УДК 621.746.62:669.189
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ ОХЛАЖДЕНИЯ СОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК В УСЛОВИЯХ МНЛЗ ДМКД
© Гресс Александр Владимирович, д-р техн. наук, проф., e-mail: agress@ua.fm;
Чеботарева Ольга Александровна, e-mail: chebotareva_92@mail.ua Днепродзержинский государственный технический университет. Украина, Днепропетровская обл., г. Днепродзержинск
Статья поступила 09.04.2014 г.
Предложена методика расчета оптимальных температурно-скоростных режимов охлаждения сортовых заготовок посредством поиска многокритериального глобального экстремума. Приведены результаты расчета применительно к конкретной МНЛЗ.
Ключевые слова: МНЛЗ; температурно-скоростной режим; напряжения; ликвация; глобальный оптимум.
Несомненно, в настоящее время непрерывная разливка является одним из самых современных способов литья [1]. Сейчас в мире более трети всей непрерывнолитой стали разливается в сортовые заготовки. Вместе с тем остается еще достаточно много нерешенных проблем, связанных с оптимальными температурно-скоростными режимами литья сортовой заготовки.
Проблеме оптимизации условий затвердевания металла при непрерывной разливке стали уделяется достаточно много внимания [2-11]. Все исследователи единодушны во мнении, что оптимизация режимов охлаждения слитков - многоплановая и чрезвычайно сложная задача, поскольку при ее решении необходимо учитывать множество физических и химических параметров. К их числу, в первую очередь, относятся: скорость разливки, перегрев металла, интенсивность теплосъема в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения (ЗВО), теплофизические свойства металла, дисперсность структуры, ликвация, пористость, наличие трещин и т.д.
На современном этапе развития науки и техники нахождение оптимальных параметров охлаждения стальных слитков с учетом всех факторов пока еще невозможно. Поэтому чаще всего означенная задача многокритериальной оптимизации сводится к определению оптимальных режимов охлаждения слитка с учетов нескольких факторов. Причем найденные режимы чаще всего справедливы для заготовки определенных типоразмеров, сортамента стали и конкретной МНЛЗ.
Цель настоящей работы - определение оптимальных режимов охлаждения стальной непрерывнолитой сортовой заготовки в пределах бункера ЗВО (зоне принудительного охлаждения) МНЛЗ Днепровского металлургического комбината им. Ф.Э.Дзержинского (ДМКД) с учетом химического состава металла, ликвации примесей в процессе кристаллизации, размера заготовки, скорости ее
вытягивания, температуры перегрева стали и поверхности слитка на выходе из бункера ЗВО, термомеханических напряжений (далее напряжений) в теле заготовки с возможностью прогнозирования макроструктуры сортовой заготовки и места расположения вероятных трещин.
Основным требованием при разработке режимов вторичного охлаждения стальной заготовки в бункере ЗВО является неизменность или плавное снижение температуры ее поверхности при условии отсутствия критических напряжений.
Чаще всего считают, что закон изменения температуры поверхности в пределах бункера ЗВО должен носить степенной [2, 11] характер. Согласно [11], текущая температура поверхности заготовки (16 ) в бункере ЗВО зависит от заданной температуры поверхности заготовки в конце бункера ЗВО (¿6ков), на выходе из кристаллизатора (£кпров), скорости разливки (ир), длины бункера ЗВО (16ЗВО) и в каждый расчетный момент времени процесса разливки тр определяется как
«.6
1
£6к _£6к )" Г . (1)
пов V ПОВ ПОВ' ' у '
г
ПОВ
Для обеспечения нужной толщины корки металла на выходе из кристаллизатора нужно поддерживать в пределах 900-1250 °С. Это" условие может соблюдаться для всех заэв-тектоидных сталей. Расчетами [11] определено, что гарантийным условием получения на выходе из кристаллизатора корки металла заготовки толщиной, способной выдержать ферростатический напор расплава, является температура ее поверхности на входе в бункер ЗВО 16 = 1150 °С. Известно
пов
[11], что для стальной заготовки
из стали с низким содержанием марганца с целью минимизации вероятности возникновения трещин скорость снижения температуры ее поверхности в пределах бункера ЗВО в диапазоне температур 900-1200 °С должна быть меньше 4 °С/с. Длина бункера ЗВО в условиях МНЛЗ ДМКД 16ЗВО = 6,5 м, скорость разливки заготовок исследуемых типоразмеров и сортамента находится в диапазоне 2,4-4,2 м/мин. Несложные расчеты по уравнению (1) показывают, что при £кпров= 1150 °С ¿61ков= 1140-1144 °С. Однако низкая скорость охлаждения заготовки в пределах бункера ЗВО приводит к снижению скорости кристаллизации с неизбежным ростом зональной ликвации, размеров зерна, снижением прочностных характеристик стали и возможным появлением осевых трещин. Поэтому, безусловно, оптимальная температура в конце бункера ЗВО должна быть меньше заявленной ранее (1140-1144 °С).
