Способ предотвращения повреждения кристаллизатора

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам автоматического управления непрерывным литьем металлов. Цель изобретения - повышение надежности предотвращения повреждения кристаллизатора и увеличение его ресурса путем прогноза интенсивности теплонагружения. Способ предусматривает измерение скорости вытягивания V, расход охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового потока Q в кристаллизаторе. В способе определяют первый максимум на зависимости Q от V при V=V<SB POS="POST">1</SB>, измеряют соответствующую этому моменту температуру металла в металлоприемнике T<SB POS="POST">1</SB> и рассчитывают на последующее время разливки &Tgr; величину прогноза максимальной плотности теплового потока в кристаллизаторе. Если эта величина превосходит допустимую величину, корректируют скоростную программу разливки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1Ю (1t) (51)5 В 22 D 1 (/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪ СВИДЕ ГЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

f (21) 4485550/27-02 (22) 22.09.88 (46) 07.12.90. Бюл. Р 45 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения (72) Л.П.Заков, И.Ф.Панин, N.Ä.ÆàðHèöêèé, В.С.Смирнов и А.П.Остромогильский (53) 621.746 ° 27(088.8) (56) Заявка Японии Р 60-148653, кл. В 22 D 11/20, 1985, Патент СЙА У 4553604, кл. В 22 D 11/16, 1985.

Патент CIUA Ф 4006633, кл. В 22 D 11/124, 1977. (54) СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОВРЕМЩЕ, НИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к способам авто1

«

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам автоматического управления непрерывным литьем металлов.

Цель изобретения - повыщение надежности предотвращения повреждения .кристаллиэатора и увеличение его ресурса путем прогноза интенсивности теплонагружения.

На чертеже представлена зависимость средней и максимальной плотнос ти теплового потока в кристаллиэаторе от времени. матического управления непрерывным литьем металлов. Цель изобретения— повьппение надежности предотвращения повреждения кристаллиэатора и увеличение его ресурса путем прогноза интенсивности теплонагружения. Способ предусматривает измерение скорости вытягивания v, расхода охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового и . тока q в кристаллизаторе. В способе определяют первый максимум на зависимости q от

v при ч=у,, измеряют соответствующую этому моменту температуру металла в металлоприемнике t< и рассчитывают на последующее время разливки величину прогноза максимальной плот ности теплового потока в кристаллиэаторе, Если эта величина превосходит допустимую величину, корректируют скоростную программу разливки.

1 эп. флы, 1 ил.

Поставленная пель достигается реализацией способа предотвращения повреждения кристаллиэатора, включающе-. го измерение скорости вытягивания, расхода охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового потока в кристаллиэаторе, при этом определяют первый максимум на зависимости средней плотности

1 теплового потока в кристаллиэаторе q от скорости вытягивания ч (или времени ) в начале разливки, измеряют соответствующую этому моменту темпера1611564 туру металла в- металлоприемнике t и рассчитывают на последующее время разливки прогнозную величину максимальной плотности теплового потока в кристаллизаторе:. л П (д) t(p )-t 345 V(4)

" щкс

% !% 1 где и О; — температура ликвидус металла;

t((b) и ч() — программные зависимости и. от времени температуры литья расплава и скорости вытягивания;

v — значение v соответствую( щее q<, ш и и — константы, зависящие от технологиИ литья 20 и, если для какого-либо момента с л величина 1моk (b) пРевышает ДопУстимую величину (qмакс3 корректиру скоростную программу разливки в соответствии с решением, реализующим мини-25 мум Аункционала

Т в

Fm j (t +А.Ч ) е р макс dn, (2) о зо где о- — температура охлаждающей воды;

К,А и  — константы, зависящие от конструкции кристаллизатора3 35

Т вЂ” .время литья, Скоростную программу разливки корректируют в соответствии с решением, реализующим минимум функционала т (З) 40 о

Такое выполнение способа предотвращения повреждения кристаллизатора позволяет предсказать интенсивность теплонагружения на период рабочей ско-45 рости вытягивания уже на стадии разгона вытягивания, причем предсказание интенсивности в зоне максимального теплонагружения осуществляется по среднему в кристаллизаторе теплонагру- О жению на этапе разгона.

