^
о о
N ТР
и
УДК 621.746.047.00157 £
ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША УНРС С ЦЕЛЬЮ УДАЛЕНИЯ ЭКЗОГЕННЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
© А.В.Куклев, В.В.Тиняков, Ю.М.Айзин, В.Н.Гущин, В.А.Ульянин, В.Г.Ордин, А.М.Ламухин, В.П.Загорулько
ООО "Корад", Нижегородский государственный технический университет, ОАО "Северсталь"
Достигнутый к настоящему времени уровень технологии непрерывной разливки стали позволяет производить широкий сортамент металлопродукции повышенного качества. Однако требования к ее качеству, в первую очередь стального листа, в последние годы значительно возросли.
Так, для реализации принятой программы освоения новых месторождений нефти и газа, строительства новых и реконструкции существующих газо- и нефтепроводов необходимы трубы диам. 1420 мм для работы под давлением 120 бар в условиях Крайнего Севера. Кроме того, для снижения издержек при строительстве трубопроводов необходимо снижать толщину стенок трубы. При этом требуется свести риск ее аварийного разрыва к минимуму. Для производства таких труб требуется лист с определенной макроструктурой, высокими качеством поверхности и чистотой по неметаллическим включениям.
Известно, что крупные неметаллические включения являются концентраторами напряжений при циклической нагрузке, центрами зарождения коррозионных трещин при работе трубы в среде с присутствием сероводорода и углекислого газа. Скопления неметаллических включений приводят к расслою листа и появлению дефектов сварного шва труб.
Аналогичные требования предъявляются к листу для судостроения. Для строительства буровых платформ для освоения шельфа северных морей и крупнотоннажных морских судов, втом числе нефтеналивных, требуется лист повышенных прочности, ударной вязкости и свариваемости, что должно снизить риск морских аварий и катастроф.
Высокие требования предъявляются и к холоднокатаному листу для автомобилестроения. Для создания конкурентоспособного легкового автомобиля необходимо снизить массу кузова и его элементов, повысить его коррозионную стойкость и улучшить внешний вид лицевых панелей. При производстве такого листа необходимо исключить образование крупных экзогенных включений и "строчек" глинозема, так как они могут вызвать ряд дефектов готовой продукции, таких как разрыв при холодной вытяжке, нарушение внешнего вида поверхности, дефекты цинкового защитного и лакокрасочного покрытий кузова.
Несмотря на применение современных средств ра-
финирования металла, полностью избавиться от экзогенных включений не удается. Результаты металлографических исследований показали, что значительная часть таких включений попадает в металл из промежуточного ковша установки непрерывной разливки стали (УНРС).
Возможны несколько путей образования крупных включений: поступление экзогенных включений из футеровки сталеразливочного и промежуточного ковшей, эмульгированного шлака сталеразливочного и промежуточного ковшей, а также укрупнение эндогенных включений в турбулентном потоке.
Для предотвращения этих процессов используют различные методы - увеличивают емкость промежуточного ковша, выполняют в нем различные пороги, перегородки, огнеупорные вставки типа "турбостоп" и др. Однако опыт показывает, что перенос технических решений типа перегородок, порогов на промежуточный ковш другой геометрии без изучения гидродинамических процессов часто приводит к отрицательным результатам. Сложность математического анализа систем дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих течение жидкого металла, особенно при неточном задании граничных условий и приближенном задании ряда теплофизических параметров, снижает достоверность результатов расчетов. Однако, используя этот математический аппарат и теорию подобия, можно спроектировать имитационные гидромодели сложных и мало изученных процессов и систем.
Для изучения и оптимизации геометрии промежуточных ковшей - 50-т конвертерного производства и 15-т электросталеплавильного - спроектирована и изготовлена холодная модель промежуточного ковша. В качестве модельных жидкостей использованы вода (моделирование жидкой стали) и машинное масло (покровный шлак и жидкие неметаллические включения). Твердые неметаллические включения моделировали с помощью древесного угля различной плотности и гранулометрического состава. Для измерения скорости гидропотоков применяли метод трассировки (добавление контрастной жидкости).
Анализ полученных на гидромодели скоростей конвективных потоков в промежуточном ковше без перегородок и расчетных скоростей всплывания примес-
ных образований показывает, что среднее время перемещения включений от поступающей струи металла до торцевой стенки составляет 50-90 с. С глубины 400-450 мм (зоны максимальных скоростей) включения размером 150 мм всплывают за 40-200 с в ламинарном потоке и за 20-30 с в турбулентном, включения размером 500 мкм - за 5-15 с в обоих режимах движения гидропотока. Для включений размером 100 мкм минимальное время всплывания с этой глубины превышает 100 с (в турбулентном потоке). Таким образом, самостоятельно всплыть с глубины 400-450 мм (без формирования оптимальных гидропотоков) могут только включения размером более 150-200 мкм в турбулентном потоке и более 200-300 мкм в ламинарном. Так как скорость большей части нисходящих гидропотоков сопоставима со скоростями всплывания включений, то значительная часть примесных образований размером 400-500 мкм и менее с большой степенью вероятности может попасть в кристаллизатор УНРС. Кроме того, при высокой скорости движения в ковше на поверхности металла образуются вихревые потоки, затягивающие вглубь металла покровный шлак и оголяющие поверхность металла, что приводит к вторичному его окислению. Эти процессы усугубляются при несимметричном расположении трубы для защиты струи, вытекающей из сталеразливочного ковша, и малом заглублении этой трубы в металл.
