RU2564192C1 - Soft reduction of continuously cast billet - Google Patents
Soft reduction of continuously cast billet Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564192C1 RU2564192C1 RU2014112832/02A RU2014112832A RU2564192C1 RU 2564192 C1 RU2564192 C1 RU 2564192C1 RU 2014112832/02 A RU2014112832/02 A RU 2014112832/02A RU 2014112832 A RU2014112832 A RU 2014112832A RU 2564192 C1 RU2564192 C1 RU 2564192C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zone
- melt
- soft
- compression
- reduction
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Continuous Casting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к технологии мягкого обжатия заготовки в процессе непрерывной разливки металла.The invention relates to metallurgy, and in particular to the technology of soft compression of the workpiece in the process of continuous casting of metal.
Технология мягкого обжатия непрерывно литой заготовки обеспечивает повышение однородности внутренней структуры металла и тем самым приводит к повышению качества металлургических слитков.The technology of soft reduction of continuously cast billets provides an increase in the uniformity of the internal structure of the metal and thereby leads to an increase in the quality of metallurgical ingots.
При осуществлении мягкого обжатия выявляется ряд проблем, касающихся определения границ зоны мягкого обжатия, обусловливающих качество непрерывнолитого слитка. В частности, в качестве указанной зоны необходимо определить тот участок слитка в зоне зумпфа в конце кристаллизации, который необходимо обжать для подавления осевой пористости металла.When performing soft reduction, a number of problems are identified regarding the definition of the boundaries of the soft reduction zone, which determine the quality of the continuously cast ingot. In particular, as the indicated zone, it is necessary to determine the section of the ingot in the sump zone at the end of crystallization that needs to be compressed to suppress the axial porosity of the metal.
Если по какой-то причине неправильно определена (сдвинута) только первая расчетная граница зоны относительно действительной (физической) границы в направлении к кристаллизатору, то в процесс деформирования вовлекается большее количество сегментов, увеличивается интенсивность обжатия, что приводит к риску образования внутренних трещин. При позднем начале мягкого обжатия, когда первая расчетная граница зона сдвинута в направлении к газорезке, эффект от мягкого обжатия уменьшается или отсутствует, так как в сечениях за вторым порогом проницаемости расплав теряет сплошность, и обеспечить приток расплава к границам кристаллизации становится невозможным. Следовательно, осуществление мягкого обжатия в этом случае приведет только к нежелательным нагрузкам на роликовый аппарат. Если сдвинуты обе расчетные границы зоны мягкого в направлении к кристаллизатору или газорезке, то может быть достигнут частичный эффект от мягкого обжатия, т.к. обжимается только часть слитка с образующимися кристаллизационными порами. Таким образом, эффективность мягкого обжатия зависит от точного определения границ зоны для осуществления данного процесса.If for some reason only the first calculated boundary of the zone relative to the actual (physical) boundary towards the mold is incorrectly defined (shifted), then a larger number of segments are involved in the deformation process, the compression rate increases, which leads to the risk of internal cracks. At the late start of soft reduction, when the first calculated boundary of the zone is shifted towards the gas cutter, the effect of soft reduction decreases or is absent, since the melt loses continuity in the sections beyond the second permeability threshold, and it becomes impossible to ensure the flow of melt to the crystallization boundaries. Therefore, the implementation of soft crimping in this case will only lead to undesirable loads on the roller apparatus. If both calculated boundaries of the soft zone are shifted towards the mold or gas cutter, then a partial effect of soft reduction can be achieved, since only part of the ingot with the resulting crystallization pores is crimped. Thus, the effectiveness of the soft reduction depends on the exact determination of the boundaries of the zone for the implementation of this process.
Известен способ контроля мягкого обжатия из реферата к патенту CN №102416454 «Способ контроля мягкого обжатия непрерывнолитой заготовки», основанный на управлении обжатием с помощью программы, в которой реализована термодинамическая модель затвердевания заготовки.A known method of controlling soft compression from the abstract to CN patent No. 102416454 "Method for controlling soft compression of a continuously cast billet", based on controlling compression using a program that implements a thermodynamic model of solidification of the billet.
При реализации способа по патенту CN №102416454 велика вероятность некорректного определения границ мягкого обжатия, т.к. при использовании термодинамической модели определение первой (передней) границы мягкого обжатия невозможно определить точное значение границы мягкого обжатия без учета происходящих в двухфазной зоне физических явлений, таких как движение расплава.When implementing the method according to CN patent No. 102416454, the probability of incorrect determination of the boundaries of soft reduction is high, since when using the thermodynamic model, determining the first (front) edge of the soft reduction is impossible to determine the exact value of the boundary of the soft reduction without taking into account physical phenomena occurring in the two-phase zone, such as melt motion.
Известен способ мягкого обжатия непрерывнолитой заготовки (описание к патенту RU №2226138), включающий определение протяженности твердожидкой фазы (т.е. участок между границами зоны мягкого обжатия) по расчетной формуле с использованием эмпирических коэффициентов, учитывающей состав стали и режим вторичного охлаждения.A known method of soft compression of a continuously cast billet (patent RU No. 2226138), which includes determining the extent of the solid-liquid phase (i.e., the section between the boundaries of the soft compression zone) using the calculation formula using empirical coefficients taking into account the composition of the steel and the secondary cooling mode.