После старта вытягивания через 1020 с наблюдается максимум зависимости средней плотности теплового потока q, вычисляемый по нагреву охлащцающей кристаллизатор. воды, от скорости вытягивания, при этом величина q вычисляется не по всей площади кристаллизатора, а с учетом реальной длины слитка 1., которая на этапе разгона менее длины кристаллизатора. Первоначальный рост q от времени . (или скорости v) связан с постепенным прогревом стенок кристаллизатора. Последующее за максимумом q падение q свя1 зано с более быстрым ростом L в сравнении с теплоотдачей от слитка, так как пик теплонагружения существует лишь на небольшой длине в зоне ввода расплава в кристаллизатор, далее плотность теплового потока q уменьшается по мере роста корочки слитка. Таким образом, для малых величин „ сравнимых с размером максимального теплонагружения (например, диаметром струи расплава или шагом вытягивания), величина q рассчитанная на основе стандартного калориметрирования. кристаллизатора

Ч= — 9в.htв Гв Свэ

1 (4) где S — периметр кристаллизатора;

L - текущая длина слитка;

Ив иЬ вЂ” расход и нагрев воды;

9р и С вЂ” плотность и теплоемкость

В, воды, примерно равна величине q „ „, — максимальной плотности теплового потока в кристаллизаторе, обусловленного теплоотдачей от струи расплава к стенкам кристаллизатора, причем величина относится к тому значению скому кс рости вытягивания v и температуре расплава в металлоприемнике,, которые обусловили значение ц=с1 на этапе разгона.

Значение q «(v»i 1) позволяет оценить АУнкцию 1 „с(ч,t) длЯ всех наперед заданных значений v() и (,) согласно программе температурно-скоростного режима литья:, Если турбулентная струя Расплава набегает на стенку перпендикулярно, то теплоотдача пропорциональна температур-.ому напору в степени 1 и скорости расплава в степени 0,5. При продольном набегалии струи q „ пропорциональна v 0, 0 8 при этом исходят из пропорциональности скорости струи расплава и скорости вытягивания слитка v. Отсюда следует справедливость выражения (1), по котоА, рому вычисляют значения о „„,с) на интервале < с Т, где c,, — момент л л с,, когда q=q, Т вЂ” время окончания литья, 161156

50. У каждого кристаллизатора есть допустимая величина интенсивности теплонагружения (q„„„,1, зависящая от его конструкции и интенсивности ох5 лаждения, бпределяемая по термическим напряжениям и базовым механическим свойствам. Эксплуатация кристаллизатора при ч,дд „с ь (q ма кс . не приводит к трещинам, разгару или короблению стенок и ресурс его в этом случае лимитируется износостойкостью и может достигать сотен разливок. Таким образом, если расчет по уравнению (1) дает величины, не превыюаювне f q„ «7, то программа литья ие подлежит коррек гировке.

Отсутствие в большинстве случаев значений теплофизических свойств сталей (особенно для легированного ме- 20 талла) и точных расчетных методик затвердевания не позволяет выполнить расчет q „„а„ до разливки. Поэтому на этапе разгона может быть обнаружено, что и „ (ь) на всем рабочем периоде 25

v или в какие-то моменты превысит

q л, „ $ если вести разливку по намеченной программе — зависимости v(t ).

Очевидно следует так скорректировать программу, чтобы минимизировать ско- 30 рость накопления повреждений кристаллизатора, предотвращая тем самым его разрушение или критическую деформацию и увеличивая ресурс.

