Система вторичного водовоздушного охлаждения предназначена для обеспечения требуемой интенсивности теплоотвода от поверхности заготовки по длине технологической оси зоны вторичного охлаждения (ЗВО) в диапазоне сечений разливаемых на МНЛЗ № 2 слябов 190х1200 мм и 270х1200 мм. Схема работы ЗВО обеспечивает требуемый режим мягкого водовоздушного охлаждения поверхности сляба при разливке всего размерного и марочного сортамента.

Процессы охлаждения непрерывно-литой заготовки в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) во многом определяют ее качество. Равномерное охлаждение непрерывно-литой заготовки является наиболее важной задачей, решаемой при настройке ЗВО. В зоне вторичного охлаждения на заготовку посредством форсунок подается охладитель, обеспечивающий отвод тепла от поверхности заготовки. В связи с тем, что плотность орошения в значительной степени влияет на теплопередачу, одним из решающих факторов эффективности охлаждения становится распределение охладителя по поверхности заготовки.

На основе распределения плотности орошения форсунки выстраивается характеристическая кривая коэффициента теплопередачи. Резкие изменения коэффициента теплопередачи в совокупности с высоким абсолютным максимумом приводят к большим температурным перепадам на поверхности заготовки.

На текущий момент не существует форсунок, обеспечивающих полностью равномерное охлаждение орошаемой поверхности. Поэтому на участках МНЛЗ, где находятся форсунки, необходимо следить за тем, чтобы зоны распыления отдельных форсунок соответствующим образом перекрывались для достижения как можно более равномерного распределения коэффициента теплопередачи.

Эффективное вторичное охлаждение характеризуется следующими признаками:

- равномерное охлаждение поверхности заготовки;

- высокий КПД за счет большой доли испарения охладителя;

- непродолжительный контакт неиспарившейся воды с поверхностью заготовки.

Более высокие скорости вытягивания, более чувствительные марки стали и универсальные разливочные машины требуют применения форсунок, которые разработаны с учетом современных производственных условий.

В условиях МНЛЗ № 2 ОАО "Уральская Сталь" охлаждение заготовок происходит в кристаллизаторе и ЗВО, состоящей из подбоя и секций № 0 - 16 (таблицы 1,2).

Анализ имеющихся в наличии отчетов металлургического комбината "Уральская Сталь", посвященных поверхностным дефектам слябов, показал, что проверка поверхности слябов непрерывного литья после зачистки заготовок выявила ректикулярные трещины на широкой части лицевых поверхностей, классифицируемых как сетчатые трещины, и поперечные трещины, расположенные на широкой лицевой стороне вблизи угла сляба, которые часто становятся дефектами продукции горячего проката. Сталь, которая рассматривалась в этом анализе, имела марку K52-1. Эта сталь, имеющая эквивалентное содержание углерода равное 0,1, попадающее в диапазон 0,08% -0,14%, чувствительна к образованию выемок вблизи мениска, вызванных объемными сжатиями из-за фазового перехода из д-феррита в г-аустенит, который имеет место в конце процесса затвердения. Эту марку стали обычно отливают с металлическим шлакообразующим порошком для уменьшения потока тепла в менисках и, как следствие, предотвращения образование продольных трещин. Но чем ниже отвод тепла из менисков, тем более грубой получается подкорковая аустенитная структура.

Размер аустенитного зерна является одним из наиболее важных параметров, которые контролируют пластичность: более крупный размер зерна облегчает распространение трещин.

Появление трещин обусловлено прочностью/пластичностью поверхностной оболочки и напряжением/растяжением, воздействующих на нее. Первые зависят от химического состава стали и температуры оболочки, тогда как вторые зависят от исходных тепловых и механических условий.

Трещины появляются при выполнении следующих условий:

1. Разгибание слитков происходит в температурном диапазоне хрупкости 750 - 850°C (может быть 700 - 900°C). Как было установлено, хрупкость в этом температурном диапазоне обусловлена увеличением твердости за счет выделения мелкой фракции AlN, Nb (C, N), VN, и т.п. и/или ферритовой плёнки вдоль границ аустенитного зерна во время перехода г-б (рисунок 3).

2. При отливке перитектических сталей и сталей, содержащих [C], [N], [Al] и [Nb] (изредка [V]), в количестве, превышающем необходимые величины для поверхностной растворимости в изделии (3-5 x 10-4 для [Al] [N], в зависимости от марки сталей).

Перитектически стали вызывают деформацию благодаря сжатию при перитектическом переходе и становятся хрупкими из-за формирования крупных г-зерен, как об этом уже упоминалось ранее.

С другой стороны, в сталях, содержащих указанные выше растворенные элементы, во вторичной зоне охлаждения на границе зерен оболочки поверхности происходит выделение мелкой фракции. Эти выделения делают поверхность слитка хрупкой в диапазоне 700 - 900°C, в котором обычно практикуется выпрямление.

