Расчет технологических параметров непрерывной разливки стали

Курсовая работа

«Расчет технологических параметров непрерывной разливки стали»

Аннотация

В работе представлен расчет технологических параметров непрерывной разливки стали на четырехручьевой МНЛЗ криволинейного типа. Определены параметры жидкого металла для непрерывной разливки, выбраны диаметры каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах. Приведен расчет основных параметров систем охлаждения кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения. Определена длительность разливки плавки и годовая производительность МНЛЗ при рабочей скорости вытягивания заготовки.

Содержание

Введение

1 Параметры жидкого металла

2 Продолжительность затвердевания непрерывнолитой заготовки

3 Скорость вытягивания заготовки

4 Скорость разливки и диаметр сталеразливочных стаканов

5 Параметры настройки кристаллизатора и системы вторичного охлаждения

6 Охлаждение кристаллизатора

7 Вторичное охлаждение заготовки

8 Длительность разливки плавки и производительность МНЛЗ

Заключение

Список использованных источников

Введение

Непрерывная разливка является в настоящее время основным способом разливки стали, при котором получают слябовые и сортовые заготовки. Качество непрерывнолитых заготовок во многом зависит от правильности выбора технологических параметров процесса разливки, который должен быть сделан с учетом типа машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), размеров поперечного сечения заготовки, марки стали. Экспериментальное определение рациональных параметров разливки с учетом вышеперечисленных факторов – это сложный, дорогой, трудоемкий и длительный процесс. Современное состояние теории непрерывной разливки стали позволяет определить основные технологические параметры расчетным путем. Расчет технологических параметров непрерывной разливки стали всегда делается для конкретной МНЛЗ. Поэтому для расчета необходимо иметь данные о металлургической длине машины, высоте кристаллизатора, количестве и длине участков зоны вторичного охлаждения, способе вторичного охлаждения на каждом участке. В задании на выполнение расчета могут быть указаны как конструктивные параметры машины, так и источник информации для их выбора.

В данной курсовой работе определены:

– параметры жидкого металла (допустимое содержание вредных примесей и температура металла при разливке);

– продолжительность затвердевания заготовки;

– рабочая скорость вытягивания заготовки и диапазон допустимых скоростей вытягивания;

– скорость разливки металла и диаметр каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах;

– параметры настройки кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения;

– режим охлаждения кристаллизатора;

– режим вторичного охлаждения заготовки;

– длительность разливки плавки и производительность МНЛЗ.

1. Параметры жидкого металла

Действующие стандарты, определяющие требования к химическому составу металла, допускают довольно высокое содержание вредных примесей – серы и фосфора. Непрерывная разливка металла с повышенным содержанием вредных примесей сопряжена с рядом трудностей. Так, например, повышенное серы требует снижения скорости разливки. В противном случае непрерывно-литые заготовки оказываются пораженными различными дефектами (чаще всего поверхностными или внутренними трещинами). Кроме того, при разливке такого металла возможно возникновение аварийных ситуаций, связанных с прорывами затвердевшей корки [2].

Разливаемая сталь марки 15 имеет следующий химический состав (по ГОСТ 1050–88), представленный в таблице 1.1 [3].

Таблица 1.1 – Химический состав разливаемой стали марки 15

С	Si	Mn	S	P
			не более
0,12…0,19%	0,17…0,37%	0,35…0,65%	0,04%	0,035%

Обычно верхний предел содержания серы и фосфора в стали, разливаемой на МНЛЗ, устанавливается в интервале от 0,015 до 0,025%. Выбор конкретного значения предельного содержания вредных примесей определяется возможностями технологии выплавки и ковшевой обработки металла в сталеплавильном цехе. С учетом приведенной выше информации необходимо принять предельные значения допустимых содержаний серы и фосфора в металле. Принимаем верхний предел содержания фосфора 0,025%, верхний предел содержания серы 0,025%.

Температура разливаемого металла оказывает существенное влияние как на технологию непрерывной разливки, так и на качество получаемой заготовки. Наилучшие результаты получаются в том случае, когда металл в промежуточном ковше имеет перегрев над температурой ликвидус 20–300С:

где tпр – температура металла в промежуточном ковше, 0С;

tликв – температура ликвидус, 0С.

Температуру ликвидус для углеродистой стали рекомендуется определять по формуле:

где – среднее содержание углерода в стали, %.

Принимаем среднее содержание углерода в стали марки 15 равным 0,15%.

Тогда:

;

2. Продолжительность затвердевания непрерывнолитой заготовки

Главными факторами, определяющими продолжительность затвердевания непрерывнолитых заготовок, являются размеры ее поперечного сечения: толщина А и ширина В. С достаточной точностью продолжительность затвердевания заготовки можно определить по формуле:

где – продолжительность затвердевания, мин;

Кф – коэффициент формы поперечного сечения заготовки;

А – толщина заготовки, мм;

К – коэффициент затвердевания, мм/мин0,5.

