Розробка та наукове обґрунтування технологічних схем електромагнітного перемішування сталі при розливанні її на сортових машинах безперервного лиття заготівок. Раціональні режими перемішування металу та стабілізації меніска сталі в кристалізаторі.
Аннотация к работе
Застосування для цих цілей відомих типів електромагнітних пристроїв не усуває ряд недоліків процесу виготовлення безперервнолитих заготівок: турбулізацію меніска; наявність зон, не охоплених перемішуванням; переважаючий ріст стовпчастих кристалів; наявність зон негативної ліквації. Вказані чинники зумовлюють необхідність проведення додаткових досліджень, спрямованих на вдосконалення існуючої технології і пристроїв для електромагнітного перемішування сталі при її розливанні на сортових машинах безперервного лиття заготівок (МБЛЗ). створити принципові технологічні схеми нових способів та пристроїв електромагнітного перемішування сталі при розливанні її на сортових МБЛЗ, що реалізують запропоновану концепцію, розробити дослідні зразки таких пристроїв та визначити їх електричні і електромагнітні параметри; встановити характеристики магнітогідродинамічних, гідродинамічних і теплофізичних процесів та їх вплив на формування безперервнолитих сортових заготівок із середньо-та високовуглецевих сталей в умовах електромагнітного перемішування металу в кристалізаторі МБЛЗ і інших зонах по всій довжині заготівки, що твердне; Розроблена нова концепція та спосіб організації одночасного електромагнітного перемішування сталі в кристалізаторі та в кінцевій зоні рідкої лунки безперервнолитих сортових заготівок із середньо-і високовуглецевих сталей, що кристалізуються, за допомогою спеціальних магнітогідродинамічних пристроїв, які одночасно створюють обертальний момент і пульсуючий електромагнітний тиск, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки при роботі у резонансних режимах.В результаті інтенсифікація тепло-і масообміну, що відбувається лише в межах активних зон перемішування, дає змогу тільки частково усунути дефекти безперервнолитого зливка, що утворились при його формуванні. Для її реалізації в дисертаційній роботі використовувався електромагнітний перемішувач, розташований в кристалізаторі МБЛЗ, відмінністю якого від відомих було те, що він разом із здійсненням азимутального обертання металу, генерував осцилюючий електромагнітний тиск в кристалізаторі, зумовлюючий поширення акустичної хвилі вниз по зливку, що формувався. Хвилі тиску, що створюються електромагнітним перемішувачем, поширюються уздовж зливка та в свою чергу ініціюють в ньому нестаціонарний рух рідкої фази. Результати розрахунків показали, що електромагнітне перемішування внаслідок створення більш ефективної гідродинамічної обстановки в кристалізаторі МБЛЗ, дозволяє стабілізувати кірку, яка сформувалась, збільшити тепловий потік через стінки кристалізатора, забезпечити інтенсифікацію в середньому на 15 % відведення тепла від зливка. При розміщенні двох таких перемішувачів один за одним по технологічній осі і замиканні контуру індукованого струму за межами зливка перед першим перемішувачем і після другого (по ходу зливка), в просторі між перемішувачами виникає індукований струм, який, взаємодіючи з власним магнітним полем, дає змогу інтенсифікувати тепло-і масообмін в рідко-твердій зоні зливка.Запропонована і експериментально обґрунтована нова концепція електромагнітного перемішування при розливанні сталі на сортових МБЛЗ, що передбачає створення примусової керованої конвекції розплаву по всій зоні кристалізації зливка (від меніска до зони кінцевого твердіння) та пригнічення пульсацій меніска в кристалізаторі. Показано, що це створює передумови для одержання зливків високої якості - позбавлених осьової пористості, з меншим вмістом лікваційних дефектів та глибиною осциляційних рисок, скороченою або повністю відсутньою зоною стовпчастих кристалів, переважно рівновісною структурою. Встановлено, що для сортових безперервнолитих зливків забезпечення примусової керованої конвекції по всій зоні кристалізації зливка може бути досягнуто завдяки створенню, одночасно з обертальним моментом, пульсуючого електромагнітного тиску, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки. Показано, що це призводить до зменшення товщини пограничного прошарку в напрямку лиття, та переміщення максимального значення швидкості в рідкій частині зливка в кінцевій зоні лунки до поверхні кристалізації, внаслідок чого інтенсифікуються тепло-масообмін та міжфазна дифузія в цій зоні. Показано, що для додаткової інтенсифікації тепло-масообміну на фінальній ділянці твердіння зливка (особливо при литті заготівок перетином більше ніж 200?200 мм) необхідно додатково використовувати нові неявнополюсні пристрої електромагнітного перемішування металу, які забезпечують індукування в розплаві значного електричного струму (0,85?1,2 КА) і створення магнітного поля з індукцією 0,18?0,2 Т, та встановлювати їх в кінцевій зоні кристалізації зливка.Заявка на міжнародний патент (US Patent Application) № 11/650,803 от 08.01.2007. Method and System of Electromagnetic Stirring for Continuous casting of Medium and High Carbon Steels. Дубоделов, А.А. Колесниченко. Колесниченко, В.В. Буряк. Новый электромагнитный перемешиватель на полигармонических токах, расположенный в кристаллизаторе для МНЛЗ.