3. Интенсивное охлаждение струей воды приводит к неоднородному и избыточному охлаждению поверхности слитка. Поверхность испытывает переохлаждение ниже A3 в бассейне с водой над контактами опоры вальца/слитка в верхней зоне слитка, и последующее повторное нагревание выше A3 после прохода опоры вальцов. Выделения мелкой фракции AlN не образуется до температуры 800°C (770-850°C) при охлаждении, но она выделяется при 700-1000°C во время нагревания. Соответственно, упомянутые выше тепловые циклы (повторное охлаждение или нагревание), проходящие точку критической температуры в промежутке между вальцами в зоне вторичного охлаждения, способствуют этому выделению, делая границы зерна еще более хрупкими.

Контроль температуры угла имеет большое значение для основной части продукции непрерывного литья. Углы имеют склонность к образованию менискообразных дефектов, которые действуют как концентраторы напряжения. Сочетание температуры, мест концентрации напряжений и областей с низкой пластичностью в температурном диапазоне 700-900°C часто приводит к растрескиванию угла во время процесса выпрямления. Центральные области широких поверхностей охлаждаются одномерно, тогда как углы подвергаются двумерному охлаждению. Поэтому углы могут стать значительно холоднее, чем остальные части внутренних широких поверхностей.

4. Дефекты в виде глубокой ряби существенно увеличивают распространение поперечных трещин за счет увеличения критических деформаций, поверх которых трещины могут образовать поверхность слитка. Допустимые критические деформации для перитектических высокоуглеродистых сталей C-Mn-Al с содержанием Nb, Al и N резко уменьшаются до 1/4 по мере увеличения глубины дефектов от 0 до ? 0,1 мм (при наличии Nb).

Нижняя часть дефектов в виде ряби часто сопровождается скоплением растворенных веществ, и размер аустенитного зерна на дне становится больше в результате более медленного остывание в этой области. Таким образом, дефекты нижней части восприимчивы к хрупкому излому из-за концентрации напряжений на границах аустенитного зерна.

С помощью специальной модели затвердевания IDS, разработанной в Хельсинском технологическом университете (ХТУ), проводился анализ процесса затвердевания стали марки K52-1. Эта программа моделирует фазовый переход и распределение растворенных веществ (микросегрегаций) во время затвердевания низколегированной и нержавеющей стали. Пакет программ IDS также рассчитывает теплофизические свойства, относящиеся к процессу кристаллизации (например, энтальпию, удельную теплоемкость, плотность, теплопроводность и т.п.) из жидкого состояния вплоть до комнатной температуры. Расчеты, проведенные с помощью IDS, сравнивались со многими экспериментальными измерениями.

Анализ стали марки K52-1, выполненный программным комплексом IDS, на котором видно, что переход из фазы феррита в фазу аустенита завершается на 60°C ниже ZST (доля твердого вещества при этом равна 0,8) и на 30°C ниже температуры начала затвердевания раствора. Кроме того, во время перехода из жидкого состояния в твердое происходит выделение TiN, тогда как остальные составляющие, такие как NbN, NbC и AlN, выделяются в диапазоне температур 1165-1150°C. Растворимость продукта [Al] x [N] составляет около 2,5?10-4, что несколько выше, чем предельное значение (2x10-4), выше которого вероятно возникновение растрескивания.

Кроме того, значение коэффициента линейного теплового расширения (б), рассчитанное с помощью пакета программ IDS при ZDT, равно примерно 9?10-5 1/K, что подтверждает режим перитектического затвердевания стали (если б (ZDT) >8?10-5 1/K, то сталь имеет перитектическое поведение).

2. Исследование режимов работы зоны вторичного охлаждения

1 - вода, накапливающаяся между поверхностями роликов и заготовки; 2 - наиболее интенсивная зона теплоотвода в области прямого действия форсунки; 3 - зона минимального теплоотвода под роликом; 4 - твердая корочка

Система "Вторичное охлаждение" (PLC01) предназначена для управления режимами охлаждения оборудования водовоздушного охлаждения слитка в зоне вторичного охлаждения.

Подготовленная охлаждающая вода подается через фильтрующий элемент к зоне вторичного охлаждения ручья.

Вторичное охлаждение служит для форсуночного охлаждения слитка в зоне от низа кристаллизатора до выхода слитка на горизонтальный участок МНЛЗ. Контур охлаждения разомкнутый.

На общем подводе воды к ручью установлена задвижка с электрическим приводом, укомплектованная комплектом конечных выключателей, фиксирующих открытое, закрытое и заклиненное состояние задвижки. На общем подводе воды к ручью предусматривается установка фильтра. При подаче воды предусматривается контроль состояния фильтра по перепаду давления воды до и после фильтра. На общем подводе осуществляется стабилизация давления воды.

Воздух подается к зонам вторичного форсуночного охлаждения для организации лучшего распыления воды через форсунки охлаждения и таким образом более равномерного охлаждения слитка.