Наиболее распространенным случаем повреждения кристаллизаторов при термическом нагружении является накопление повреждений (деформаций), o6yc— ловленных ползучестью под действием термических нагружений. Известно, что 40 скорость ползучести пропорциональна степенной зависимости от напряжений и экспоненциальной функции от температуры. Отсюда следует, что накопление повреждений за время плавки мож-, 45 но описать функционалом F (2).

С наибольшей точностью это выражение применимо для случая малой стойкости кристаллизаторов, порядка 10-50 разливок, например, при изготовлении их стенок иэ меди.

Константы К и В зависят от механических свойсть материала рабочих стенок кристаллиэатора. При выполнении стенок иэ меди и медных сплавов 55 (бронз) влияние напряжений учитывается через К=З-5 5 причем для чистой меди Кев5 5 для бронз К=З. Влияние те ературы на повревдаемоств уииты4 6 вается через параметр В, равный частному от деления энергии активации разрушения (около 30 ккал/моль для меди) на универсальную газовую постоянную

8,31 Дж/кмоль.

Константа А определяет тепловое сопротивление стенки кристаллизатора, т.е. пропорциональность между плотностью теплового потока q и перепадом температур ЬТ по глубине стенки:

ДТ-q(+ )-q А, 13

oL 3 (5) где g — коэффициент теплоотдачи от

t стенки к воде; — толщина стенки; ф — теплопроводность стенки.

В случае большей стойкости, например при изготовлении стенок из бронзы на уровне 50-100 разливок, каждую из них можно представить как цикл нагружения при малоцикловой усталости. Характерным параметром при этом является средняя за время разливки максимальная температура в кристаллизаторе. Отсюда следует, что минимизировать следует величину, пропорциональную Р (3).

Скорректированная программа v(t,î ) литья, полученная минимизацией F < или Е, выполняется регулированием скорости вытягивания по ходу разливки. Для поиска минимума F èëè F< в подынтегральное выражение подставляют известную из практики зависимость

t() (с учетом скорости остывания металла в ковше) в виде

t © =-t,-К, (— 4), (6) где t — температура металла в мо1 мент времени

К вЂ” скорость падения температуры

1 металла в металлоприемнике эа счет остывания в ковше.

Тогда решение задачи заключается в отыскании неизвестной функции ч(1.) на интерва.-.е, с б - Т, при подставке и л которой в (1) для вычисления а д,д () и затем ища„ () в (2) или (3) для вьмислеиий F(q(v()д, t. 7 достигается ,минимум. При этом поиск у() должен быть проведен на множестве функций с заданными ограничениями: по производительности ИНЛЗ, по длине жидкой фазы слитка, по толщине корочки в кристаллиэаторе, по неперемерзанию металлопровода. Данная задача является задачей.вариационного исчисления и решается сведением к дифференциаль1611564

55 до

q =2 3- — (— } =1 62 ИВт/м .

20 3 0«

Макс 110 0,2

Стенки кристаллкэатора толщиной

20 мм выполнены иэ меди теплонроводностью 380 Вт/м и охлаждаются водой с температурой 20оС и коэффициентом тепвеотдачи 20000 Вт/м К. Предельно допустимая тепловая нагрузка по темо педатуре разупрочнения, равной 250 С, составляет

250-20 — — - — 2 2 ИВт/м .

""«о" З 1 0 02 .1. А

20000 380.

РасчетнаЯ величина ада„юпРевышает допустимую, поэтому необходимо корректировать скоростную программу, минимизируя Функционал ному уравнению с граничным условием

М/8 ((м Ч у е

В более общей постановке, при наличии н составе ИНЛЭ устройства подогрева стали в. конше или металлопри5 емнике, может быть отдельно найдена и

„функция, t(c,) с соответствующими ограничениями, в этом случае регулирует,ся по ходу питья, наряду с ч, величйна t, а время разливки Т пЬжет быть унеличено.

Решение ди(Ъференциального уравнения для нахождения минимума осуществляет ЭВМ по стандартной подпрограмме. 15 .!