Значение коэффициента формы Кф примем равным 1 (т. к. В/А ≥ 2).

Величину коэффициента затвердевания К рекомендуется принимать в пределах 24–26 мм/мин0,5 для всех марок стали, принимаем равным 26 мм/мин0,5. Толщина получаемой заготовки составляет 250 мм.

Тогда:

3. Скорость вытягивания заготовки

Установление скоростного режима заключается в определении диапазона допустимых скоростей вытягивания заготовки и рабочей скорости вытягивания. В качестве рабочей принимается такая скорость вытягивания, при которой обеспечивается сочетание высокого качества заготовки с достаточно высокой производительностью МНЛЗ. Обычно рабочая скорость вытягивания заготовки назначается с учетом многих факторов: марки стали, размеров поперечного сечения отливаемой заготовки, температуры металла в промежуточном ковше, содержания в стали вредных примесей и др. Если температура разливаемого металла и содержание вредных примесей в нем соответствуют требованиям раздела 1, то рабочая скорость вытягивания может быть рассчитана по формуле:

где – рабочая скорость вытягивания заготовки, м/мин;

– коэффициент скорости вытягивания, м2/мин;

А, В-толщина и ширина заготовки, м.

Так как сталь марки 15 относится к группе углеродистых качественных сталей, то принимаем = 0,16 м2/мин, толщина и ширина заготовки составляет соответственно 0,25 и 1,3 м.

Тогда получаем:

Рабочая скорость вытягивания заготовки является базовой для определения диапазона допустимых скоростей вытягивания:

.

Получаем:

Скорость вытягивания определяет глубину лунки жидкого металла в кристаллизующейся непрерывно-литой заготовке:

;

тогда при расчете на рабочую скорость вытягивания:

;

при расчете на максимальную скорость вытягивания:

Необходимая частота качания кристаллизатора определяется по формуле:

где Lк – глубина лунки жидкого металла, м;

– частота качания кристаллизатора, мин-1;

– коэффициент частоты;

- амплитуда качания кристаллизатора, м.

Принимаем = 1,1 и = 0,003 м.

Получим:

Обязательным условием получения плотной осевой зоны непрерывно-литой заготовки является соблюдение соотношения:

где Lм – металлургическая длина МНЛЗ (расстояние по оси заготовки от уровня

жидкого металла в кристаллизаторе до последнего поддерживающего

ролика), м; в соответствии с исходными данными составляет 28 м.

Поэтому необходима проверка соблюдения этого условия при разливке с максимальной скоростью вытягивания.

При рабочей скорости вытягивания заготовки:

т.е. соответствует требуемым условиям;

при максимальной скорости вытягивания:

т.е. соответствует требуемым условиям.

4. Скорость разливки и диаметр каналов сталеразливочных стаканов

Определение рабочей скорости вытягивания заготовки и диапазона допустимых ее значений позволяет рассчитать рабочую скорость разливки и возможный диапазон ее изменения. Зависимость между скоростью вытягивания заготовки и соответствующей ей скоростью разливки (для одного ручья) описывается формулой:

,

где q – скорость разливки, т/мин;

– плотность затвердевшей стали в конце зоны вторичного охлаждения,

(7,5 т/м3);

– скорость вытягивания заготовки, м/мин.

Рабочая скорость разливки qр и ее предельные значения qмин и qмакс вычисляются по данной формуле при подстановке в нее соответствующих скорости вытягивания заготовки , и .

Получим:

Диаметры каналов стаканов в сталеразливочном и промежуточном ковшах вычисляются с использование формулы:

,

т.е. ,

где Кр – коэффициент скорости разливки, т/(мин∙мм2∙м0,5);

d – диаметр канала стакана, мм;

h – высота слоя жидкого металла в ковше, м.

Расчет диаметров каналов стаканов и в сталеразливочном, и в промежуточном ковшах ведется на максимальную скорость разливки, причем при расчете диаметра канала стакана сталеразливочного ковша необходимо учитывать подачу жидкого металла одновременно в несколько кристаллизаторов. Принимаем при расчете диаметра канала для сталеразливочного ковша Кр = 1,2∙10-3 т/(мин∙мм2∙м0,5) и h = 0,7 м, а для промежуточного ковша Кр = 1,1∙10-3 т/(мин∙мм2∙м0,5) и h = 0,7 м.

Тогда:

мм, принимаем 105 мм;

мм, принимаем 55 мм.