При проведении исследования моделировали полнопрофильные перегородки с различным числом отверстий (от 1 до 9). Для 50-т промежуточных ковшей определяли оптимальное расположение перегородки,
II гг
<j
V. м/с
Б ' +0fl4 О Ч),04+0,04 0 -0,04+0,04-0,040+0,04-0,04 О +0,04
ш
шв
+0,'04 0 -0,04+0,04 о -0,04+0,04 0-0,04-0,04 0+0,'04-0,04 0 +0,04
V, м/с
Рис. 1. Схемы гидропотоков и эпюры скоростей в приемном (1), дальнем разливочном (2) и ближнем разливочном (3) отсеках промежуточного ковша при пяти отверстиях в перегородке с углом наклона 15 град.: А - центральное вертикальное сечение промежуточного ковша; Б-поверхность расплава
форму, число, диаметр и угол наклона отверстий в ней. Определены оптимальные параметры: число отверстий в перегородке - 5 (3 в верхнем и 2 в нижнем ряду); диаметр отверстий - 100 мм для 50-т ковша и 80 мм для 15-т; угол наклона - 15-20 град, к свободной поверхности металла (в зависимости от места расположения перегородок); расстояние центра нижних отверстий в перегородке от днища промковша - не более 0,15 м для 50-т промежуточного ковша и 0,09-0,14 м для 15-т (при большем расстоянии ухудшаются условия улавливания шлака и неметаллических включений).
В промежуточных ковшах с перегородками, имеющими одно или два отверстия, формируется трехмерная вихревая структура потока. Гидропотоки в приемном отсеке также характеризуются трехмерной вихревой структурой, что приводит к хаотичному движению моделирующих включения образований. Не более 10-15% этих включений достигает мениска и ассимилируется шлаковым покровом.
При пяти отверстиях в перегородке формируется двухуровневый многоструйный поток, причем меньшие скорости верхних потоков способствуют увеличению зоны, благоприятствующей всплыванию включений. В результате степень улавливания модельных шлаковых включений возрастает на 2-9% по сравнению с разливкой через два перепускных отверстия равной площади. При этом уменьшается на 8-10% разница уровней свободной поверхности приемного и ближнего разливочного отсеков и высота волны в ближнем отсеке, а также уменьшается влияние значений угла наклона перепускных отверстий.
Структура гидропотоков в поперечных сечениях разливочных отсеков (рис. 1) изменяется от четырех-вихревой (для дальнего отсека) до восьмивихревой (для ближнего отсека). В ближнем разливочном отсеке наблюдается перемещение всплывающих включений
А-А
Bud Л
Рис. 2. Схема удаления модельных включений, поведения шлакового покрова и изменения свободного уровня металла в ближнем разливочном отсеке промежуточного ковша при пяти отверстиях в перегородке с углом наклона 15 град.: - разница уровней в разливочном и приемном отсеках; Н - высота волны на свободной поверхности; 1 - места скопления покровного шлака и неметаллических включений; 2 - эпюры скоростей истечения металла из верхнего и нижнего рядов отверстий
/, % 100
80
60
40
20
- ч; ч
20° 1
N í
\10¿ 30°
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Скорость вытягивания заготовки, м/мин Рис.3. Зависимость степени улавливания включений (I) от скорости вытягивания заготовки и угла наклона отверстий в перегородке
по всему периметру (рис. 2). В продольном сечении сохраняется двухвихревая структура потоков. Увеличение объема всплывающих к мениску включений сопровождается также увеличением объема ассимилируемых образований (рис. 3). Многовихревая структура движения металла способствует удалению включений, уменьшает волнообразование на поверхности промежуточного ковша, что будет способствовать уменьшению вторичного окисления металла и ассимиляции им шлаковых включений (рис. 4).
Н, мм 10 8 6 4 2
30° <3о°
Г у /10
'Ж г /
/?, мм 50 40 30 20 10
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Скорость вытягивания заготовки, м/мин
Рис.4. Зависимость разницы уровня (!1) между разливочным и приемным отсеками промежуточного ковша и высоты волны (Н) от скорости вытягивания заготовки и угла наклона отверстий в перегородке
Промежуточные ковши с перегородками испытали при непрерывной разливке стали для толстого (8-50 мм) листа на вертикальной УНРС (скорость вытягивания сляба 0,55-0,70 м/мин) и стали для производства холоднокатано
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.