Общеизвестно, что прочностные характеристики стальных изделий существенно возрастают при одновременном снижении пластичности в диапазоне температур нормализации. Следовательно, заготовка должна подходить к зоне окончательного разгиба с температурой, на 40-50 градусов выше температуры нормализации. Для низко- и среднеуглеродистых сталей эта температура составит, °С:
Ьн = 961 - 286[С], (2)
где [С] - концентрация углерода.
При нахождении оптимальных режимов вторичного охлаждения авторы принимали, что первым функционалом, влияющим на распределение температурной нагрузки на заготовку в пределах бункера ЗВО, являются относительные напряжения, рассчитываемые как отношение действительных напряжений к предельным [11]. В отличие от других математических моделей [4-9], в этой учтено, что кроме температуры на напряжения влияют также изменения химического состава металла в процессе кристаллизации, фер-ростатический напор, расстановка элементов роликовой проводки. Как известно, напряжения могут быть растягивающими -+ и сжимающими
Бесспорно, чем меньше будут по абсолютным показателям значения напряжений, тем меньшей будет вероятность трещинообразования.
В качестве следующего функционала принята степень ликвации химических примесей. Заметим, что, согласно нашим расчетам, экстремумы распределения различных ликватов по телу заготовки могут не совпадать. Принято, что сера в большей степени определяет потребительские
свойства металлопродукции, поэтому степень ее ликвации (¿5) должна быть по возможности меньшей.
В качестве параметров, определяющих заданные функционалы, использовали перегрев (ДТпер), скорость разливки (ир, м/мин), температуру поверхности заготовки на выходе из бункера ЗВО (Ь6пков) и концентрацию углерода в ковшовой пробе [С].
Без сомнения, никакие динамические величины любых процессов не изменяются линейно, поэтому с целью получения регрессионных зависимостей второго порядка и минимизации количества численных экспериментов использовали метод ортогонального центрального композиционного планирования [12].
Очевидно, что величины рассчитанных функционалов будут различны. Для проведения корректного поиска глобального экстремума при многокритериальной оптимизации следует выполнить так называемую операцию нормализации. Авторы использовали способ стандартизации функционалов, предусматривающий их перерасчет с целью получения Гауссовского вероятностного распределения. К сожалению, при решении задач многокритериальной оптимизации стандартизация функционалов не означает получения правильного решения. Причиной является неопределенность степени влияния того или иного функционала на многокритериальный глобальный экстремум. Для решения этой задачи вводят понятие весовых критериев, определяемых чаще всего субъективно.
Поскольку в металлургии отсутствует объективная информация относительно совместного весового влияния растягивающих, сжимающих напряжений и степени ликвации на служебные характеристики непрерывнолитой сортовой заготовки, в нашем случае был использован формальный метод определения весовых коэффициентов.
Решение задачи поиска глобального экстремума с помощью эволюционного метода для искомых функционалов в соответствии с типоразмерами и сортаментом выпускаемой ДМКД непрерывнолитой заготовки дало результаты, представленные в таблице.
Детальный анализ таблицы показывает, что при одинаковом содержании углерода увеличение сечения заготовки приводит к необходимости уменьшения перегрева металла. Такая же тенденция отмечается и для скорости разливки и особенно для температуры поверхности заготовки на выходе из бункера ЗВО. Очевидно, что на-
Оптимальные условия разливки стальной сортовой заготовки в условиях ДМКД
Сечение, ммхмм Функционал Значение AT , пер °С V м/мин t6K , пов °С [C], %
max 10,0 3,48 921 0,24
min 33,8 4,20 1101
130x130 0,28-+ + 0,451—1+ 0,27LS max 10,0 3,48 921 0,19
min 33,8 4,20 1101
max 10,0 3,48 921 0,33
min 33,8 4,20 1101
max 10,0 2,50 921 0,24
min 38,6 2,95 1043
150x150 0,17-+ + 0,61—1 + 0,23LS max 10,0 2,50 921 0,19
min 10,0 2,91 1007
max 10,0 2,50 921 0,33
min 10,0 2,91 1007
max 33,3 2,40 1059 0,24
min 10,0 3,00 921
160x160 0,19-+ + 0,531-1 + 0,28LS max 34,0 2,40 1131 0,19
min 10,0 3,00 921
max 33,3 2,40 1059 0,33
min 10,0 3,00 921
Примечание. Значение «min» - наиболее благоприятные с точки зрения получения качественной заготовки режимы разливки, «max» -неблагоприятные условия разливки.
ихудшие результаты по качеству заготовки могут быть получены при обратных тенденциях изменения параметров разливки.
Объяснение физической картины поведения искомых функционалов заключается в их взаимозависимости. Особенно это относится к зависимости напряжений от химического состава металла, меняющегося как в процессе кристаллизации, так и в пространстве заготовки. В свою очередь, это вызывает прерывистый ход кристаллизации, сопровождающийся резким ускорением или, наоборот, остановкой перемещения фронта кристаллизации. В некоторых случаях имеет место даже подплавление уже закристаллизовавшейся локальной зоны. И эти процессы очень сложным образом зависят от исследуемых параметров.
Так, уменьшение концентрации примесей в некоторой локальной области заготов
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.