При этом, необходимо отметить, что температура поверхности слитков не может служить точным критерием, определяющим в последующем режиме нагрева в колодцах. В целом же, наиболее объективно оценить тепловое состояние слитков (а соответственно и режим нагрева) возможно лишь по времени нахождения слитков в изложницах. После закрытия крышки колодца температура в ячейке через 20 минут повысилась до 1050 С. Коксодоменный газ при этом, в колодец на отопление не подавался. Через 1 час после закрытия крышки температура колодца составила 1120 С. Через 2 часа 25 минут после закрытия крышки и 3 часа 15 минут от конца разливки начали подачу коксодоменного газа на отопление. Еще через 45 минут ячейка вышла на температуру томления 1280-1290 С. В режиме томления металл находился в течение 1 часа 20 минут.

В обобщенном виде изменение расчетной температуры поверхности 12,5 тонных слитков от разливки до выдачи в прокат приведена на рис. 2.3.1, а изменение температуры нагревательного колодца - на рис. 2.3.2.

При прокатке всех слитков, как во время захватов слитков, так и при обжатии слитка,наблюдались пониженные нагрузки (8/9 кА вместо 9/10 кА по обычной технологии, визуально трещинообразование практически отсутствовало. В целом нагрузки на НЗС также были на 3/5 % ниже, чем при прокатке обычных слитков, и составляли 0,9/1,1 кА, вместо 1,1/1,3 кА.

Рис. 2.3.1 - Диаграмма изменения расчетной температуры поверхности 12,5т слитков от разливки до выдачи в прокат продолжительность транспортировки и нагрева слитков

----- - регламентированный график

- с жидкой сердцевиной

1 - конец разливки; 2 - раздевание слитка; 3 - посад в нагревательный колодец; 4 - подача топлива; 5 - выдача в прокат

Это свидетельствует о целесообразности посада слитков с жидкой сердцевиной, так как это позволяет в наиболее рациональной форме проводить томление слитка в 2-х режимах с направленностью тепловых потоков изнутри слитка к поверхности, и за счет отопления колодца, от поверхности к центру.

Прокатки слитков с жидкой сердцевиной производилась донной частью вперед по схеме 24421, что предусмотрено действующей технологической инструкцией режимов обжатий.

От половины прокатанных слитков с жидкой сердцевиной, нагретых в одном нагревательном колодце, на 1250 тонных ножницах отбиралась минимально возможная обрезь, а от второй половины качества слитков отбиралась обрезь согласно установленных норм (см. табл. 2.3.4).

Рис. 2.3.2 - Диаграмма изменения температуры нагревательного колодца

а - нагрев по действующей технологии; б - нагрев слитков с повышенным теплосодержанием; 1 - температура колодца в начале посада; 2 - температура колодца в конце посада

Как видно из табл. 2.3.4, обрезь на слитках с жидкой сердцевиной, по режимам обычной технологии позволяет работать в рамках установленных норм и ниже нормы.

Таблица 2.3.4 - Обобщенные результаты отбора обрези по обычной и опытной технологии

* Примечание: норма обрези согласно технологической инструкции:

- с головной части - 0,85 метров или 5,0%;

- с донной части - 0,50 метров или 3,0%.

Итого по слитку 1,35 метров или 8%.

В то же время, опыты подтверждают возможность отработки технологии с установлением более низкой нормы обрези слитков с жидкой сердцевиной (за счет более полного усреднения при деформации центральных объемов слитка) с головной части, т.е. с 8% до 5,5-6,5% (на 1,5-2,5% или 15-20 кг/тонну).

С другой стороны, повышенная донная обрезь образуется во время так называемой технологической операции при обжиме - «накат», при которой отбираемая обрезь увеличивается против нормы в 1,5-2 раза. При проведении данной плавки, как равно и других, фиксировали ряд других технологических показателей. Наиболее важный из них - расход топлива, рис. 2.3.3.

Результаты, полученные в исследованиях, свидетельствуют о том, что абсолютный расход коксодоменного газа на нагрев слитка составил:

- в опытном варианте с жидкой сердцевиной - 6140 м³;

- в сравнительном варианте - 15300 м³.

Т.е. по сравнению с обычным нагревом экономия топлива достигает 14,5 кг условного топлива на 1 тонну всада, что в денежном выражении составляет 2,5 грн/тонну.

