 мм на реконструированной фирмой SMS-Demag МНЛЗ-1 Волжского трубного завода. Главной задачей при разработке новой конструкции оборудования для непрерывного литья круглых заготовок было увеличение рабочей скорости разливки, уменьшение овальности, увеличение серийности плавок и уменьшение брака.

Достигнутые результаты подтвердили предусмотренные проектом реконструкции МНЛЗ-2 Волжского трубного завода технико-экономические показатели:

- скорость разливки увеличена на 25-30%;

- сократилась продолжительность разливки одной плавки со 120 минут до 90 минут;

- производительность МНЛЗ-2 увеличена на 30%;

- количество плавок в серии возросло до 4,3;

- количество прорывов уменьшилось в 10 раз;

- расход огнеупоров сократился на 25-40%;

- стойкость гильз кристаллизаторов увеличилась на 40-45%;

- отсортировка круглых заготовок на обточку по дефектам поверхности сократилась в 2,5-3 раза.

Годовой экономический эффект от реконструкции МНЛЗ-2 составил около 31,98 млн. руб. (по данным центральной заводской лаборатории Волжского трубного завода), в том числе:

- за счёт снижения расхода огнеупоров – 84,6 руб/т (около 17,2 млн. руб. или 53,4 % от общего экономического эффекта);

- за счёт увеличения производительности МНЛЗ-2 – 17,1 руб/т (около 13,2 млн. руб. или 41,3 % от общего экономического эффекта);

- за счёт уменьшения количества заготовок направленных на обточку – 10 руб/т (около 1,58 млн. руб. или 4,9 % от общего экономического эффекта).

Для решения задач по улучшению качества непрерывнолитых круглых заготовок 156, увеличению скорости и повышению стабильности процесса разливки на МНЛЗ-1 по заданию ВТЗ были реконструированы кристаллизаторы, изготовленные фирмой SMS-Demag. В них были установлены гильзы конструкции «ВМ-синус», в результате чего была достигнута максимальная скорость разливки 3,5 м/мин и брак снижен с 4,5 % до 0,18%, овальность заготовок уменьшена с 0,46 % до 0,01 %.

Аналогичные задачи см. таблицу 3.1 были решены при разработке под руководством автора основного технологического оборудования в связи реконструкцией трехручьевой МНЛЗ металлургического завода «ТМК-Решица» (Румыния) для литья круглых заготовок диаметром 350 и 177 мм. На пятиручьевой МНЛЗ Северского трубного завода для литья заготовок диаметром 156 мм и трехручьевой МНЛЗ завода “KSP Steel” для литья заготовок диаметром 210 мм и 300 мм выполненные под руководством автора работы по их реконструкции находятся в стадии завершения.

Таблица 3.1. Перечень заводов, для которых был выполнен проект реконструкции МНЛЗ для литья круглых трубных заготовок.

№	Об ъект	Сечение заготовок, мм	Кол-во ручьев, шт.	Тип МНЛЗ	Год Реконструкции	Вес плавки, т	Работы, выполненные под руководством автора
1	Волжский трубный завод	156 196	4	Криволи­ней­ная, R14 м	2005-2006	150		Техно-рабочий проект реконструк-ции кристаллизато-ров, ЗВО и гибких затравок.
2	Метзавод ТМК-Решица (Румыния)	177 350	3	Радиаль-ная, R13 м	2008-2009	110		Технический проект реконструкции. кристаллизаторов. Участие в освоении и достижении проектных показателей.
3	Метзавод г. Павлодар (Казахстан)	150х150 210 300	3	Радиаль-ная, R10 м	2009-2010	60		Техно-рабочий проект реконструк-ции ЗВО, ТПУ и кристаллизаторов.
4	Северский трубный завод	156	5	Криволи­ней­ная, R12 м	2010	150		Техно-рабочий проект реконструкции кристаллизаторов и ЗВО.