Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких
металлов. — Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. Алексеева. — Москва, 2011. — 62 с.
Научный консультант - доктор технических наук, профессор Васильев
В.А.
Цель работы заключается в разработке и обосновании
комплексных способов технологического воздействия на разливку и
формирование непрерывнолитых заготовок и слитков и оборудования для
их реализации, обеспечивающих получение высококачественного
металла.
Научная новизна работы состоит в разработке и обосновании методов физического и математического моделирования, позволяющие решать задачи динамики многокомпонентных технических систем с учетом внешних воздействий.
Основные научные результаты:
Разработана методика моделирования и проведён анализ динамики многофазных потоков (расплав, твёрдая фаза, неметаллические включения, шлак, газовые включения) при динамических воздействиях на расплав.
Предложена методика расчёта затвердевания конусных литых заготовок при дифференцированном теплоотводе от их поверхности с учётом тепловой работы прибыли и теплообмена в системе слиток–изложница, позволяющая анализировать изменение технологических параметров на тепловые процессы этой системы.
Развита методика расчета динамики двухфазной зоны (ДЗ) при затвердевании стальных заготовок с учётом внешних расчёта воздействий. Проведён анализ влияния на развитие ДЗ применения технологии теплового экранирования (ТЭ) слитков, электроимпульсной обработки (ЭИО) расплава и создания вращательных траекторий потоков металла в кристаллизаторах МНЛЗ при использовании безнапорных разливочных стаканов, разработанных конструкций.
Решена задача расчёта термонапряжённого состояния НЛЗ, позволяющая определять оптимальный профиль водоохлаждаемого холодильника (волновода, дорна) или кристаллизатора. На основе расчётов спроектирован волновод-концентратор для виброимпульсного воздействия на расплав.
Выявлены особенности образования вихревых структур в промежуточных ковщах и кристаллизаторах и их влияние на затягивание НВ в металл. Разработаны способы подавления конусообразных вихревых образований в промежуточных ковшах при использовании разработанных конструкций шлакоуловительных и вихрегасящих систем.
Проведён анализ факторов, влияющих на интенсификацию рафинирования и дегазацию при ламинарном и турбулентном течениях расплава с включениями различной плотности и размеров. Установлено влияние ввода упругих колебаний в расплав при ЭИО на поведение НВ.
Установлены закономерности и выявлены факторы, способствующие созданию закручивающего эффекта расплава в кристаллизаторах МНЛЗ с помощью разработанных конструкций безнапорных разливочных стаканов.
Определены условия образования плавающих корочек на мениске расплава в зависимости от распределения скоростей потоков металла и высоты невозмущённого потока с учетом величины перегрева и толщины шлакообразующей смеси.
Расширена математическая модель виброимпульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл в рамках протекания тепломассообмена в расплаве и двухфазной зоне с учётом определяющих параметров комплекса технических средств и динамики формирования волны давления. Рассчитано изменение перемещения, ускорения, скорости, частотного спектра и давления волны в расплаве при ЭИО.
Проведён анализ и установлены закономерности по влиянию вводимой мощности, частоты импульсов и расположения волноводов при ЭИО на эффективность рафинирования, дегазацию расплава и качество металла.
Установлена взаимосвязь между тепловой работой изложницы, кинетикой затвердевания, гидродинамикой расплава и качеством металла при тепловом экранировании прибыльной части слитков.
Практическая значимость и реализация работы в промышленности
Результаты проведённых исследований позволили разработать эффективные ресурсосберегающие промышленные технологии управления тепломассообменными процессами при разливке и формировании высококачественных НЛЗ и слитков. Результаты работы использованы при разработке усовершенствованной технологии рафинирования металла в промежуточных ковшах с полнопрофильными перегородками, вихрегасящими устройствами и прошли промышленные испытания на реконструирован-ной УНРС-1 ЭСПЦ и УНРС-5 ККЦ ОАО “Северсталь” при непрерывной разливке трубных, судостроительных сталей и холоднокатаного листа для автомобилестроения. Применение разработанных технологий позволило улучшить качество толстого листа, снизить зачистку поверхности слябов и отсортировку по металлургическим дефектам холоднокатаного листа в 3 раза.
По результатам физического и математического моделирования была разработана технология и получены патенты на способ подвода расплава в кристаллизаторы и устройство глуходонного погружного стакана, обес-печивающего тангенциальный подвод расплава в кристаллизаторы.
В конвертерном цехе ОАО “Нижнетагильский металлургический комбинат” были проведены промышленные испытания безнапорных погружных стаканов марки КГПС-65 №106 производства ОАО “Огнеупоры” при отливке колёсно-бандажных и рельсовых заготовок. Использование аналогичных разработок на ОАО “Северсталь” при разливке заготовок сечением 300х360 мм и 250х1000…1700 мм позволило уменьшить средние показатели по осевой рыхлости на 22%, зачистка поверхности по сетчатым трещинам уменьшена в 4,2 раза и устранена по единичным неметаллическим включениям.
Разработанная технология и режимы виброимпульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл прошли лабораторные испытания и могут быть рекомендованы к внедрению в производство.
Разработанная технология теплового экранирования верхней части слитков, внедренная на ОАО ГМЗ и ОАО “Нижегородский машиностроительный завод” позволила резко уменьшить развитие дефектов усадочного характера слитков массой от 1,2 до 13 т и устранить брак проката и поковок ответственного назначения.
