Дипломная (вкр): Проект реконструкции электросталеплавильного цеха

4. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

.1 Разработка новой технологии вторичного охлаждения с применением круглофакельных водовоздушных форсунок

Теплофизические и термомеханические процессы, происходящие внутри затвердевающего слитка и в итоге определяющие кристаллическую структуру блюма и его внутренние и поверхностные дефекты, в значительной степени зависят от условий отбора тепла с поверхности слитка в зоне вторичного охлаждения. Создание возможности управления тепловым состоянием формирующегося слитка за счёт регулирования внешней системы вторичного охлаждения делает возможным прогнозирование качества конечного продукта и путём минимизации дефектов поверхности слитка и дефектов его внутреннего строения получить высококачественный непрерывнолитой блюм для всего марочного сортамента.

На МНЛЗ-3 РУП «БМЗ» в зоне вторичного охлаждения используется классическое водяное плоскофакельное охлаждение. Зона вторичного охлаждения разбита на три секции, в каждой из которых имеется свой расход воды, характеризуемый различным числом форсунок. В третьей ЗВО движущийся слиток начинает деформироваться и в дальнейшем перемещается по дуге, близкой к четверти окружности. В результате этого в слитке возникают механические напряжения за счет изгиба слитка, которые накладываются на термические напряжения, возникающие в ЗВО. Анализирую ситуацию можно уверено сказать, что позиция механических и термических напряжений создает нелинейную картину распределения напряжений в слитке, что в конечном итоге приводит к формированию трещин в слитке, тем самым отрицательно влияя на качество получаемого слитка.

Для устранения данного вида дефекта, в данном проекте предлагается применить водовоздушную систему охлаждения, взамен применяемой водяной, с переходом на круглофакельное форсуночное охлаждение взамен плоскофакельному (рисунок 4.1) (приложение Ж).

Рисунок 4.1- Геометрическая схема круглофакельного (предлагаемая) и плоскофакельного (стандартная) водяного охлаждения на участке ЗВО МНЛЗ-3

К форсункам предъявляются следующие требования: гарантированное получение расчётного коэффициента теплоотдачи, равномерное распределение коэффициента теплоотдачи по ширине факела, постоянная геометрия факела при изменении расхода теплоносителя, широкий диапазон расходов воды, надёжность работы форсунок в жёстких условиях [ 12 ].

Для обеспечения мягкого и равномерного вторичного охлаждения непрерывнолитых блюмовых заготовок предлагается применить водовоздушную систему вторичного охлаждения. Для смешивания воды и

воздуха предлагается устройство со смешиванием внутри камеры. Распылительное устройство в данном случае состоит из отдельной смесительной камеры с патрубками, расположенными под углом 90° для подвода воды и воздуха (рисунок 4.2).

,2- патрубки для подвода воздуха и воды; 3 - болт для технического дробления воды; 4 - корпус распылителя; 5 - круглофакельная форсунка

Рисунок 4.2 - Распылительное устройство

На рисунке 4.3 представлены фотографии ряда форсунок прогрессивной конструкции, дающие наилучшее распределение коэффициента теплоотдачи по площади орошаемой поверхности.

Рисунок 4.3 -Варианты исполнения форсунок, позволяющих охлаждать поверхность непрерывнолитых заготовок водовоздушным туманом

Соосно с водяным патрубком внутрь камеры ввинчивается специальный болт для предварительного механического дробления водяного потока, а также очистки полости камеры в случае ее засорения.

В подводящих воду и воздух патрубках внутри камеры выполнены сужающие каналы. Применение таких распылительных устройств позволит снизить потребление воздуха на дробление 1 м3 воды со 100 - 140 до 25 м3 и формировать водовоздушную смесь при изменении расходов воды в потоке в соотношении 1:18. Стабильное формирование водовоздушного потока будет обеспечиваться при повышенном давлении воды (около 0,7 МПа) и воздуха (более 0,3 МПа) на входе в смесительную камеру. Максимальный расход воды на один ручей составляет примерно 33 м/ч, а воздуха - около 830 м /ч. Для подачи водовоздушной смеси по касательной к поверхности от центра заготовки к узким граням смесь подают в полость форсунки, после этого смесь через выпускные отверстия весьма сложной конфигурации в виде потока конусновидной формы распределяются по охлаждаемой поверхности (рисунок 4.4) [ 13 ].