Рис. 2.3.3 - Диаграммы расходов газа на ячейке №34 по обеим технологиям нагрева стальных слитков марки 3ТРпс в нагревательных колодцах.

2.4. Сравнительная оценка качества опытного и сравнительного металла

Изучение качественных характеристик металла проводилось:

- в промежуточном сечении, т.е. в блюмсовом раскате сечением от 300х300 до 328х328 мм;

- в готовой для переката заготовки сечением 80х80 мм;

- в готовом прокате, т.е. в арматурном прокате качество металла оценивали по результатам отбора обрези на 1250-тонных ножницах Блуминга №2.

Установлено следующее:

- металл после проведенного томления в колодцах имел более высокие пластические характеристики, и более качественную структуру металла, что предопределило уменьшение отбираемой обрези в головных заготовках с 8 % до 5,5-6,5 %, т.е. на 1,5-2,5 % (табл. 2.4.1);

- визуально блюмсовый раскат на НЗС не имел глубоких трещин, преимущественно мелкие, а в готовом прокате количество их в опытном и сравнительном вариантах оставалось практически неизменным, хотя глубина трещин в опытном варианте была 1,2 мм при 2-3 мм и более в обычном варианте, что косвенно подтверждается оценкой макроструктуры на протравленных образцах отобранных от заготовок 80х80 мм.

Для оценки качества макроструктуры по обычной (а) и опытной (б) технологии были отобраны на плавке 9-1783 по всей высоте слитка темплеты от заготовок сечением 8080 мм (табл. 2.4.1. и 2.4.2 протоколы №43 результатов макроконтроля глубоким травлением в 25 % растворе соляной кислоты).

Как видно из таблиц 2.4.1, 2.4.2 качество макроструктуры опытного и сравнительного слитков было удовлетворительным, однако, и в этом случае и в других оценочно металл был всегда по структуре отличим между собой.

Очертания ликвационного квадрата на опытных слитках на всех горизонтах были менее заметны и более размыты, чем в сравнительном, что обусловлено на опытных слитках более низкой скоростью кристаллизационных процессов.

Принципиально, такое более равномерное распределение ликватов по сечению слитка и его высоте является более благоприятным, так как предполагает однородность механических, металлографических свойств в целом по всей плавке.

Обращает на себя внимание и тот факт, что на сравнительных слитках на темплетах от заготовок №4, 5, 6 следы вторичного теплового центра выражены более ярко (что негативно), тогда, как в опытном варианте это почти незаметно.

На этих же типичных фотографиях сравнительных темплетов видны трещины глубиной до 2-3 мм, тогда как в опытных количество их меньше на 6-9 %, а глубина их незначительна - 0,5-2 мм, что предполагает уменьшение количества вырубщиков на адьюстаже блумингов. Это объясняется тем, что при прокатке опытных слитков, равномерно прогретых по сечению и высоте, в значительно большей степени исчезают термические напряжения (практически реализован режим томления металла в слитках).

Таблица 2.4.1 - протокол результатов контроля макроструктуры глубоким травлением №43

Таблица 2.4.2 - протокол результатов контроля макроструктуры глубоким травлением №43

Рис. 2.4.2 - серные отпечатки металла сравнительного слитка

Рис. 2.4.2 - серные отпечатки металла сравнительного слитка

В табл. 2.4.3 (результаты проведены послиточно) показано, что головная обрезь на слитках с жидкой сердцевиной при уточнении технологических параметров может быть уменьшена с 5% до 2,5-3%, в связи с чем были отобраны макротемплеты по высоте слитков опытных и сравнительных (рис. 2.4.1, 2.4.2) из рассмотрения результатов наблюдений следует, что по обычной технологии на темплетах от заготовок:

№1 - ярко выраженный выход ликвационной зоны на поверхность заготовки;

№2 - ярко выраженная не сварившаяся усадка, брак;

№3 - браковочный признак подусадочной рыхлости, дающий в арматуре или катанке расслой.

Остальные заготовки по высоте слитка годные. На опытных слитках на темплетах заготовки №1 видны следы подусадочной рыхлости, остальные заготовки годные.

Норма обоези согласно технологической инструкции:

- с головной частью слитка - 0,85 м или 5,0%;

- с донной частью слитка - 0,50 м или 3,0%.

