Отчет по практике: Слиток с жидкой сердцевиной

Основными факторами, влияющими на толщину окалины, являются температура металла, продолжительность нагрева, химический состав печной атмосферы и стали. Константа окалинообразования зависит от температуры по экспоненциальному закону (уравнение Аррениуса). Температура, при которой начинается заметное окисление, для углеродистых и низколегированных сталей составляет 750-800°С, для высоколегированных сталей и сплавов - 950-1100°С. При этом необходимо отметить, что некоторые стали, не окисляющиеся при температурах до 1000°С, при более высоких подвержены "катастрофическому окислению" в связи с разрушением или оплавлением окалины и, как следствие, утратой ею защитных свойств. Это явление характерно для сталей с высоким содержанием кремния, вольфрама, молибдена.

Кинетический закон окисления характеризует механизм процесса: при параболическом законе определяющей является скорость диффузии и окалина обладает защитными свойствами. При линейном и пара линейном (смешанном) законах лимитирующими, являются реакции первого порядка (доставка кислорода к поверхности или внедрение ионов железа в кристаллическую решетку оксида), скорость которых не зависит от толщины окалины. Очевидно, что окисление металла в атмосфере с низким парциальным давлением кислорода (например, продукты неполного горения топлива, смеси СО-СО2 и т.д.) или в случае легированных и высоколегированных сталей должно подчинятся линейному или пара линейному кинетическим законам.

В нагревательных печах прокатных цехов нагрев осуществляется в продуктах полного горения топлива СО > 1 и поэтому в состав печной атмосферы наряду с С02, R2О и N2 обязательно входит и свободный кислород. Существенное изменение скорости окисления происходит при переходе от неполного сжигания топлива СО < 1 к полному СО > 1, сопровождающееся скачкообразным изменением парциального давления кислорода. При а < 0,9 снижение расхода воздуха приводит к уменьшению скорости окисления и при СО < 0,5 нагрев становится безокислительным. При увеличении коэффициента расхода воздуха более 1,1 скорость окалинообразования возрастает, а при достижении концентрации кислорода более 12-14% - достигает своего максимума и в дальнейшем практически не изменяется. В связи с отсутствием постоянного контроля состава продуктов сгорания и колебаниями калорийности и давления топлива процесс его сжигания практически не контролируется, что в одних случаях приводит к появлению в дымовых газах СО, в других - к значительному избытку кислорода. Это в конечном итоге является причиной снижения тепловой мощности печи, перерасхода топлива и повышенного угара металла. Особенно это характерно для нагревательных колодцев с верхней боковой горелкой, в которых содержание кислорода в печной атмосфере в период томления может достигать 12-14%, что связано с особенностями конструкции топливо сжигающего устройства. В настоящее время проводятся исследования, направленные на совершенствование сжигания топлива на этих печах и снижение угара металла при нагреве.

Все описанные выше факторы и определяют выбор рационального режима нагрева металла. При этом очевидно, что невозможно создать тепловой режим, позволяющий оптимизировать все технологические и экономические параметры одновременно.

Технология нагрева слитков холодного и теплого посадов из высокоуглеродистых и легированных сталей предусматривает три основных периода: медленный нагрев с учетом ограничений по термическим напряжениям, подъем температуры до контрольной при постоянной тепловой мощности печи и томление при этой температуре. Эта технология хорошо известна и ее реализация не вызывает обычно каких-либо трудностей.

Базовая технология нагрева слитков горячего посада также хорошо изучена и включает период подъема температуры печи до контрольной при постоянной тепловой мощности агрегата и выдержки при этой температуре. Производительность нагревательных колодцев может быть повышена с одновременным снижением неравномерности нагрева путем замены известного двухступенчатого режима форсированным трехступенчатым, включающем нагрев при постоянной тепловой мощности до температуры на 30-40°С более высокой, чем контрольная по обычной технологии, с последующим томлением сначала при постоянной температуре печи, а затем, при постоянной температуре поверхности. Промышленные испытания данного режима в условиях ОАО "Енакиевский металлургический завод" показали его эффективность, заключающуюся в повышении среднемассовой температуры слитков, снижении угара металла и энергозатрат на прокатку.