Суммарный ожидаемый экономический эффект от использования разработанных технологий превышает 150 млн. руб./год. Результаты промышленного использования подтверждается соответствующими актами и справками о внедрении.
Научная новизна работы состоит в разработке и обосновании методов физического и математического моделирования, позволяющие решать задачи динамики многокомпонентных технических систем с учетом внешних воздействий.
Основные научные результаты:
Разработана методика моделирования и проведён анализ динамики многофазных потоков (расплав, твёрдая фаза, неметаллические включения, шлак, газовые включения) при динамических воздействиях на расплав.
Предложена методика расчёта затвердевания конусных литых заготовок при дифференцированном теплоотводе от их поверхности с учётом тепловой работы прибыли и теплообмена в системе слиток–изложница, позволяющая анализировать изменение технологических параметров на тепловые процессы этой системы.
Развита методика расчета динамики двухфазной зоны (ДЗ) при затвердевании стальных заготовок с учётом внешних расчёта воздействий. Проведён анализ влияния на развитие ДЗ применения технологии теплового экранирования (ТЭ) слитков, электроимпульсной обработки (ЭИО) расплава и создания вращательных траекторий потоков металла в кристаллизаторах МНЛЗ при использовании безнапорных разливочных стаканов, разработанных конструкций.
Решена задача расчёта термонапряжённого состояния НЛЗ, позволяющая определять оптимальный профиль водоохлаждаемого холодильника (волновода, дорна) или кристаллизатора. На основе расчётов спроектирован волновод-концентратор для виброимпульсного воздействия на расплав.
Выявлены особенности образования вихревых структур в промежуточных ковщах и кристаллизаторах и их влияние на затягивание НВ в металл. Разработаны способы подавления конусообразных вихревых образований в промежуточных ковшах при использовании разработанных конструкций шлакоуловительных и вихрегасящих систем.
Проведён анализ факторов, влияющих на интенсификацию рафинирования и дегазацию при ламинарном и турбулентном течениях расплава с включениями различной плотности и размеров. Установлено влияние ввода упругих колебаний в расплав при ЭИО на поведение НВ.
Установлены закономерности и выявлены факторы, способствующие созданию закручивающего эффекта расплава в кристаллизаторах МНЛЗ с помощью разработанных конструкций безнапорных разливочных стаканов.
Определены условия образования плавающих корочек на мениске расплава в зависимости от распределения скоростей потоков металла и высоты невозмущённого потока с учетом величины перегрева и толщины шлакообразующей смеси.
Расширена математическая модель виброимпульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл в рамках протекания тепломассообмена в расплаве и двухфазной зоне с учётом определяющих параметров комплекса технических средств и динамики формирования волны давления. Рассчитано изменение перемещения, ускорения, скорости, частотного спектра и давления волны в расплаве при ЭИО.
Проведён анализ и установлены закономерности по влиянию вводимой мощности, частоты импульсов и расположения волноводов при ЭИО на эффективность рафинирования, дегазацию расплава и качество металла.
Установлена взаимосвязь между тепловой работой изложницы, кинетикой затвердевания, гидродинамикой расплава и качеством металла при тепловом экранировании прибыльной части слитков.
Практическая значимость и реализация работы в промышленности
Результаты проведённых исследований позволили разработать эффективные ресурсосберегающие промышленные технологии управления тепломассообменными процессами при разливке и формировании высококачественных НЛЗ и слитков. Результаты работы использованы при разработке усовершенствованной технологии рафинирования металла в промежуточных ковшах с полнопрофильными перегородками, вихрегасящими устройствами и прошли промышленные испытания на реконструирован-ной УНРС-1 ЭСПЦ и УНРС-5 ККЦ ОАО “Северсталь” при непрерывной разливке трубных, судостроительных сталей и холоднокатаного листа для автомобилестроения. Применение разработанных технологий позволило улучшить качество толстого листа, снизить зачистку поверхности слябов и отсортировку по металлургическим дефектам холоднокатаного листа в 3 раза.
По результатам физического и математического моделирования была разработана технология и получены патенты на способ подвода расплава в кристаллизаторы и устройство глуходонного погружного стакана, обес-печивающего тангенциальный подвод расплава в кристаллизаторы.
В конвертерном цехе ОАО “Нижнетагильский металлургический комбинат” были проведены промышленные испытания безнапорных погружных стаканов марки КГПС-65 №106 производства ОАО “Огнеупоры” при отливке колёсно-бандажных и рельсовых заготовок. Использование аналогичных разработок на ОАО “Северсталь” при разливке заготовок сечением 300х360 мм и 250х1000…1700 мм позволило уменьшить средние показатели по осевой рыхлости на 22%, зачистка поверхности по сетчатым трещинам уменьшена в 4,2 раза и устранена по единичным неметаллическим включениям.
Разработанная технология и режимы виброимпульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл прошли лабораторные испытания и могут быть рекомендованы к внедрению в производство.
Разработанная технология теплового экранирования верхней части слитков, внедренная на ОАО ГМЗ и ОАО “Нижегородский машиностроительный завод” позволила резко уменьшить развитие дефектов усадочного характера слитков массой от 1,2 до 13 т и устранить брак проката и поковок ответственного назначения.
Суммарный ожидаемый экономический эффект от использования разработанных технологий превышает 150 млн. руб./год. Результаты промышленного использования подтверждается соответствующими актами и справками о внедрении.