Разработка и внедрение новых технологических решений с целью повышения качества непрерывнолитых блюмовых заготовок в условиях комбината ОАО "ОЭМК" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Бокарев, Сергей Петрович

• Бокарев, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бокарев, Сергей Петрович

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Влияние конструктивных особенностей кристаллизатора и технологии разливки на качество непрерывнолитых заготовок

1.2 Анализ конструкции коллекторов, форсунок и типов систем вторичного охлаждения, а также режимов их работы на качество поверхности, макроструктуру непрерывнолитых блюмов 18 1.3.Анализ влияния электромагнитного перемешивания на формирование непрерывнолитых слитков 21 1.4 Выводы к разделу и задачи исследования

2 Теоретический анализ формирования непрерывнолитых блюмов в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения при воздействии электромагнитного перемешивания

2.1 Исследование формирования оболочки слитка в кристаллизаторе.

Расчет оптимальной формы каналов охлаждения рабочих стенок кристаллизаторов

2.2 Расчетные исследования режимов охлаждения затвердевающих блюмов. Расчет режимов вторичного охлаждения блюмов водовоздушным туманом. Опробование и корректировка методики расчёта охлаждения непрерывнолитых блюмов

2.3 Теоретический анализ влияния электромагнитного перемешивания на качество макроструктуры и поверхности непрерывнолитого слитка

2.4 Выводы к главе

3 Разработка и промышленное испытание конструкций кристаллизаторов, систем вторичного охлаждения и режимов электромагнитного перемешивания

3.1 Испытание рабочих стенок кристаллизаторов из нового материала с покрытием и с оптимальной формой каналов охлаждения

3.2 Испытание коллекторов, форсунок вторичного охлаждения новой конструкции и расчетных режимов их работы

3.3 Промышленные испытания электромагнитного перемешивания жидкой фазы непрерывнолитой заготовки

3.4 Выводы к главе

4 Разработка технологии непрерывной разливки стали трещиночуствительных марок

4.1 Оптимизация температурно-скоростного режима разливки стали

4.2 Разработка и испытание режимов качания кристаллизатора, обеспечивающих повышение качества поверхности непрерывнолитого слитка

5 Экономическая эффективность процесса Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение новых технологических решений с целью повышения качества непрерывнолитых блюмовых заготовок в условиях комбината ОАО "ОЭМК"»

Основные тенденции современного развития метода непрерывной разливки стали, как в нашей стране, так и за рубежом, определяются все возрастающими требованиями к качеству непрерывнолитой заготовки и конечной продукции; к ее конкурентноспособности как на внутреннем, так и мировом рынке; к расширению сортамента разливаемых сталей. Решение этих задач актуально не только для ОАО «ОЭМК», который является крупнейшим производителем непрерывно литой заготовки (в основном круглой диметром от 11 до 180 мм) для сортовых станов из низко- и среднеуглеродистых сталей, применяемых в изделиях ответственного назначения, но и для всех металлургических предприятий - потребителей блюмовой заготовки. Актуальность данной работы определяется необходимостью решения всего комплекса требований, который может быть обеспечен за счет совершенствования серийной технологии, за счет разработки новых перспективных технологических и конструкторских решений.

Известно, что для непрерывнолитой заготовки из низкоуглеродистой стали характерными дефектами являются паукообразные трещины на поверхности, повышенная ликвация и пористость в осевой зоне. Удаление паукообразных трещин перед прокаткой, а в случае их неполного удаления на данной стадии удаление их остатков на готовом прокате, приводит к дополнительным трудозатратам и к повышению себестоимости. Снижение уровня осевой ликвации позволит расширить номенклатуру выпускаемой продукции.