а- полость форсунки; б- поток охладителя конусновидной формы

Рисунок 4.4 - Форсунка с круглым водовоздушным факелом

Конструкция данной водовоздушной форсунки, позволяет формировать

поток охладителя с углом раскрытия факела по большой оси около 155 - 160, по малой - 35 - 40 (рисунок 4.5). Площадь выходного сечения форсунки составляет 25 мм. Форсунка устанавливается над поверхностью заготовки на

высоте ~ 0,3м и обеспечивает охлаждение около 80-85% площади межроликового пространства. Расход воздуха на распыление 1м воды составляет в среднем 12- 20 м.

Рисунок 4.5 -Сформированный поток охладителя с углом раскрытия факела предлагаемой форсунки

Для получения оптимальной модели круглофакельного охлаждения были рассчитаны поля напряженности слитка. На основе этих расчетов была спроектирована математическая модель термонапряженного слитка получаемого на МНЛЗ-3. Расчет проекции нормальных напряжений на вертикальной оси слитка производился исходя из допущения, что каждый элемент горизонтального слоя слитка деформируется одинаково. В начальный момент времени все элементы модели имели одинаковую высоту, соответствующую вертикальному шагу конечно-разностной сетки Δу. В процессе моделирования шаг сетки изменялся в соответствии с изменениями высоты горизонтального слоя элементов, т.е. вертикальный шаг сетки - неравномерный. В момент кристаллизации металла внутри элемента шаг сетки, соответствующий данному элементу, фиксировался в качестве начальной высоты данного элемента. Относительная деформация элемента определялась с учетом изгиба заготовки и порядковых номеров элемента в плоскости изгиба по всей длине слитка. Таким образом, моделирование напряжений сводилось к перерасчету вертикального шага конечно-

разностной сетки по напряжениям и накоплению пластических деформаций. При компьютерном моделировании использовались теплофизические данные легированной стали и слиток размером 250x300 мм.[ 14 ]

Для оценки эффективности данной системы были проведены эксперименты с опробованием новой технологии охлаждения слитка. В качестве исходных данных по параметрам разливки среднеуглеродистой легированной стали использовали следующие технологические данные: температура заливки 1550°С; скорость вытяжки слитка 0,71 м/мин.

Для анализа напряженного состояния использовали продольное сечение Z=0,04 м, которое находилось вблизи поверхности слитка. В этом сечении по длине слитка было выделено несколько направлений, положения которых в пространстве определялись значением Хп. Были проанализированы точки X находящиеся на различных расстояниях Х=0,005 - 0,075 м от поверхности слитка.

На рисунке 4.7 представлено распределение продольных напряжений в точке X=0,005м по длине слитка для плоскофакельного и круглофакельного охлаждения.

В интервале 1 < L < 4 м как в случае круглофакельного, так и плоскофакельного охлаждения изменения напряжений носят колебательный характер изменения температуры. Причем колебания при круглофакельном охлаждении слитка почти в два раза меньше соответствующих колебаний при плоскофакельном охлаждении. Это свидетельствует о том, что круглофакельное охлаждение способствует сглаживанию продольных напряжений по сравнению с плоскофакельным. Например, для точки Х=0,015 м напряжения при круглофакельном охлаждении почти в два раза меньше напряжений, возникающих при плоскофакельном охлаждении. Причем это наблюдается на протяжении всей зоны вторичного охлаждения (рисунок 4.7).

 Рисунок 4.7 - Распределение продольных напряжений в сечении Z=0,04 м для участка слитка 250x300 мм (L-длина) при 1-круглофакельном и 2- плоскофакельном форсуночном охлаждении ЗВО МНЛЗ при: а) X = 0,005 м,

б) X = 0,015 м

На рисунке 4.8 представлено распределение напряжений на участке ЗВО для точек Х=0,025 м и Х=0,035 м. Для точки, находящейся ближе к поверхности четко прослеживается снижение напряжений, соответствующих случаю круглофакельного охлаждения в сравнении с плоскофакельным. Причем это хорошо видно для растягивающих напряжений.

Рисунок 4.8 - Распределение продольных напряжений в сечении Z=0,04 м для участка слитка 250x300 мм (L - длина) при 1 - круглофакельном и 2 - плоскофакельном форсуночном охлаждении ЗВО МНЛЗ при: а) X = 0,025 м,

б) X = 0,035 м

На участке 2,5 < L < 5 м напряжения носят колебательный характер, что связано с чередованием водяной и воздушной зон и хорошо согласуется с подобными колебаниями, представленными на рисунке 4.8.

