Скорость вытягивания заготовки

Установление скоростного режима заключается в определении диапазона допустимых скоростей вытягивания заготовки и рабочей скорости вытягивания.

Для практической работы МНЛЗ и расчета параметров качания и охлаждения кристаллизатора необходимо знание максимально допустимой скорости вытягивания слитка (ν_max). Ее значение определяется минимально допустимой тол­щиной корочки металла на выходе из кристаллизатора (ξ_min), которая составляет 0,01-0,02м. Большие значения толщин корочки металла соответствуют большему сечению заготовки. В случае увеличения напряжения в твердой корочке может произойти прорыв жидкого металла под кристаллизатором. При этом необходимо учитывать, что по сечению заготовки затвердевание происходит неравномерно, причем

где ξ_max, ξ_min – соответственно максимальная и минимальная толщина корочки;

К_ξ – коэффициент неравномерности, равный 0,6-0,8.

Расчет ν_max производится по формуле Вейника А.И. [7], полученной на основании решения дифференциальных уравнений теплового баланса затвердевания непрерывного слитка:

(4)

где ξ_к – относительная толщина затвердевшего металла на выходе из кристаллизатора;

Вi – среднее значение критерия за время пребывания металла в кристаллизаторе;

F₀ – критерий Фурье;

М – критерий Вейника;

А₁ – коэффициент, определяемый из выражения

Относительная толщина затвердевшего металла на выходе из кристаллизатора равна:

(5)

где R – приведенный размер слитка, определяемый в зависимости от формы поперечного сечения слитка, м:

- для круглого слитка R = r, где r – радиус круглого слитка, м;

- для квадратного слитка – R = а/2;

- для прямоугольного слитка – где a, b – соответственно, размер узкой и широкой грани слитка, м.

Значение среднего критерия Био за время пребывания металла в кристаллизаторе находится по формуле:

(6)

где λ – коэффициент теплопроводности жидкой стали (λ = 30 Вт/(м∙К));

α – средний коэффициент теплоотдачи по высоте кристаллиза­тора, Вт/(м²∙К).

Средний коэффициент теплоотдачи находится в свою
очередь по формуле:

(7)

где τ_к – время нахождения слитка в кристаллизаторе (мин), равное

(8)

где La - активная длина кристаллизатора (м), определяется по формуле

L_A = L_K – H_M, (9)

где L_К - длина кристаллизатора, м;

Н_К – уровень металла в кристаллизаторе (расстояние от верхнего среза кристаллизатора до поверхности жидкого металла в нем – обычно 0,1-0,2 м), м.

Значение критерия Фурье равно:

(10)

где К_α - коэффициент температуропроводности жидкой стали (К_α = 6∙10^-6 м²/с).

Значение критерия Вейника находится из уравнения:

(11)

где См – средняя удельная теплоемкость твердого металла, равная 0,7 кДж/кг∙К;

Т_ликв – температура ликвидус разливаемого металла, К;

Т_в – средняя температура охлаждающей воды, К;

S – скрытая удельная теплота кристаллизации, равная 274 кДж/кг.

Уравнение Вейника (4) решается численными методами. Определив по уравнению Вейника максимальную скорость вытягивания, мы можем задать рабочую скорость вытягивания и по этому же уравнению определить толщину корочки металла на выходе из кристаллизатора (ξ_к) при рабочей скорости вытягивания.

Рабочая скорость вытягивания при разливке большинства сталей суще­ственно отличается от максимальной, что связано с особенностями кри­сталлизации этих марок сталей (например, склонность к образованию трещин) и особенностями формирования поверхности слитка. В приложе­нии 4 представлены значения рабочих скоростей вытягивания слитка раз­личных сечений и марок сталей.

В качестве рабочей принимается такая скорость вытягивания, при которой обеспечивается сочетание высокого качества заготовки с достаточно высокой производительностью МНЛЗ. Обычно рабочая скорость вытягивания назначается с учетом многих факторов: марки стали, размеров поперечного сечения отливаемой заготовки, температуры металла в промежуточном коше, содержания в стали вредных примесей и др. Если температура разливаемого металла и содержание вредных примесей в ней соответствуют требованиям раздела 1, то рабочая скорость вытягивания (линейная скорость разливки) может быть рассчитана по формуле [8]

(12)

где ν_р – рабочая скорость вытягивания заготовки, м/мин;

k_ν – коэффициент скорости вытягивания, м²/мин;

а, b, - толщина и ширина заготовки, м.