Целью данной работы является повышение качества непрерывнолитой блюмовой заготовки путём разработки и внедрения новых экономичных технологических решений на стадии формирования и охлаждения заготовок из стали трещиночувствительных марок, а также совершенствование серийной технологии путём разработки и внедрения новых рациональных конструкторских решений основных узлов блюмовой МНЛЗ.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи: - проведено комплексное исследование влияния режимов разливки, водовоздушного охлаждения и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, особенностей конструкции основных узлов блюмовой машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), (кристаллизатора, коллекторов, форсунок) на структуру и качество поверхности и осевой зоны, а также на выход годного;

- проведен теоретический анализ и развиты научные положения теории процессов теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения на основе используемой математической модели; разработан научно обоснованный комплекс технических решений, обеспечивающих равномерное охлаждение при формировании оболочки в кристаллизаторе, увеличение стойкости кристаллизатора, улучшение качества поверхности непрерывнолитых блюмов;

- разработана и прошла промышленные испытания новая конструкция каналов охлаждения в рабочих стенках кристаллизатора (геометрия сечения, порядок расположения); установлена оптимальная форма каналов - трапециевидная, обеспечивающая равномерное охлаждение оболочки слитка, равномерное распределение воды по высоте коллектора, снижение расхода материала стенок на 40%;

- проведено исследование по оптимизации геометрии рабочей полости кристаллизатора, по влиянию формы на кинетику и морфологию структуры, качество поверхности непрерывнолитых заготовок;

- впервые применен для рабочих стенок кристаллизатора новый материал (БрХ1Цр), что позволило уменьшить отбраковку проката по раскатанным трещинам и увеличить стойкость кристаллизатора;

- разработана технология непрерывной разливки .трещинночуствительных сталей: оптимизирован температурно-скоростной режим разливки; разработан и прошел промышленное испытание режим качания кристаллизатора, обеспечивший повышение качества поверхности непрерывнолитого слитка; разработаны режимы вторичного охлаждения для всего марочного состава ЭСПЦ ОАО «ОЭМК»; разработаны режимы электромагнитного перемешивания; проведен расчет экономической эффективности усовершенствованного технологического процесса.

Научная новизна: проведен расчет процессов охлаждения и затвердевания блюма с применением математической модели; разработан научно обоснованный комплекс новых технических решений и установлены закономерности их влияния на качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой заготовки; разработаны новые конструкции основных узлов MHJI3 для вторичного охлаждения, обеспечивающие равномерное и мягкое охлаждение непрерывнолитой заготовки водовоздушным туманом; установлены закономерности влияния новых технических решений на качество поверхности й макроструктуры непрерывнолитой заготовки.

Практическая значимость:

1. Впервые разработан и внедрен на "радиальной MHJ13 ЭСПЦ ОАО "ОЭМК" комплекс технических решений (технологических и конструкторских) обеспечивающий повышение качества непрерывнолитых блюмов сечением 300x360 мм.

2. Разработан и опробован кристаллизатор с переменной конусностью, позволяющий улучшить дендритную структуру непрерывнолитых заготовок.

3. Разработаны новые режимы вторичного охлаждения на радиальной блюмовой MHJ13; усовершенствована и внедрена технология отливки блюмов из трещиночуствительной стали, что позволило повысить качество непрерывнолитой заготовки, а также крупно- и мелкосортного проката ответственного назначения.

4. Разработан оптимальный режим электромагнитного перемешивания металла, в кристаллизаторе, позволивший улучшить качество поверхности и макроструктуры непрерывнолитой блюмовой заготовки.

5. Разработана конструкция системы водовоздушного охлаждения, позволившая повысить качество поверхности непрерывнолитой заготовки стали широкого сортамента.

На защиту выносится:

1. Комплекс научно обоснованных технических, решений, включающий в себя: разработку новой формы каналов охлаждения кристаллизатора; материал кристаллизатора; режимы вторичного охлаждения; режимы электромагнитного перемешивания.

2. Новая конструкция узла вторичного охлаждения.

3. Результаты промышленных испытаний и внедрения разработанного комплекса технических решений.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, обусловлена применением аттестованных методик измерений и соответствующей оценки их погрешностей, а также положительными результатами промышленных испытаний на ОАО "ОЭМК".

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции по непрерывной разливке стали (г. Тржинец, ЧССР, 1989 г.), на научно-технической конференции «Внепечная обработка и непрерывная разливка стали» (г. Москва, май 2006 г.), на девятом Международном конгрессе сталеплавильщиков (г. Старый Оскол, октябрь 2006 г.).