Для точки Х=0,035 м, находящейся ближе к центру, различие в растягивающих напряжениях при круглофакельном и плоскофакельном охлаждении наблюдается для участка 4 < L < 6 м. Причем различие в напряжениях по длине слитка изменяются не линейно, что связано с началом изгиба слитка, который находится в интервале 3-4 м.

На рисунке 4.9 представлено распределение продольных напряжений в точках Х=0,045 м и Х=0,055 м. Для этих точек различие в напряжениях, сформированных при круглофакельном и плоскофакельном охлаждении, незначительны на участке 0 < L < 2,5 м и начинают проявляться после 4 метров. Чем ближе анализируемая точка к середине выделенной поверхности, тем длиннее участок, на котором напряжения при круглофакельном и плоскофакельном охлаждении близки.

Рисунок 4.9- Распределение продольных напряжений в сечении Z=0,04 м для участка слитка 250x300 мм (L - длина) при 1 - круглофакельном и 2 - плоскофакельном форсуночном охлаждении ЗВО МНЛЗ при: а) X = 0,045 м,

б) X = 0,055 м

На основе исследований было установлено, что развитие напряжений в слитке при вытягивании влияют размеры зон вторичного охлаждения, расположение охлаждающих и не охлаждающих роликов.

Конфигурация и размеры роликов изменяют тепловые свойства среды, из-за чего изменяется коэффициент теплоотдачи между слитком и охлаждающей средой. Это приводит к пилообразному изменению температуры (образованию локальных напряжений, связанных с наличием многократных фазовых превращений), что было установлено в результате расчетов.

На рисунке 4.10 (а) представлено детальное изображение участка охлаждения, из которого можно видеть, что градиенты температуры сглаживаются для второго (предлагаемого) по сравнению с первым вариантом. Аналогичные изменения наблюдаются на участке слитка от 2 м до 4 м вытягиваемого слитка (рисунок 4.10 (б)).

Рисунок 4.10 - Зависимость изменения температуры поверхности слитка

Уменьшение пилообразности температуры может свидетельствовать о снижении уровня напряжений на поверхности слитка.

Таким образом, на основе выполненных расчетов и исследований процесса формирования напряжений в слитке размером 250х300мм было

установлено, что предлагаемый вариант в сравнении с базовым обеспечивает снижение напряжений в слитке. Предлагаемый вариант отличается от базового увеличением водовоздушной зоны за счет уменьшения воздушных прослоек, находящихся между зоной кристаллизатора и в ЗВО-1, ЗВО-2, ЗВО-3 между роликами. При этом, применив круглофакельные форсунки, можно снизить интенсивность охлаждения в 1,5 раза, так как площадь измененной поверхности получается увеличенной в 1,5 раза. В этом случае сглаживаются перегибы на температурных кривых слитков.

Использование круглофакельных форсунок в ЗВО позволит создать дополнительное охлаждение неохлаждаемых роликовых узлов, позволит увеличить ресурс стойкости роликовой секции и увеличить срок службы подшипников в роликах. Кроме того, использование круглофакельного охлаждения позволит увеличить длину зоны вторичного водяного охлаждения до 2,6-2,7м, за счёт уменьшения воздушных прослоек между роликами в трёхсекционной зоне вторичного охлаждения. В свою очередь это обеспечит равномерное охлаждение слитка, предотвратит образование локальных напряжений, связанных с наличием многократных фазовых превращений, что приведет к снижению и более равномерному распределению термических напряжений по всей поверхности слитка и как следствие уменьшение поверхностных дефектов слитка и улучшение макроструктуры отливаемой заготовки.

В результате предлагаемых мероприятий предполагается:

- индекс продольных трещин (суммарная длина продольных трещин на площади 1м) на круге и заготовке снизится с 6 до 1;

поражённость заготовок по поверхностным трещинам снизится более чем в 2,5 раза;

глубина залегания трещин снизится до 2-3мм;

объём зачистки заготовки снизится на 80-90%.

.1.1 Расчёт зоны вторичного охлаждения

При водовоздушном охлаждении выделяют несколько зон, отличающихся по механизму теплоотвода: зона орошения водой, зона натекания воды перед роликом, участок контактного охлаждения роликом, зона конвекции и излучения на воздухе.

Остановимся на теплоотдачи в факеле водовоздушной форсунки. Схема форсуночного охлаждения представлена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12- Влияние установочных размеров форсунок на распределение плотности орошения

Основные геометрические параметры зоны орошения:-расстояние от форсунки до заготовки;