Слябовая, блюмовая и сортовая заготовка отличаются друг от друга размерами одной из сторон и соотношением ширины к толщине а/b:

- для слябовой заготовки размер одной из сторон более 0,6 м, а отношение ширины к толщине заготовки более 2:

- для блюмовой заготовки размеры поперечного сечения составляют 0,2-0,6 м, а отношение а/b < 2;

- для сортовой заготовки размеры поперечного сечение не превышают 0,2 м.

Значения коэффициента скорости вытягивания k_ν для слябовых заготовок приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Значения коэффициента скорости вытягивания k_ν для слябовой заготовки [8]

Марка стали, назначение

kν

1. Углеродистая обыкновенного качества и низкоуглеродистая стабилизированная алюминием для холоднокатаного листа 2. Углеродистая и низколегированная конструкционная; углеродистая и низколегированная для судостроения, мостостроения и трубная 3. Кипящая обыкновенного качества для горячекатаного листа и сталь углеродистая конструкционная кипящая общего назначения и для холоднокатаного листа 4. Легированная и конструкционная 5. Низкоуглеродистая электротехническая динамная и трансформаторная сталь

0,3   0,24     0,24 0,20   0,18

Практика показала, что на используемых в настоящее время слябовых МНЛЗ для обеспечения получения качественной литой заготовки и безаварийной работы, скорость разливки (в случае получения чрезмерно высоких значений) должна ограничиваться предельными значениями, указанными в таблице 3.

Таблица 3 – Предельные значения скорости разливки слябовой заготовки [9]

Толщина сляба, мм	νр, м/мин
	1,6
	1,6
	1,4
	1,2
Примечание: 1. Для случая реконструкции существующей МНЛЗ необходимо при обосновании линейной скорости разливки учитывать конкретные условия разливки в цехе. 2. При получении расчётом более высоких значений линейной скорости разливки, требуется соответствующее обоснование.

Значения коэффициента скорости вытягивания k_ν для блюмовых заготовок (толщиной более 200 мм) приведены в таблице 4.

Значения коэффициента скорости вытягивания k_ν для сортовых заготовок (толщиной менее 200 мм) находится в пределах 0,2-0,3. Чем более легированная сталь, тем значение коэффициента меньше.

Так как нормативных значений, ограничивающих линейную скорость разливки блюмовых и сортовых заготовок нет, то она принимается равной расчетной.

Таблица 4 – Значения коэффициента скорости вытягивания k_ν для блюмовых заготовок [8]

Марка стали, назначение	kν
1. Сталь углеродистая обыкновенного качества 2. Сталь углеродистая и низколегированная конструкционная; для судостроения, котлостроения, мостостроения и трубная 3. Сталь углеродистая конструкционная кипящая 4. Сталь легированная и конструкционная. Сталь высоколегированная и сплавы для электродов 5. Сталь инструментальная углеродистая, легированная и ШХ	0,14   0,13 0,11   0,11 0,10

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

(13)

Полученное значение максимальной скорости разливки не должно превышать величины, найденной при решении уравнения Вейника.

Рабочая скорость вытягивания определяет глубину лунки жидкого металла в кристаллизующейся НЛЗ

(14)

Для определения максимальной протяженности жидкой фазы машины существует уточненная формула [9]:

(15)

где K – коэффициент, зависящий от отношения ширины заготовки к толщине;

а – толщина наиболее толстой заготовки, отливаемой на машине, м.

Значения коэффициента К приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Значение коэффициента K для расчета протяженности жидкой фазы

Отношение в/а	Профиль заготовки	К	Отношение в/а	Профиль слитка	К
1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5	блюм блюм блюм блюм блюм блюм блюм блюм блюм блюм сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб		3,6 3,7 3,8 3,9 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6 и более	сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб сляб

Обязательным условием получения плотной осевой зоны НЛЗ является соблюдение соотношения

(16)

где L_м – металлургическая длина МНЛЗ (расстояние по оси заготовки от уровня жидкого металла в кристаллизаторе до последнего поддерживающего ролика), м.

Поэтому необходима проверка соблюдения условия (16) при разливке с максимальной скоростью вытягивания. Если данное условие не соблюдается, то максимальную скорость вытягивания необходимо соответственно уменьшить.