План
Основний зміст роботиОсновний зміст дисертації опубліковано в роботах
Вывод
1. Запропонована і експериментально обґрунтована нова концепція електромагнітного перемішування при розливанні сталі на сортових МБЛЗ, що передбачає створення примусової керованої конвекції розплаву по всій зоні кристалізації зливка (від меніска до зони кінцевого твердіння) та пригнічення пульсацій меніска в кристалізаторі. Показано, що це створює передумови для одержання зливків високої якості - позбавлених осьової пористості, з меншим вмістом лікваційних дефектів та глибиною осциляційних рисок, скороченою або повністю відсутньою зоною стовпчастих кристалів, переважно рівновісною структурою.
2. Встановлено, що для сортових безперервнолитих зливків забезпечення примусової керованої конвекції по всій зоні кристалізації зливка може бути досягнуто завдяки створенню, одночасно з обертальним моментом, пульсуючого електромагнітного тиску, хвилі якого поширюються уздовж осі заготівки.
3. Теоретично встановлена та експериментально підтверджена наявність резонансних значень частот коливань, генерованих у розплаві за допомогою пристрою ЕМП, при наближенні до яких інтенсивність згасання пульсуючого електромагнітного тиску є мінімальною. Показано, що це призводить до зменшення товщини пограничного прошарку в напрямку лиття, та переміщення максимального значення швидкості в рідкій частині зливка в кінцевій зоні лунки до поверхні кристалізації, внаслідок чого інтенсифікуються тепло- масообмін та міжфазна дифузія в цій зоні.
4. Розроблено нові оригінальні пристрої ЕМП, які розміщуються в кристалізаторі і забезпечують реалізацію розроблених режимів перемішування.
5. Визначено взаємозвязок параметрів роботи пристроїв електромагнітного перемішування металу із розподілом температур і швидкостей рідкої середньо- та високовуглецевої сталі в безперервнолитому сортовому зливку. Визначені раціональні режими електромагнітного перемішування сталі, при яких в середньому на 15% збільшується тепловий потік через стінки кристалізатора, а глибина проникнення струменя металу з проміжного ковша в кристалізатор зменшується на 80%.
6. Встановлено ефект поліпшення структури безперервнолитого сортового сталевого зливка при використанні нових пристроїв електромагнітного перемішування металу. Доведено, що він в значній мірі повязаний з теплосиловою дією на зростаючі дендрити ініційованих у розплаві пульсацій, які призводять до їх підплавлення і створення умов формування в литій заготівці переважно рівновісних кристалів.
7. Здійснено експериментальну перевірку розробленого способу та МГД обладнання для електромагнітного перемішування сталі в кристалізаторі сортових МБЛЗ з одночасним подавленням збурень на меніску, особливістю якого є те, що живлення перемішувача здійснюється полігармонійним струмом. Показано, що кардинальне пригнічення руху на меніску досягається при живленні обмоток перемішувача двохчастотним струмом, коли низькочастотна його складова має частоту 0,5?3,0 Гц, амплітуду 100%, а високочастотна відповідно - 13?20 Гц і амплітуду - 50?75%, в результаті чого покращується якість поверхні безперервнолитого зливка.
8. Показано, що для додаткової інтенсифікації тепло- масообміну на фінальній ділянці твердіння зливка (особливо при литті заготівок перетином більше ніж 200?200 мм) необхідно додатково використовувати нові неявнополюсні пристрої електромагнітного перемішування металу, які забезпечують індукування в розплаві значного електричного струму (0,85?1,2 КА) і створення магнітного поля з індукцією 0,18?0,2 Т, та встановлювати їх в кінцевій зоні кристалізації зливка.
9. Встановлено, що при розташуванні двох таких пристроїв один за одним та замиканні індукованого ними струму за межами зливка, зона силового впливу електромагнітних перемішувачів значно розширюється, внаслідок чого відпадає необхідність пошуку раціонального місця розташування пристрою ЕМП по відношенню до точки кінцевого твердіння зливка. Окрім того, виключаються причини виникнення в зливку негативної ліквації, яка утворюється в разі занадто високого розташування такого пристрою електромагнітного перемішування по технологічний вісі зливка відносно точки кінцевого твердіння.
10. Експериментально визначено, що використання нових МГД пристроїв при розливанні на сортових МБЛЗ середньо- та високовуглецених сталей, дозволяє одержати зливок високої якості з розвиненою зоною рівновісних кристалів, відсутністю центральної пористості, призводить до зменшення сегрегації вуглецю по перерізу зливка. Зокрема сегрегація вуглецю в литих заготівках із середньо- і високовуглецевих сталей зменшилася з 1,2?1,22 до 1,06?1,13, досягнуто збільшення зони рівновісних кристалів в зливках із середньовуглецевої сталі в середньому на 50?100%, а в заготівках з високовуглецевої сталі - на 40?60% - залежно від параметрів розливання і марки сталі.
11. Дослідно-промислова перевірка нових розроблених способів та пристроїв електромагнітного перемішування металу при безперервному відливанні сортових трубних заготівок із середньо- та високовуглецевих сталей на підприємствах Mittal Steel Ostrava A.S. (Чеська Республіка), Mittal Steel Point Lisas Limited (Тринідад і Тобаго), Mittal Steel USA (США) показала, що за рахунок зменшення лікваційних дефектів, глибини осциляційних рисок, пористості та формування переважно рівновісних кристалів замість стовпчастих в різних зонах литої заготівки, зменшується відбраківка кінцевої металопродукції (труб) з 1,1?2,0% до 0,0% в залежності від сортаменту металу, що розливається, і параметрів лиття. Окрім того, суттєво зменшуються вартість обладнання, систем живлення, капітальні вкладення та собівартість виготовлення металопродукції.