Для оценки ликвации химических элементов по высоте слитка и по сечению были проконтролированы содержание С, Mn, Si, S, P в точках (рис. 2.4.3).

Таблица 2.4.3 - Результаты отбора обрези на 1250т ножницах Блуминга №2 на плавки № 9-1783 ст. 3ТРПС.

Химический состав в каждой из точек контролировали спектральным методом и приведен в таблицах № 2.4.6, 2.4.7, а также на рис. 2.4.4.

Из таблиц 2.4.6 и 2.4.7, а также рис. 2.4.4 видно, что характер ликвационных явлений не изменился. Весь металл опытный и сравнительный был прокатан на мелкосортном стане 250-4 на арматурные профили №12 по стандарту ДСТУ 3760-98 на класс прочности А500С.

Рис. 2.4.3 - Содержание химических элементов в слитке

1 - по центру заготовки, точка Ц; 2 - на S диагонали, точка С; 3 - в краевой зоне заготовки, точка К.

Рис. 2.4.4 - химсостав металла (опытный и сравнительный слиток)

Рис. 2.4.4 - химсостав металла (опытный и сравнительный слиток)

- опытный слиток

- сравнительный слиток

Таблица 2.4.6 - Контрольный химанализ от заготовок по высоте слитка плавки ст3ТРПС (опытный) в точках

Таблица 2.4.7 - Контрольный химанализ от заготовок по высоте слитка плавки ст3ТРПС (сравнительный) в точках

2.5. Совершенствование технологии нагрева слитков с жидкой сердцевиной

Стрипперование слитков произведится через 30 минут от конца разливки. Начало нагрева слитков 75 минут от конца разливки (температура посада 940 °С согласно заводской инструкции по определению температуры поса-да). Температура колодца в конце посада 790 °С. Время выдержки без подачи топлива - 3 часа (180 минут). Расход газа после выдержки - 2000 м^э/ч. Общее время нагрева 3 часа 45 минут (225 минут). Температура томления 1270-1280 °С. Для сравнения результаты расчетных и экспериментальных данных приведены в табл. 2.5.1.

Из табл. 2.5.1 видно, что расчетная температура печи удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными, в течение первых двух часов вы-держки без подачи газа (время нагрева 0-120 минут). Максимальное откло-нение расчетной температуры печи от фактической к концу выдержки (180 минута нагрева) составило 34 °С. В последующие 25 минут (180-205 минут нагрева) расхождение в расчете температуры печи объясняется тем, что в экспериментальном нагреве после истечения времени выдержки был установлен постоянный расход газа 2000 м³/ч. После истечения, периода выдержки программой предусмотрена установка максимальной тепловой мощности (максимального расхода газа), до достижения контрольной температуры томления с последующим сокращением расхода топлива для обеспечения поддержания постоянной температуры печи.

Удельный расход условного топлива за нагрев по показаниям стационарного прибора на щите КИПиА составил 2,43 кгут/т, по расчетным данным 2,32 кгут/т, что является удовлетворительной точностью для расчетов. Анализ температурного поля слитков показал, что в момент выдачи в прокат (время нагрева 3 часа 45 минут (225 мин)) в донной части слитка была небольшая зона металла с температурой 1138 °С при средней по массе температуре 1265 °С.

Расчетный угар металла в момент выдачи составил 0,9 % от массы слитка (112,5кг). Изменение температуры торцов раската на ножницах показало, что температура головной части всех 12 слитков была в пределах 1235-1260 °С (по технологической инструкции 1200-1230 °С), донной части - 1210-1235 °С (по технологической инструкции 1160-1190 °С).

Температура внутри слитка должна быть не менее 1150-1160 °С. Поэтому время нагрева данной садки должно составлять 4 часа, т.е. на 15 минут больше.

На основе численных исследований разработана технология нагрева слитков с различным содержанием жидкой сердцевины в момент посада с учетом технологического состояния нагревательного колодца.

Суть технологии, уже применяемой на комбинате и других предприятиях, состоит в том, что после посада слитков в нагревательный колодец делается выдержка их без подачи топлива (кроме того газа, который подается через байпас), длительность, которой зависит от содержания жидкой сердцевины в слитках. Затем по истечении времени выдержки, слитки нагревают либо по стандартной технологии (включается максимальный расход газа в I периоде и задается контрольная температура в ячейке во II периоде нагрева), либо ограниченным расходом топлива в I периоде, составляющим 0,2-0,5 от максимального расхода до заданной контрольной температуры во II периоде.