Особый интерес вызывает технология нагрева слитков с повышенным теплосодержанием, которая несмотря на некоторые недостатки позволяет существенно (на 40-50%) повысить производительность нагревательных колодцев, на 50-70% уменьшить расход топлива, на 3-5 кг/т потери стали с угаром [7, 8]. Такое повышение технико-экономических показателей достигается использованием теплоты, аккумулированной внутри не полностью закристаллизовавшихся слитков, для достижения требуемой для прокатки температуры. Сущность технологии тепловой обработки слитков с жидкой сердцевиной, применяемой на комбинате ОАО "Запорожсталь" и прошедшей успешную апробацию на металлургических комбинатах КГГМК "Криворожсталь" и ОАО "Мариупольский им. Ильича" [7], заключается в выдержке слитков в ячейке при отключенном топливе для завершения процесса кристаллизации и нагреве при постоянной тепловой мощности. Особенностью теплового состояния слитка перед его прокаткой является более высокая температура оси по сравнению с температурой поверхности.

Однако, несмотря на указанные выше преимущества, отработка и реализация этой технологии требует длительных по времени и дорогостоящих экспериментов, сопровождающихся дополнительными расходами энергоресурсов и возможным выходом брака, высококвалифицированного персонала, высокой организации и согласованной работы различных подразделений, точной и надежной систем КИП и автоматики. Решение данной задачи может быть в значительной степени упрощено при использовании компьютеризированной системы управления нагревом, аналогичной разработанной и внедренной НПО "Доникс" на комбинате ОАО "Запорожсталь". Особому анализу должно быть подвергнуто влияние нагрева слитков с жидкой сердцевиной на качество проката, так как уменьшение скорости кристаллизации неизбежно приведет к повышенной ликвации примесей, особенно серы, в центральную часть слитка, а следовательно, и к снижению механических свойств, расслою листа и т.д.

В связи с широким применением электронно-вычислительной техники и развитием теории оптимального управления технологическими процессами появилась возможность решения задач проектирования нагревательных устройств по заданным критериям оптимальности. Математическим аппаратом может служить теория управления системами с распределенными параметрами, разработанная А.Г. Бутковским. В настоящее время известен широкий круг исследований по решению частных задач, связанных с нагревом металла в камерных печах (наискорейший нагрев, по минимуму расхода топлива, по минимуму окалинообразования и т.д.) [9 - 12].

Наибольший интерес представляют с нашей точки зрения способы тепловой обработки слитков с минимальным окислением поверхности, так как, согласно [8], тепловые режимы по минимуму расхода топлива практически не дают выигрыша по сравнению с обычным комбинированным, рассмотренным ранее. Актуальность разработки и реализации таких режимов связана с тем, что зачастую суммарные потери от угара металла значительно превышают затраты на топливо при нагреве и электроэнергию при прокатке, что в конечном итоге зависит от соотношения между ценами стали, топлива и электроэнергии. При этом необходимо учитывать и опасность появления брака при прокатке вследствие вскрытия подкорковых и сотовых пузырей при обычном нагреве полуспокойных и кипящих марок стали.

Поставленная задача решалась различными методами: в работах Э.М. Гольдфарба [10] и С.А. Малого [11] использован принцип максимума Л.С. Понтрягина; С.И. Гинкула, Е.И. Казанцева, Г.П. Выпова [12] - симплекс-метод; Ю.И. Розенгарта с соавторами [9] - методы вариационного исчисления. Основными недостатками полученных решений является сложность их реализации на практике так как они либо были получены для тел простейшей формы с большими упрощениями, либо в качестве управляющей функции выбиралась температура поверхности металла.

