Способ предотвращения повреждения кристаллизатора

(1 Ю (И 11)5 В 22 Э 1/16 ИЗО ЕТЕНИЯ ПОВР Ес допуст скорос я к ую обам авт п. осится к области тности к способа ения непрерыв ыщение наоврежденияние его ренсивности инт редставл а зависиной плотноссталлиэаторе макси ка в кр ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬ 1 ТИЯИПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВЩ(71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт металлургического машиностроения(57) Изобретение относитлургии, в частности к сп1 Изобретение от металлургии, в ча автоматического уп ным литьем металл Цель изобретени дежности предотвр,кристаллизатора и сурса путем прогн теплонагружения На чертеже п мость средней ити теплового пото от времени.матического управления непрерывнымлитьем металлов. Цель изобретения -повьппение надежности предотвращенияповреждения кристаллиэатора и увеличение его ресурса путем прогнозаинтенсивности теплонагружения. Способпредусматривает измерение скоростивытягивания у, расхода охлаждающейводы и ее нагрева, вычисление среднейплотности теплового потока с( в кристаллизаторе. В способе определяютпервый максимум на зависимости о отч при ч=у измеряют соответствующуюэтому моменту температуру металлав металлоприемнике е и рассчитываютна последующее время разливкивеличину прогноза максимальной плот ности теплового потока в кристаллили эта величина превовеличину, корректируюпрограмму разливки.1 ил. Поставленная пель достигается реализацией способа предотвращения повреждения кристаллиэатора, включающего измерение скорости вытягивания, расхода охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового потока в кристаллизаторе, при этом определяют первый максимумна зависимости средней плотности теплового потока в кристаллизаторе и от скорости вытягивания ч (или времени й ) в начале разливки, измеряют соответствующую этому моменту темпера1611564 30 туру металла в.металлоприемнике 1 и рассчитывают на последующее время разливки прогнозную величину максимальной плотности теплового потока в кристаллизаторе:л П(л) С(ь )-С Ы чЬ) (ьщкс %гч ф где й ; - температура ликвидус металла;Е(ь)и ч - программные зависимостилот времени температурылитья расплава и скорости 15вытягивания;ч - значение ч соответствую(щее и ,ш и и - константы, зависящие оттехнологии литья 20 и, если для какого-либо момента слвеличина пмок превышает допустимую величину, корректируют скоростную программу разливки в соответствии с решением, реализующим минимум Функционала вГ- (к, +Аа ) е амакс йл (2 где. - температура охлаждающей воды;К,Аи В - константы, зависящие от конструкции кристаллизаторау 35Т - время литья,Скоростную программу разливки корректируют в соответствии с решением,реализующим минимум функционалат(3) 40оТаков выполнение способа предотвращения повреждения кристаллизаторапозволяет предсказать интенсивностьтеплонагружения на период рабочей ско-,15рости вытягивания уже на стадии разгона вытягивания, причем предсказаниеинтенсивности в зоне максимальноготеплонагружения осуществляется посреднему в кристаллизаторе теплонагружению на этапе разгона.После старта вытягивания через 1020 с наблюдается максимум зависимостисредней плотности теплового потока о,вычисляемый по нагреву охлащцающейкристаллизатор. воды, от скорости вытягивания, при этом величина с 1 вычисляется не по всей площади кристаллизатора, а с учетом реальной длины слитка 1., которая на этапе разгонаменее длины кристаллизатора. Первоначальный рост и от времени с (или скорости ч) связан с постепенным прогревом стенок кристаллизатора. Последующее за максимумом л падение 1 связано с более быстрым ростом Е в сравнении с теплоотдачей от слитка, таккак пик теплонагружения существуетлишь на небольшой длине в зоне вводарасплава в кристаллизатор, далее плотность теплового потока о уменьшаетсяпо мере роста корочки слитка, Такимобразом, для малых величин 1 сравнимых с размером максимального теплонагружения (например, диаметром струирасплава или шагом вытягивания), величина о, рассчитанная на основестандартного калориметрирования кристаллизатораЧ= - 0 бз ) С1, воды,примерно равна величине л, - максимальной плотности теплового потокав кристаллизаторе, обусловленноготеплоотдачей от струи расплава к стенкам кристаллизатора, причем величинаотносится к тому значению ско"максрости вытягивания ч и температурерасплава в металлоприемникекоторые обусловили значение ц=1на этапе разгона.