5. Параметры настройки кристаллизатора и системы вторичного охлаждения

В задании указаны те размеры поперечного сечения непрерывнолитой заготовки, которые она должна иметь на выходе из МНЛЗ. Кристаллизующаяся заготовка имеет несколько большие размеры поперечного сечения, которые постепенно уменьшаются по мере ее охлаждения. Поэтому поддерживающая система МНЛЗ настраивается так, чтобы расстояние между противоположными стенками кристаллизатора и противоположными роликами системы вторичного охлаждения монотонно уменьшалось в направлении движения заготовки. Обычно ширина и толщина поперечного сечения заготовки в верхней части кристаллизатора превышает заданные размеры на 2…3 и 4…5%, а в нижней части – на 1…2 и 3…4% соответственно. Расстояние между опорными поверхностями противоположных роликов системы вторичного охлаждения уменьшаются линейно.

Расчет параметров настройки МНЛЗ заключается в определении расстояний между противоположными стенками вверху и внизу кристаллизатора и между противоположными роликами на входе и выходе каждой зоны системы вторичного охлаждения.

Расстояние между противоположными стенками вверху кристаллизатора:

A0 = (1,04…1,05)∙A;

B0 = (1,02…1,03)∙B.

Расстояние между противоположными стенками внизу кристаллизатора:

A1 = (1,03…1,04)∙A;

B1 = (1,01…1,02)∙B,

где А, В-толщина и ширина отливаемой заготовки, мм.

Получим:

А0 = 1,04∙250 = 260 мм;

В0 = 1,02∙1300 = 1326 мм;

А1 = 1,03∙250 = 257,5 мм;

В1 = 1,01∙1300 = 1313 мм.

Найдем, на сколько изменится толщина заготовки от низа кристаллизатора до конца зоны вторичного охлаждения:

ΔА = А1 – А = 257,5 – 250 = 7,5 мм.

Общая длина зоны вторичного охлаждения:

l = 281 + 900 + 1446 + 3042 + 3841 + 3972 + 4680 = 18162 мм.

Рассчитаем сужение расстояния между противоположными опорными поверхностями в конце первой секции зоны вторичного охлаждения.

Длина зоны составляет 281 мм, составляем пропорцию:

,

тогда:

мм.

Расстояние между противоположными опорными поверхностями в конце первой секции зоны вторичного охлаждения:

A2 = A1 – ΔA = 257,5 – 0,12 = 257,4 мм.

Расстояние между противоположными опорными поверхностями для остальных секций зоны вторичного охлаждения рассчитываются аналогично.

Результаты расчетов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Результаты расчетов параметров настройки МНЛЗ

Номер зоны	Расстояние между противоположными опорными поверхностями на входе в зону, мм	Расстояние между противоположными опорными поверхностями на выходе из зоны, мм
Кристаллизатор	260	257,5
1 зона	257,5	257,4
2 зона	257,4	257,0
3 зона	257,0	256,4
4 зона	256,4	255,1
5 зона	255,1	253,5
6 зона	253,5	251,9
7 зона	251,9	250,0

6. Охлаждение кристаллизатора

Чаще всего в МНЛЗ используются сборные кристаллизаторы, в стенках которого имеется система вертикальных каналов для охлаждающей воды. Обычно каналы имеют диаметр 20 мм, а расстояние между ними 40…50 мм (принимаем 45 мм).

Основным показателем, характеризующим режим охлаждения кристаллизатора, является расход охлаждающей воды. Предварительно перед расчетом расхода воды необходимо, пользуясь вышеприведенными рекомендациями, выбрать диаметр каналов и определить их число. Расход воды на охлаждение кристаллизатора должен быть таким, чтобы выполнялись два условия:

температура воды на выходе из кристаллизатора не должна превышать 40…450С с тем, чтобы не происходило отложение растворенных в ней солей;

скорость движения воды в каналах должна быть не менее 2 м/с для того, чтобы предотвратить возникновение локальных перегревов.

Расход воды, обеспечивающий выполнение первого условия, определяется следующим образом. Сначала выбором или расчетом определяются исходные данные:

– температура воды на входе в кристаллизатор (принимаем 200С);

– температура воды на выходе из кристаллизатора (принимаем 420С);

– перепад температур воды в кристаллизаторе ∆tв (42–20 = 220С);

– средний перепад температуры между температурой жидкого металла и температурой поверхности кристаллизующейся заготовки ∆t (принимаем 3700С);

– средняя толщина слоя затвердевшего металла в кристаллизаторе ξ0:

,

где Кз – коэффициент затвердевания, мм/мин0,5;

τ – продолжительность затвердевания, мин;

h – расстояние до середины кристаллизатора, м;

- рабочая скорость вытягивания заготовки, м/мин.

Принимаем величину коэффициента затвердевания Кз = 26 мм/мин0,5.