В работах [2, 13] нами разработан режим нагрева слитков в нагревательных колодцах с минимумом окисления металла, который может быть использован в качестве составной части компьютеризированной системы управления. В соответствии с полученными результатами нагрев должен осуществляться в несколько этапов:

нагрев при достаточно высоком значении температуры среды. Этот этап завершается при достижении поверхностью температуры начала интенсивного окалинообразования;

выдержка при постоянной температуре поверхности слитка. Температурные и временные параметры зависят от размеров слитка и характера изменения константы окалинообразования. Целью этой выдержки является уменьшение перепада температуры по сечению слитка для осуществления следующего этапа;

быстрый нагрев поверхности слитка с одновременным обеспечением заданного качества. Использование данного режима приводит к некоторому снижению производительности отделения нагревательных колодцев и может быть рекомендован для нагрева слитков из легированных и высоколегированных марок стали холодного, теплого или горячего посада при наличии резерва производительности в отделении нагревательных устройств.

Вынужденное пересиживание слитков в нагревательных колодцах, связанное с неритмичностью работы прокатного стана, также является причиной увеличения удельного расхода топлива и интенсификации окалинообразования. Снизить негативное влияние простоев при существующей схеме работы отделения нагревательных устройств возможно путем перевода ячеек в режим высокотемпературного термоса, что в настоящее время осуществляется на КГГМК "Криворожсталь" [14] и ОАО "Енакиевский металлургический завод". Сущность технологии заключается в выдержке слитков после их посада при постоянной температуре печи, равной 950-1000°С, в течении времени прогнозируемого простоя. Выбор значения этой температуры зависит от тепловой мощности ячейки и длительности простоя. Применение этой технологии позволяет уменьшить угар металла на 20-25%, расход топлива на 8-10%, а также брак готового проката.

Нагрев слитков с повышенным теплосодержанием в нагревательных колодцах цеха бл-2

Нагрев 8,5-тонным слитков.

При температуре посада слитков от 900 до 930°С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 1.

Таблица.1.

Температура поверхности слитков при посаде, °С	Продолжительность нагрева с ограниченной подачей топлива (1ООО-15ОО нм3/час), мин.
900 – 910 915 - 930	20 30

При температуре посада слитков от 935 до 960°С устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 2.

Таблица 2.

Температура поверхности слитков при посаде, °С	Продолжительность выдержки без подачи топлива, мин.
935 – 940 945 - 960	30 45

Выдача слитков раньше установленного графика разрешается не более 15 мин.

Нагрев 12,5-тонных слитков.

При температуре посада слитков от 9ОО до 930°С устанавливается продолжительность первого периода нагрева с ограниченной подачей топлива согласно таблицы 3.

Таблица 3

Температура слитков, °С	Продолжительность нагрева, час. мин.		Температура °С
	с ограниченной подачей топлива.1OOO-l5ООнм3 /час	общая
900-915 920-925 930	0-30 0-45 0-45	по ТИ по ТИ 5-00	По ТИ По ТИ По ТИ

При температуре посада слитков от 900 до 930°С и выше устанавливается время выдержки металла в нагревательном колодце без подачи топлива согласно таблицы 4.

Таблицы 4

Температура поверхности посаде, °С	Продолжительность выдержки без подачи топлива час. мин.	Темпера-тура томле-ния. °С	Продолжительность нагрева, час. мин.
			после включения газа	общая
935	О-45	1300	4-15	5-00
940-945	1-00	128O	3-ЗО	4-ЗО
950-955	1-ЗО	126О-128О	2-ЗО	4-ОО
960-965	2-00	126О-128О	2-00	4-ОО
97О-985	2-30	1260-1280	1-4О	4-10
99О и выше	2-45	1260-1280	1-45	4-30

Выдача слитков раньше чем через 4 часа 50 мин. после конца разливки запрещается.

Совершенствование технологии нагрева слитков с жидкой сердцевиной

Стрипперование слитков производится через 30 минут от конца разливки. Начало нагрева слитков 75 минут от конца разливки (температура посада 940°С согласно заводской инструкции по определению температуры посада). Температура колодца в конце посада 790°С. Время выдержки без подачи топлива - 3 часа (180 минут). Расход газа после выдержки - 2000 мэ/ч. Общее время нагрева 3 часа 45 минут (225 минут). Температура томления 1270-1280°С. Для сравнения результаты расчетных и экспериментальных данных приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что расчетная температура печи удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными, в течение первых двух часов выдержки без подачи газа (время нагрева 0 - 120 минут). Максимальное отклонение 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5