Значение и (ч 1,Е,) позволяетоценить Функцию л(ч,) для всехнаперед заданных значений ч(Й и 1согласно программе температурно-скоростного режима литья., Если турбулентная струя расплава набегает настенку перпендикулярно, то теплоотдача пропорциональна температур-.ому напору в степени 1 и скорости расплавав степени 0,5. При продольном набегалии струи лпропорциональна ч О,О 8при этом исходят из пропорциональности скорости струи расплава и скоростивытягивания слитка ч. Отсюда следуетсправедливость выражения (1), по кото, фЪрому вычисляют значения с 1 к,с) наинтервале 2сТ, где с, - моментл лкогда л=ц, Т - время окончаниялитья,161156 50 У каждого кристаллизатора есть допустимая величина интенсивности теплонагРУжениЯ Чакс, зависЯщаЯ отего конструкции и интенсивности ох 5лаждения, бпределяемая по термическимнапряжениям и базовым механическимсвойствам. Эксплуатация кристаллизатоРа пРи Чмакс Чмакс. не пРиводитк трещинам, разгару или короблениюстенок и ресурс его в этом случае лимитируется износостойкостью и можетдостигать сотен разливок. Таким образом, если расчет по уравнению (1)дает величины, не превынаювие диесс 1, 15то программа литья ие подлежит коррекгировке.Отсутствие в большинстве случаевзначений теплофизических свойств сталей (особенно для легированного металла) и точных расчетных методикзатвердевания не позволяет выполнитьрасчет Ч д до разливки. Поэтому наэтапе разгона может быть обнаружено,что Чмас(с) на всем рабочем периоде 25ч или в какие-то моменты превыситмакс рЧ ма кс 1 р если вести разливку по наме -ченной программе - зависимости ч(с,).Очевидно следует так скорректироватьпрограмму, чтобы минимизировать скорость накопления повреждений кристаллизатора, предотвращая тем самым егоразрушение или критическую деформацию и увеличивая ресурс.Наиболее распространенным случаемповреждения кристаллизаторов при термическом нагружении является накопление повреждений (деформаций), обусловленных ползучестью под действиемтермических нагружений. Известно, что 40скорость ползучести пропорциональнастепенной зависимости от напряженийи экспоненциальной Функции от температуры. Отсюда следует, что накопление повреждений за время плавки мож" , 45но описать Функционалом Р, (2).С наибольшей точностью это выражениеприменимо для случая малой стойкостикристаллизаторов, порядка 10-50 разливок, например, при изготовленииих стенок иэ меди,Константы К и В зависят от механических свойсть материала рабочихстенок кристаллиэатора. При выполнении стенок иэ меди и медных сплавов 55(бронз) влияние напряжений учитывается через К=3-5,5, причем для чистой меди К 5,5 для бронз К=З, Влияниетемпературы на повревдаемоств уииты 4 6вается через параметр В, равный частному от деления энергии активации разрушения (около 30 ккал/моль для меди)на универсальную газовую постоянную8,31 Дж/кмоль.Константа А определяет тепловоесопротивление стенки кристаллизатора,т,е. пропорциональность между плотностью теплового потока Ч и перепадом температур аТ по глубине стенки:ДТ"Ч( + ) Ч А,13С( Я(5)где 0 с - коэФФициент теплоотдачи отстенки к воде;- толщина стенки;ф - теплопроводность стенки.В случае большей стойкости, например при изготовлении стенок из бронзы на уровне 50-100 разливок, каждуюиз них можно представить как циклнагружения при малоцикловой усталости. Характерным параметром при этомявляется средняя за время разливкимаксимальная температура в кристаллизаторе. Отсюда следует, что минимизировать следует величину, пропорциональную Р (3).Скорректированная программа ч(,с )литья, полученная минимизацией Рили Р, выполняется регулированиемскорости вытягивания по ходу разливки. Для поиска минимума Р или Р вподынтегральное выражение подставляютизвестную из практики зависимостьТ(с) (с учетом скорости остыванияметалла в ковше) в видесс-К (с - Й ), (6)где 1 - температура металла в мо 1мент времени с,К - скорость падения температурыметалла в металлоприемникеэа счет остывания в ковше.