По результатам работы опубликованы пять статей и получен патент.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Бокарев, Сергей Петрович

выводы

1. Проведено комплексное исследование влияния технологических режимов разливки, водовоздушного охлаждения и электромагнитного перемешивания (ЭМП) в кристаллизаторе, особенностей конструкции основных узлов блюмовой машины непрерывного литья заготовок (MHJI3) на структуру и качество поверхностной и осевой зон непрерывнолитой блюмовой заготовки (НЛЗ), на выход годного из трещиночувствительных сталей. Разработаны и внедрены экономичные технологические решения, позволяющие усовершенствовать серийную технологию производства блюмовой заготовки и повысить ее качество в условиях комбината ОАО «ОЭМК».

2. Развиты научные положения теории процессов теплообмена в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения на основе разработанной математической модели. Разработан научно обоснованный комплекс мероприятий, обеспечивающих i равномерное охлаждение, < улучшение качества поверхности НЛЗ, • увеличение стойкости кристаллизатора. Установлено, что для точного расчета температурного состояния слитка необходимо учитывать в математической модели как конструктивные и технологические особенности МЛНЗ в целом, так и особенности конструктивного оформления кристаллизатора и зоны вторичного водовоздушного охлаждения.

3. Разработана новая конструкция (геометрия сечения и порядок расположения) водоохлаждающих каналов в стенке кристаллизатора. Установлено, что оптимальной формой каналов является трапециевидная, обеспечивающая равномерное и эффективное охлаждение оболочки слитка при снижении расхода материала стенок на 40%. Новая конструкция водовоздушных коллекторов с применением дросселирования воды позволила получить равномерное распределение воды по высоте коллектора.

4. Проведено исследование влияния формы рабочей полости кристаллизатора на скорость кристаллизации, на расположение по сечению дендритных зон, на кинетику и морфологию их структуры, а также качество поверхности НЛЗ.

Показано, что применение трехконусного кристаллизатора создает условия для увеличения скорости вытягивания непрерывнолитой заготовки.

5. На основе анализа работы кристаллизатора с рабочими стенками, изготовленными из различных материалов (меди и ее сплавов, с защитными гальваническими покрытиями и без покрытий), внедрен новый материал для рабочих стенок кристаллизатора - бронза марки БрХ1Цр, применение которой позволило уменьшить отбраковку проката по раскатанным трещинам на 43%, увеличить стойкость кристаллизаторов со 123 до 520 плавок и общую наработку комплекта стенок с 986 до 3000 плавок.

6. На основании проведенных расчетов и экспериментально полученных данных испытаний на специальном стенде объемно-факельных форсунок разработаны режимы вторичного охлаждения для всего марочного сортамента ЭСПЦ ОАО «ОЭМК». Новые режимы охлаждения .обеспечивают повышение качества трещиночувствительных сталей и снижение брака по раскатанным трещинам с " 0,02 до 0%, снижение доработки поверхности с 31 до 14%, что позволило снизить себестоимость продукции и трудозатраты в условиях комбината ОАО «ОЭМК».

7. Разработаны оптимальные режимы работы системы электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, позволившее существенно улучшить макроструктуру сталей всех групп марок: по дефекту «подусадочная ликвация» в 1,5-4 раза; по центральной пористости и протяженности осевой неоднородности в 1,5 - 2,5 раза; повысить качество проката и снизить брак на 30%.

8. Годовой экономический эффект от внедрения усовершенствованной технологии и конструкции блюмовой МНЛЗ составил 21 миллион рублей в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бокарев, Сергей Петрович, 2008 год

1. Самойпович Ю.А. Тепловые процессы при непрерывной разливке стали. М.: Металлургия, 1982. - 152 с.

2. Рудой JI.C. Изв. вузов. Черная металлургия. 1962. № 2. С. 51-55.

3. Рудой Л.С., Майоров Н.П., Кушнарев И.Т. Сталь. 1966. № 12. С. 1093-1095.

4. Акименко А.Д., Григорьев Д.К., Гирский В. Е., Перминов В.П. В сб. Проблемы стального слитка. М.: Металлургия. 1976. Стр. 352-355.

5. Лейтес А.В. Защита стали в процессе непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1984. - 200 с.

6. Вюнненберг К. Возможности и пределы теплопередачи в кристаллизаторах МНЛЗ // Черные металлы. 2000. № 12. С. 35-41.