Таким образом, нагрев слитков с жидкой сердцевиной осуществляется по трех стадийному режиму:

I- выдержка без подачи топлива;

II- нагрев при заданной тепловой мощности до контрольной температуры печи;

III - томление при заданной контрольной температуре в рабочем пространстве.

Продолжительность выдержки без подачи топлива зависит от технического состояния ячейки и количества газа, поступающего в горелочное устройство через байпас. Характерной особенностью нагревательных колодцев является то, что при полном закрытии регулировочного клапана и даже отсечного клапана некоторая часть газа все равно подается в горелку через байпас для безопасного зажигания факела при включении ячейки в режим нагрева.

Техническое состояние нагревательного колодца определяется состоянием кладки стен, крышки, песочных затворов, состоянием керамического рекуператора и других показателей, и характеризуется величиной мощности холостого хода, т.е. потерями тепла рабочим пространством. Мощность холостого хода ячейки легко определяется по расходу топлива, когда в рабочем пространстве колодца длительное время поддерживается заданная температура (обычно температура томления), а расход газа остается постоянным.

Более сложно определить расход газа, подающегося в рабочее пространство по байпасной линий. Измерить эту величину по стационарному прибору расхода газа на ячейку на представляется возможным, поскольку она находится в зоне нечувствительности прибора и вероятно составляет для колодцев блюминга-2 100-150 м³/ч. Определение расхода газа через байпас с некоторой погрешностью возможно путем прямого измерения перепада давления на измерительной диафрагме нагревательного колодца при полном закрытии отсечного клапана.

Для получения обобщенных результатов в расчеты для определения длительности выдержки без подачи топлива введена величина М_хх - М_б, где

М_хх = V_хх

М_б = V_б

где М_хх - мощность холостого хода ячейки, кВт;

М_б - мощность подаваемая по байпасной линии, кВт;

V_хх - расход газа при холостом ходе ячейки, м³/ч;

V_б - расход газа по байпасной линии, м³/с;

- теплота сгорания газа - 7118 кДж/м³ (1700 ккал/м³).

Результаты расчетного времени выдержки слитков с жидкой сердцевиной в нагревательном колодце блюминга №2 в зависимости от времени стрипперования и посада после конца разливки, для величины М_хх - М_б ⁼ 900, 1000, 1100 и 1200 кВт представлены в табл. 2.5.2 отдельно для садки из 12 слитков массой 12,5 т и садки из 16 слитков массой 8,4 т. С помощью ТТЛ комбината определено, что величина М_хх - М_б 1000 кВт. Как видно из таблицы 2.5.2, при М_хх - М_б = 1000 кВт и времени стрипперования 30 минут от конца разливки (как в настоящее время принято на мет комбинате) время выдержки без подачи газа изменяется от 180 до 120 минут при изменении времени посада от 60 до 120 минут от конца разливки для слитков массой 12,5 т и от 126 до 27 минут при изменении времени посада от 60 до 90 минут для слитков массой 8,4 т.

Таким образом, слитки массой 12,5 т, охлаждавшиеся на воздухе более 120 минут после конца разливки могут нагреваться по стандартной технологии, а слитки массой 8,4т по стандартной технологии могут нагреваться по истечении 90 минут после окончания разливки.

Результаты расчетов теплового состояния 12,5-тонных слитков, нагретых по предлагаемой технологии, представлены в табл. 2.5.3, а до новой и старой временным инструкциям комбината - в табл. 2.5.4. При выполнении расчетов принято, что время стрипперования слитков составляет 30 минут от конца разливки, М_хх - М_б = 1000 кВт, расход газа холостого хода ячейки V_xx = 630 м³/ч, расход газа через байпас V_б=126 м³/ч, теплота сгорания топ-лива 1700 ккал/м³, сталь - М3ПС, температура металла в момент разливки 1570 °С. В графах «выдержка на байпасном газе», «время кристаллизации» и «время готовности к прокатке (время нагрева)» указано время от начала на-грева. При выполнении расчетов принято, что нагрев слитков начинается при температуре в рабочем пространстве колодца 800°С. Готовность слитка определяется полным завершением процесса кристаллизации и отсутствием внутри слитка даже очень малого объема металла с температурой ниже 1150 °С. Для удобства восприятия результатов рядом с графой «Время от конца разливки» приведена графа «t °С посада», которая определялась по методике, действующей на комбинате.