Тогда решение задачи заключаетсяв отыскании неизвестной Функции ч(с)на интервале , к б - Т, при подставкеллкотоРой в (1) длЯ вычислениЯ Ч макс(с)и затем Чмакс(й) в (2) или (3) длявьмислеиий уЯчд, с 1 постигается,минимум. При этом поиск ч(с) долженбыть проведен на множестве ункцийс заданными ограничениями: по производительности ИНЛЗ, по длине жидкойфазы слитка, по толщине корочки акристаллиэаторе, по неперемерзаниюметаллопровода. Данная задача является задачей вариационного исчисленияи решается сведением к дифференциаль 1611564(1 =2 3- - ( - ) =1 62 ИВт/мг20 3 ОХМакс р 110 0,2Стенки кристаллкэатора толщиной 20 мм выполнены иэ меди теплонроводностью 380 Вт/м и охлаждаются водой с температурой 20 оС и коэФФициентом тееиютдачи 20000 Вт/мфК. Предельно допустимая тепловая нагрузка по темо пературе разупрочнения, равной 250 С, составляет250-20-----2 2 ИВт/мфчмакс 1 0 02+А20000 380. РасчетнаЯ величина маюпРевышает допустимую, поэтому необходимо корректировать скоростную программу, минимизируя Функционал ному уравнению с граничным условием Ч/3с с Ч теВ более общей постановке, при наличии н составе ИНЛЭ устройства подогрева стали в, конше или металлопри 5 емнике, может быть отдельно найдена и функция, Сй) с соответстнующкми огра" ничениями, в этом случае регулирует,ся по ходу питья, наряду с ч, величйна й, а время разливки Т пЬжет быть унеличено.Решение диФФеренциального уравнения для нахождения минимума осуществляет ЭВМ по стандартной подпрограмме. 15 .П. р и м е р 1. Разливку стали 35 из ковша емкостью 100 т осуществляют на ИНЛЗ горизонтального типа с двусторонним вытягиваниемв кристаллиэа.тор сечением 50 х 600 мм со средней ско ростью 2 р 5 м/мин за 90 мин. Значения технологических и конструкционных констант: ш=1, п,5, А=102,6 мК/МВт; В 15000018,31 ре К 3,5. Перегрев металла в металлоприемникеуменьшается равномерно е 110 оСдо 20 С при ско-, рости остывания 1 град./мин. Расход воды на кркстаплизатор 118 мф/ч. При стартовой скорости вытягивания 0,2 м/мин через 15 с после начала вытягивания заФиксирован первый максимум а , равный 2,3 ИВт/мф. Программа литья предусматривает разгон за 1 мин до ч=1-2 м/мин и затем постоянное ускорение до чЗ м/мин к концу 35 разливки, Расчет показал, что в течение рабочего периода величина ццас уменьшается от109 2 ОФЯ =2 3 - -(- - ) =7,2 ИВт/ммаис К 110 0,2 1 5 оооо 18 э 1М110-КГсПри К 1 2,3- - 1Маис р 1100,2Решение вариационной задачи далоследующую программу: литье на скорости 1 м/мин до 42-й мин, затем ускорение до 3,5 м/мин за 6 мин, и ведениеразливки на скорости 4 м/мин до окончания литья.П р и м е р 2. Прк всех условияхпримера 1 стенки выполнены из бронзытеплопроводностью 260 Вт/м с температурой разупрочнения 500 С. Величина1% мокс Зс 8 ИВтси. Корректируют скоростную программу, минимизируя функционал оР = 2 3 "-К 1"2 4 Р 110 0 2оРешение вариационной задачи даетследующую программуе разгон от 1,5до 2 м/мин плавно за 45 мин, увеличение до 3 м/мин и дальнейший ростплавно до 3,5 м/мин вплоть до 90 йминуты.Способ предотвращения повреждениякристаллиэатора позволяет снизитьинтенсивность теплонагруженкя до 107,эа счет этого ресурс кристаллкзатораувеличивается до 307,р исключаетсякатастрофическое разрушение кристаллизатора на произвольном сортаментеразливаемого металла,формула изобретения 1. Способ предотвращения повреждения кристаллкзатора, включающий измерение скорости вытягивания, расхода охлаждающей воды и ее нагрева, вычисление средней плотности теплового потока в кристаллкзаторер о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности предотвращения повреждения и увеличения ресурса кристаллизатора путем прогноза интенсивности теплонагруженкяр определяют первЫй максимум к на зависимости средней плотности теплового потока в кристаллизатореот скорости нытягивания ч н начале разливки, измеряют соответствующую этому моменту температуру металла в металлоприемнике С, рассчитывают .на последующее время разливки с прогнозную величину максимальной плотности теплового потока 1 ас в кРисталлизатоРе:10 91611564АсЬ)-с Р 1 йг ) ч(4)где С) и ч 1 - программные зависиствии с решением, реализующим минимум функционала Р по ч.)Т(,(С Л (Э и о А(иап щеО уде й - температура охлалдающей воды ф К, А иВЛРй =Чмакс (1" ф 8 7 8 го Ю ю)ки Составитель В.Аор Техред Л.Сердюков имов Корректор О.Ци Е.Пап едак акаэ 3794 Тиража 631 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета но иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 льский комбинат "Патен жгород, ул, Гагарина, 101 Проиэводственномости от времени 5температуры литьярасплава и скоростивытягивания;- температура ликвидусметалла;0ш и и - константы, завися-.щие от технологиилитья;ч, - значение ч, соот 15ветствующее ои, если для какого-либо моментавелличина о ,кпревышает допустимую величину ца, , корректируют скоростную программу разливки в соответконстанты, зависящие от .конструкции кристзллиза тора;Т - время литья,2Способ по п. 1, о т л и ч а ющ иЙ с я тем, что скоростную программу разливки корректируют в соответствии с решением, реализующим минимум функционала