На общем подводе воздуха к ручью установлена задвижка с электрическим приводом, укомплектованная комплектом конечных выключателей, фиксирующих открытое, закрытое и заклиненное состояние задвижки. На общем подводе воздуха к ручью предусматривается установка фильтров. При подаче воды предусматривается контроль состояния фильтров по перепаду давления воды до и после фильтра

Функции, выполняемые системой "Вторичное охлаждение":

- контроль степени засоренности линейных сетчатых фильтров, установленных в магистралях подачи охлаждающей воды по перепаду давления;

- контроль состояния (открыты/закрыты) электронных задвижек;

- измерение давления охлаждающей воды на общем подводе к зонам вторичного охлаждения;

- измерение давления воздуха на общем подводе к зонам вторичного охлаждения;

- стабилизация давления воды на общем подводе к зонам вторичного охлаждения;

- измерение расхода и давления охлаждающей воды, подводимой по зонам

- вторичного охлаждения;

- контроль давления и расхода воздуха, используемого в каждой зоне для

- создания водовоздушной смеси;

- регулирование расходов охлаждающей воды, подаваемой на каждую зону

- вторичного охлаждения в зависимости от сортамента и скорости по табличным значениям;

- стабилизация давления воздуха, используемого в каждой зоне для создания водовоздушной смеси;

- допусковый контроль параметров охлаждения;

- дистанционное управление подачей охлаждающей воды;

- контроль и управление отсечными клапанами подвода воды к секциям

- ЗВО;

- измерение температуры поверхности слитка (для наладки ДСВО).

- Управление расходами воды на ЗВО осуществляется в следующих режимах:

- дистанционного управления с экрана станции оператора;

- автоматического управления по жесткой программе для каждого сортамента слитка, заложенной в контроллеры;

- автоматического управления по заданию с уровня 2 с оптимизацией охлаждения слитка на основе математической модели.

Подача охлаждающего компонента регулируется таким образом, чтобы температура поверхности слитка равномерно снижалась по мере его продвижения.

Для регулирования используются регулирующие клапаны с пневматическими исполнительными механизмам.

Для измерения расхода воды на охлаждение используются индукционные измерители расхода.

Для измерения расхода воздуха на охлаждение используются вихревые измерители расхода.

2.1.1 Динамическая система управления вторичным охлаждением

Используемые сокращения:

ДСУ - динамическая система управления;

ВО - вторичное охлаждение;

МПС - метод пропорциональных скоростей;

МДУ - метод динамического управления;

ЗВО - зона вторичного охлаждения;

ВВС - водовоздушная смесь;

НДС - напряженно-деформированное состояние.

ДСУ ВО предназначена для регулирования охлаждения слитка в зоне вторичного охлаждения как при постоянной, так и при изменяющейся скорости разливки. Предлагаемая ДСУ ВО базируется на оригинальных конструктивных элементах системы вторичного охлаждения разработки ООО "Корад" (коллекторах, форсунках, быстроразъемных соединений с фильтрами и т.д.), физическом и математическом моделировании теплообмена в ЗВО (для получения реальных характеристик применяемых форсунок) и математических моделях, позволяющих прогнозировать качество разливаемых слябов.

В процессе разливки проводится корректировка для расходов ВВС по секциям ЗВО по информации о: температуре стали в промковше и скоростном режиме разливки. При переходных режимах литья с целью обеспечения требуемого качества слитка формируются необходимые изменения режима ВО. Использование предлагаемой ДСУ ВО позволит стабилизировать качество поверхности и макроструктуры получаемых слябов и существенно сократить количество поверхностных и внутренних дефектов, связанных с организацией вторичного охлаждения.

В практике регулирования ВО в процессе затвердевания непрерывнолитой заготовки существуют два основных метода, а именно: - так называемый метод пропорциональных скоростей (МПС), когда расходы хладагентов зависят только от текущей скорости разливки, метод динамического управления (МДУ).

МПС основан, как правило, на использовании табличных значений расхода воды в зависимости от скорости разливки. В этом случае изменение расхода воды происходит одновременно на всех участках зоны вторичного охлаждения при изменении действительной скорости разливки. Процесс на основе табличных данных или уравнений управления разрабатывается сразу для всего ассортимента разливаемых заготовок с учетом их размера, химического состава и температуры разливаемой стали. МПС позволяет поддерживать требуемый температурный профиль при постоянном режиме разливки с достаточной точностью. Но при переходных режимах с изменением скорости разливки при использовании МПС могут образовываться переохлажденные или перегретые участки сляба из-за одновременного изменения интенсивности подачи охладителя во всех секциях зоны охлаждения. Как следствие, качество сляба значительно ухудшается.

МДУ ВО широко применяется на новых высокопроизводительных УНРС. Он позволяет минимизировать негативное влияние переходных процессов, влияющих на температурный профиль непрерывнолитой заготовки. В практике сталеплавильного производства известны различные алгоритмы процесса динамического контроля. Наиболее перспективным является использование интегральных геометрических и скоростных параметров, рассчитываемых в процессе разливки для конкретных управляемых элементов ЗВО. Используя интегральные параметры можно при построении алгоритма управления ВО отказаться от механизма логического определения переходного режима, что позволяет существенно упростить сам алгоритм и единым образом описать различные скоростные конфигурации переходных режимов разливки.

2.2 Характеристика форсунок