П. р и м е р 1. Разливку стали 35 иэ ковша емкостью 100 т осуществляют на ИНЛЗ горизонтального типа с двусторонним вытягиванием н кристаллиэа.тор сечением 5"(х600 мм со средней ско- 20 ростью 2,5 м/мин .sa 90 мин. Значения технологических и конструкционных констант: ш=1, п-0,5, А=102,6 м К/ИВт;

В15000018,31; К 3р5. Перегрев металла в металлоприемнике уменьшается равномерно е 1100Стдо 20 С при ско-, рости остывания 1 град./мин. Расход воды на кркстаплизатор 118 м /ч. При стартовой скорости вытягивания

0,2 м/мин через 15 с после начала вытягивания зафиксирован первый максимум а,, равный 2,3 ИВт/м . Программа литья предусматривает разгон за

1 мин до v=1-2 м/мин и затем постоянное ускорение до ч3 м/мин к концу 35 разливки. Расчет показал, что в течение рабочего периода величина q y(,c уменьшается от

10Э 2

q =2 3 — ° (— -) =7,2 ИВт/м, мЯкс Р 110 0 2

5000018 31

10 (110-К 0 Г при q 2,3 — — - - - —.

М0(((с 110 40 2

Решение вариационной задачи дало следующую программу: литье на скорости 1 м/мин до 42-й мин, затем ускорение до 3,5 м/мин за 6 мин, и ведение разливки на скорости 4 м/мин до окончания литья.

Пример 2. Прк нсех условиях примера 1 стенки выполнены из бронзы теплопроводностью 260 Вт/м с температурой разупрочнения 500 С. Величина (r(мокс) 3,8 ИВт/м . Корректмруют скоростную программу, минимизируя функционал 90

Р =„2 3 - - di.

2 J 110 1 0 2 о

Решение вариационной задачи дает следующую программу: разгон от 1,5 до 2 м/мин плавно за 45 мкн, увеличение до 3 м/мин и дальнейший рост плавно до 3,5 м/мин вплоть до 90«й минуты.

Способ предотвращения повреждения кристаллиэатора позволяет снизить интенсивность теплонагруженкя до 10Х, эа счет этого ресурс кристаллкзатора увеличивается до 30Ж, исключается катастрофическое разрушение кристаллизатора на произвольном сортаменте разливаемого металла.

Формула изобретения

1. Способ предотвращения повреждения кристаллкзатора, включающий измерение скорости вытягивания, расхода охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового потока в кристаллкзаторе, о т л ич а ю шийся тем, что, с целы0 повышения надежности предотвращения повреждения и увеличения ресурса кристаллизатора путем прогноза интенсивности теплонагруженкя, определяют первЪ(й максимум q < на зависимости средней плотности теплонбго потока в кристаллизаторе q от скорости нытягивания у н начале разливки, измеряют соответствующую .этому моменту температуру металла в металлоприемнике С1, рассчитывают .на последующее время разливки (. прогнозную величину максимальной плотности теплового потока q в кристаллизаторе:

9 1611564 л 1 té)-teil)" v() j" где t(c) и v() - программные зависиствии с решением, реализующим минимум функционала F,1 по v (c )

Р-j(c лч») о А " " а"

t °

0 уде t - температура охлалдающей воды у

К, А иВл

Рй ) 1eoxc "М га я М я И m ВС яО С,кин

Составитель В.Апросимов

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Йипле

Редактор E.Ïàïï

Заказ 3794 Тиража 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 мости от времени 5 температуры литья расплава и скорости вытягивания; — температура ликвидус металла;

10 ш и n — - константы, завися-. щие от технологии литья;

v - значение v соот15 ветствующее о „ и, если для какого-либо момента g seл личина q . () превышает допустимую величину (ц „ ), корректируют скоростную программу разливки в соответконстанты, зависящие от конструкции KpHcTBJIJIHss» тора;

Т - время литья.

2 ° Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и Й с я тем, что скоростную программу разливки корректируют в соответствии с решением, реализующим минимум Функционала