7. Kumaee Е.М. Затвердевание стальных слитков. М.: Металлургия, 1982. - 167 с.

8. Николаев А.К. Материалы для кристаллизатора непрерывного литья слитка // Цветные металлы. 1983. - № 12. - С. 51-55.

9. Шестаков Н.И., Шичков А.Н. Расчет термического сопротивления • рабочей стенки кристаллизатора с цилиндрическимиводоохлаждаемыми каналами // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1990. - № 3. - С. 70-72.

10. Акименко А.Д., Kumaee Е.М., Скворцов A.M. Тепловые расчеты машин непрерывного литья стальных заготовок. Горький: Горьковский политехнический институт имени А.А.Жданова, 1979.

11. Шестаков Н.И., Шичков А.Н. Расчет теплообмена в кристаллизаторе // Изв. вузов. Черная металлургия. 1984. - № 5. - С. 129-132.

12. Вольф Манфред М. О контроле затвердевания сталей в формах непрерывной разливки посредствам измерения теплового потока. // Trans, of Iron and Steel Inst. 1980. Vol. 20. No 10. P. 718-724.

13. Pymec B.C., Куклин H.H., Евтеев Д.П. Непрерывная разливка стали в сортовые заготовки. М.: Металлургия, 1967. - 144 с.

14. Данилов B.JI., Зарубин С.В., Сивак Б.А., и др./ Взаимодействие слитка с кристаллизатором при непрерывном литье тонких слябов // Изв. вузов. Черная металлургия. 1997. - № 6. - С. 11-13.

15. Виноградов В.В., Тяжелъникова И.Л. Теория двухфазной зоны кристаллизующегося сплава и ее приложение к затвердеванию непрерывнолитого слитка//Электрометаллургия. 2001. № 11. С. 15-21.

16. Борисов В.Т. Виноградов В.В. В сб. ЦНИИчермет им. И.П.Бардина на рубеже столетий. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. С. 85-93.

17. Целиков А.А., Смоляков А. С., Ганкин В.Б. и др. Кристаллизаторы блюмовых и сортовых МНЛЗ. Сб. тр. междунар. конф. по непрерывной разливке. ЧССР. Тржинец, 1989. С. 75-79.

18. Дождиков В.И., Горяинов В.А., Емельянов В.А., Емельянова Е.И. Математическое моделирование форсуночного охлаждения непрерывного слитка. В кн. «Непрерывное литье стали». М.: Металлургия. 1978. № 5. С. 20-25.

19. Емельянова Е.И., Урбанович Л.И., Угарова С.П. и др. / О механизме образования трещин на поверхности непрерывнолитых слитков // Изв. АН СССР. Металлы.1981.-№ 1.- С. 91-94.

20. Поживанов A.M., Горяинов В.А., Дождиков В.И. и др. / Исследование охлаждения крупных слябов, отливаемых на вертикальных MHJI3 // Сталь. -1979,-№9.-С. 664-666.

21. Бровман М.Я. / Напряжённое состояние слитка в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок// Сталь. 1976. - № 2. - С. 124-129.

22. Самойлович Ю.А., Крулевецкий С.А., Горяинов В.А., Кабанов З.К Тепловые процессы при непрерывном литье стали. М.: Металлургия, 1982. - 150 с.

23. Сладкоштеев В.Т., Потанин Р.В., Суладзе О.Н., Рутес B.C. Непрерывная разливка стали на радиальных установках. М.: Металлургия, 1974. - 245 с.

24. Непрерывное литье стали. Тр. междунар. конф.: Пер. с англ. / Под ред. И.Н. Колыбалова и Б.Е. Гуревича. ~ М.: Металлургия,1982.-480 с.

25. Коасин Д., Мерони У. Гибкая машина для непрерывного литья тонких слябов // Металлургическое производство и технология металлургических процессов(МТР). 1995. С. 40-53.

26. ЪЪ.Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. М.:, Элиз, 2002.-208 с.

27. Грачев В.Г., Солодовник Ф.С., Кузмина Л.И. и др. Оптимальная конструкция статоров ЭМП для сортовых и блюмовых МНЛЗ. // Тр. VI Конгресса сталеплавильщиков. М.: ОАО «Черметинформация», 2001. С. 525-529.

28. Kyung S. Macrosegregation behavior in continuously cast high carbon steel blooms and billets // ISIJ. 1995. Vol. 35. No 7. P. 866-875.

29. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. М.: Металлургия, 1987. - 224 с.

30. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / под ред. Ю.А. Самойловича. М.: Металлургия, 1982. - 152 с.

31. Емельянов В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

32. Рудой JI.C, Баптизманский В.И. Производительность машин непрерывного литья заготовок. Киев: Техника, 1982. - 263 с.

33. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А. Контактный теплообмен. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 175 с.

34. Бойцов Ю.И., Данилов B.JI. Высокотемпературная ползучесть и разрушение непрерывнолитой стали // Сб. трудов МЭИ. — 1986. № 83.

35. Nelder J.A., Mead R. A Simplex Method for Function Minimization // Computer Journal. 1965. - No 7. 23-39 P.

36. АЪ.Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 399 с.

37. АА.Бровман М.Я. Экспериментальное исследование ползучести при высоких температурах //Проблемы прочности. 1979. № 8. С. 77-79.

38. Программное обеспечение проектирования ШЛЗ / В.Н. Нисковских, С.Е.

39. Карлинский, Т.В. Дружинина и др. Свердловск: 1988. — 183 с.

40. Отчет по договору № 466 от 13.06.1996 "Создание математической модели . охлаждения и затвердевания блюмов". — Москва. ЦНИИЧЕРМЕТ им. И.П. Бардина.

41. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. / Под ред.

42. Б.Е. Неймарк М. - Л.: Энергия, 1967. - 239 с.

43. Самойлович Ю.А., Тимошпольский В.И. Нагрев стали: Справ.пособие. — Мн.: Выш. мк., 1990.-314 с.

44. Tzavaras А.А. andBrody H.D. II J. Metals. No 3. 1984. P. 31-37.

45. Jackson K. A. et al. IITMS-AIME. 1966. P. 149-236.

46. FlemingsM.С. //Met. Trans. No 5. 1974. P. 2121-2134.

47. Tzavaras A.A. Solidification Control by Electromagnetic Stirring State of the Art. // Steelmaking Proceedings. - 1983. - No 4. P. 112-131.

48. Ревтов Н.И., Мосюра JT.K, Шкирмонтов А.П. и др. Электромагнитное перемешивание при непрерывной разливке стали. Черметинформация. Обзор, инф. Сер. Сталеплавильное производство. 1989. 22с.

49. BiratJ.P. and Chone J.J. Continuous Casting 3 // ISS-AIME. 1984. - P. 21-34.

50. Shah N.A. and Moore J.J. Continuous Casting 3 // ISS-AIME. 1984. - P. 35-45.

51. Moore T.T. Review of Axial Segregation in Continuously Cast Steel // Iron and Steel Maker. 1980. No 16. P. 89-94.

52. Ревтов Н.И., Казачков E.А., Носоченко O.B. и др. Совершенствование процессов непрерывной разливки стали. Киев, ИПЛ АН УССР, 1985. - С. 52-57.

53. Alberng R, Birat Т.Р. Continuous Casting of Steel. «The Metals Society of IRSID» Biarrits. 1977. P. 116-184.61 .Нисковских B.M., Карлинский C.E., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. М.: Металлургия, 1991. - 274 с.

54. Патент на полезную модель № 62848, Российская Федерация. МПК B22D 11/124. Устройство для вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок. / Куклев

55. А.В., Бокарев С.П., Айзин Ю.М.; заявитель и патентообладатель ООО «Корад». № 2006126554; заявл. 21.07.2006; опубликован 10.05.2007. Бюл. № 23.

56. Баккал А.Р., Шифрин И.Н., Жарков В.М. и др. Электромагнитное перемешивание жидкой фазы при непрерывном литье блюмовых заготовок из подшипноковой стали // Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Тржинец. ЧССР. 1989. С. 177-184.

57. Гонтарук Е.И., Бокарев С.П. Опыт реконструкции блюмовых МНЛЗ в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» // Сталь. 2006. - № 5. - С. 41.

58. Шляхов Н.А., Гонтарук Е.И., Бокарев С.П. и др. Модернизация блюмовой МНЛЗ № 2 на Оскольском электрометаллургическом комбинате // Металлургическое производство и технология металлургических процессов. — 2005. № 1. - С. 16-21.