Следует отметить, что более точной характеристикой теплового состояния слитков является время стрипперования и время посада от конца разливки. Как видно из табл. 2.5.3, существует оптимальная продолжительность ох-лаждения слитков на воздухе, которая обеспечивает минимальный угар металла. Для 12,5-тонных слитков при стрипперовании через 30 минут после окончания разливки оптимальным временем посада следует считать 90-120 мин (1,5-2,0 часа от конца разливки). Слитки, посаженные через 135 минут (2 часа 15 минут) от конца разливки могу быть нагреты с минимальной тепловой мощностью в I периоде, равной мощности холостого хода ячейки. В таблице приведен результат такого режима нагрева. Однако в практической работе для таких слитков расход газа в первом периоде следует устанавливать выше расхода газа холостого хода ячейки, поскольку мощ-ность холостого хода величина не постоянная и зависит от технического со-стояния колодца в данный момент.

Слитки, посаженные в колодец через 150 минут после окончания разливки, следует нагревать в соответствии с действующей технологической инструкцией, а температура томления может составлять 1280-1290 °С. Результаты расчетов теплового состояния слитков, нагретых по новой временной технологической инструкции комбината, приведенные в табл. 2.5.4, показывают, что время выдержки без подачи газа занижено, а для слитков с температурой посада 975 °С (время посада от конца разливки 60 минут) занижено и общее время нагрева, в результате чего процесс кристаллизации к моменту выдачи еще не завершился. Для завершения кристаллизации необходимо увеличить время нагрева на 20 минут.

Сокращение времени выдержки слитков в колодце без подачи газа приводит к увеличению длительности процесса кристаллизации и увеличению угара металла. Так, при температуре посада металла 940 °С (время посада 75 минут от конца разливки) и времени выдержки без подачи топлива 60 минут, кристаллизация слитков в колодце завершается через 261 минуту от начала нагрева. При общем времени нагрева 270 минут угар металла составляет 1,325 % от массы слитков.

Если время выдержки без подачи топлива увеличить до 140 минут (предлагаемая технология, табл. 2.5.3), то кристаллизация слитка завершится через 178 минут при общем времени нагрева 180 минут (на 1,5 часа меньше), а угар металла составит 0,815 % (на 0,51 % меньше). Это означает, что угар металла на каждом слитке снизится на 63 кг, т.е. на 760 кг на одной садке.

При температуре посада 880 °С (90 минут от конца разливки) время нагрева слитков по предлагаемой технологии и новой временной инструкции совпадают (150 минут), однако угар металла по предлагаемой технологии на 0,17 % меньше за счет увеличения времени выдержки слитков без подачи газа на 28 минут (табл. 2.5.3, 2.5.4).

Таблица 2.5.1 - сравнительные данные эксперементальных и расчетных исследований нагрева садки из 12 слитков стали М3ПС массой 12,5т

(плавка 9-1783, 7-06.01г, колодец №28)

В табл. 2.5.1 приняты следующие обозначения:

- время от конца разливки;

_н - время нагрева;

- средняя по массе температура;

- максимальная температура на поверхности слитка;

- минимальная температура внутри слитка;

- максимальная температура по оси слитка.

Таблица 2.5.2 - время выдержки слитков с жидкой сердцевиной в нагревательном колодце на байпасном газе для условий цеха Бл-2

М_хх - мощность холостого хода ячейки;

М_б - тепловая мощность ячейки на байпасном газе ();

V_б - расход газа через байпас, м³/ч

Таблица 2.5.3 - тепловое состояние слитков, нагретых по предлагаемой технологии, при выдаче в прокат

Сталь - М3ПС, t₀ = 1570 C, время стрипперования - 30 мин.

Таблица 2.5.4 - тепловое состояние слитков, нагретых по временным технологическим инструкциям, при выдаче в прокат

Сталь - М3ПС, t₀ = 1570C, время стрипперования - 30 мин.