Расчет ведем для середины кристаллизатора. Длина кристаллизатора по заданию 950 мм. Рабочая скорость вытягивания – 0,76 м/мин. Кристаллизатор заполняют не полностью. Принимаем, что уровень жидкого металла в кристаллизаторе составляет 850 мм, т.е. расстояние до середины кристаллизатора составит 425 мм.

Тогда:

мм.

После этого вычисляется средняя плотность теплового потока от заготовки к кристаллизатору:

,

где – средний тепловой поток, Вт/м2;

– коэффициент теплопроводности затвердевшего металла, Вт/(м∙град).

Принимаем следующее значение коэффициента теплопроводности Вт/(м∙град).

Тогда:

кВт/м2.

Затем вычисляется расход воды, обеспечивающий принятую температуру ее на выходе из кристаллизатора:

,

где – расход воды на кристаллизатор по рассматриваемому условию, м3/ч;

- площадь поверхности кристаллизатора, воспринимающая тепловой

поток, м2;

– плотность воды, кг/м3;

СВ – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг∙град).

Найдем площадь поверхности кристаллизатора:

= =2,68 м2.

Получим:

м3/ч.

Расход воды, обеспечивающий выполнение второго условия – заданную скорость ее движения в каналах кристаллизатора, определяется по формуле:

,

где – расход воды на кристаллизатор, м3/ч;

– диаметр канала, м;

– скорость движения воды, м/с;

– количество каналов.

Вычислим количество каналов, по которым течет вода для охлаждения кристаллизатора. Для этого найдем периметр верха кристаллизатора:

Р = 2∙(260+1326) = 3172 мм.

Расстояние от центра одного канала до центра следующего:

45 + 20 = 65 мм.

Количество каналов:

m = 3172/65 = 49 шт.

Тогда:

м3/ч.

После вычисления требуемого расхода воды, исходя из первого и второго условия, принимаем больший из них, т.е. 138,5 м3/ч.

7. Вторичное охлаждение заготовки

Режим вторичного охлаждения непрерывнолитой заготовки должен быть таким, чтобы выдерживался оптимальный температурный режим затвердевшей оболочки. Достаточно точно этот оптимальный температурный режим может быть задан изменением перепада температуры по толщине затвердевшей оболочки:

,

где tпов – температура поверхности заготовки, 0С;

∆t – перепад температуры по толщине затвердевшей оболочки,0С.

Расчет режима вторичного охлаждения заготовки ведется по зонам в соответствии с конструкцией МНЛЗ. Так как по длине любой зоны вторичного охлаждения все показатели, характеризующие тепловое состояние кристаллизующейся заготовки, непрерывно меняются, то расчет ведется до середины зоны.

Расчет каждой зоны производится в такой последовательности:

определяется время, прошедшее от начала кристаллизации;

вычисленное время используется для нахождения перепада температуры по толщине затвердевшего слоя ∆t, температуры поверхности tпов и толщины слоя затвердевшего металла ξ;

подсчитывается плотность теплового потока:

– от жидкой сердцевины к поверхности заготовки через слой

затвердевшего металла Qвн (Вт/м2);

– с поверхности заготовки в окружающую среду излучением:

;

– с поверхности заготовки в окружающую среду конвекцией:

,

где Qизл, Qконв – плотность перечисленных выше тепловых потоков, Вт/м2;

– степень черноты поверхности заготовки;

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2ЧК4);

– температура окружающей среды, 0С;

– коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности

заготовки, Вт/(м2Чград).

Из физики известно, что Вт/(м2ЧК4). При расчетах рекомендуется принимать , принимаем 0,7.

В первом приближении можно считать, что коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от интенсивности обдува поверхности заготовки воздухом и может быть подсчитан по формуле:

,

где – скорость движения потока воздуха, подаваемого на заготовку, м/с.

При водовоздушном вторичном охлаждении заготовки принимаем м/с. В случае водяного охлаждения воздух на поверхность заготовки не подается, и поэтому .

Вычисляется плотность орошения поверхности заготовки водой:

,

где – плотность орошения поверхности заготовки, м3/(м2Чч);

– охлаждающий эффект воды, ВтЧч/м3.

При расчетах плотности орошения рекомендуется принимать ВтЧч/м3 – при водяном вторичном охлаждении;

ВтЧч/м3 – при водовоздушном вторичном охлаждении.

Принимаем соответственно 50000 и 58000 ВтЧч/м3.

Рассчитывается расход воды:

где – расход воды, м3/ч;

– площадь орошаемой поверхности, м2.

В том случае, если на МНЛЗ отливаются непрерывнолитые заготовки, имеющие прямоугольное поперечное сечение с отношением сторон , то