При использовании данного способа необходимо предварительно определять коэффициенты, и, следовательно, невозможно учесть в режиме реального времени все многообразие изменений химического состава стали, размеров поперечного сечения слитка и расходов воды на зоны вторичного охлаждения при разливке «плавка на плавку», а также технологические замедления скорости разливки и ее последующие увеличения, которые существенно влияют на перемещение границ кристаллизации вдоль технологического канала машины непрерывного литья заготовок. Следовательно, такой способ ненадежен с точки зрения точности определения границ мягкого обжатия.When using this method, it is necessary to determine the coefficients in advance, and therefore, it is impossible to take into account in real time the whole variety of changes in the chemical composition of steel, the dimensions of the cross section of the ingot, and the flow rate of water to the secondary cooling zones during casting “melting to melting”, as well as technological slowdowns casting and its subsequent increases, which significantly affect the movement of crystallization boundaries along the technological channel of the continuous casting machine. Therefore, such a method is unreliable in terms of the accuracy of determining the boundaries of the soft reduction.
Из описания к патенту RU №2245214 известен способ мягкого обжатия заготовки при непрерывной разливке металла, выбранный в качестве ближайшего аналога. Данный способ включает определение границ мягкого обжатия с использованием математической термодинамической модели, сочетающей зависимость затвердевания (кристаллизации) от температуры в двухфазной зоне с твердой оболочкой и жидкой осевой зоной, причем первую границу зоны мягкого обжатия настраивают автоматически, а именно: при входе заготовки в редукционную клеть задана граница затвердевания между затвердевшей оболочкой и жидкой осевой зоной.From the description of the patent RU No. 2245214, a method is known for soft crimping a workpiece during continuous casting of metal, selected as the closest analogue. This method includes determining the boundaries of soft compression using a mathematical thermodynamic model that combines the temperature dependence of solidification (crystallization) in a two-phase zone with a hard shell and a liquid axial zone, the first border of the soft reduction zone being set automatically, namely: when the workpiece enters the reduction stand a solidification boundary is set between the hardened shell and the axial liquid zone.
При реализации указанного способа проявляются следующие недостатки. Создание математической термодинамической модели, основанной на уравнении теплопроводности, дает возможность рассчитывать, на каком расстоянии от мениска расплава в кристаллизаторе расположены сечения в зумпфе в конце кристаллизации, с различным процентным содержанием жидкой фазы в двухфазной зоне зумпфа от ликвидуса до солидуса, но при этом остается неопределенность в положении первой (передней) границы зоны мягкого обжатия. В соответствии с патентом RU №2245214 ее задают, т.е. назначают соответствие первой границы зоны положению сечения заготовки с содержанием жидкой фазы на центральной оси слитка в двухфазной зоне, например, 80%, 70% или с любым другим процентным содержанием в зависимости от выбора технолога. Иными словами, первую границу мягкого обжатия задают по изолиниям - линиям, каждая из которых соответствует процентному содержанию жидкой фазы в двухфазной зоне в координатах: по оси X - расстояние от мениска до рассматриваемого поперечного сечения слитка, ось Y - расстояние до слоя с указанным процентным содержанием жидкой фазы в двухфазной зоне от наружной поверхности заготовки.When implementing this method, the following disadvantages appear. Creating a mathematical thermodynamic model based on the heat equation makes it possible to calculate at what distance from the mensiscus of the melt in the mold sections are located in the sump at the end of crystallization, with different percentages of the liquid phase in the biphasic zone of the sump from liquidus to solidus, but there remains uncertainty in the position of the first (front) border of the soft reduction zone. In accordance with patent RU No. 2245214 it is set, i.e. assign the correspondence of the first boundary of the zone to the position of the workpiece cross section with the liquid phase content on the central axis of the ingot in the two-phase zone, for example, 80%, 70%, or with any other percentage, depending on the choice of the technologist. In other words, the first boundary of the soft reduction is set along contours - lines, each of which corresponds to the percentage of the liquid phase in the two-phase zone in coordinates: along the X axis is the distance from the meniscus to the cross section of the ingot under consideration, the Y axis is the distance to the layer with the specified percentage liquid phase in a two-phase zone from the outer surface of the workpiece.
При этом положение сечений с соответствующим содержанием жидкой фазы в двухфазной зоне рассчитывается, но привязка начала обжатия к какому-либо сечению (соответствующему изолинии) задается по какому-то значению содержания жидкой фазы на центральной оси сляба в зумпфе, которому, по мнению технолога, соответствует начало обжатия. Таким образом, при наличии указаний о необходимости достижении соответствия расчетной и задаваемой границ на входе в редукционную клеть (роликовый сегмент), положение первой границы зоны мягкого обжатия определяется волевым порядком путем привязывания ее к сечению с каким-либо содержанием жидкой фазы в двухфазной зоне. В действительности такой подход (при задании границы) может приводить к раннему или позднему мягкому обжатию при сохранении вышеописанных последствий несоответствия расчетных и фактических границ и, следовательно, снижает эффективность процесса мягкого обжатия.In this case, the position of the sections with the corresponding content of the liquid phase in the two-phase zone is calculated, but the binding of the beginning of the compression to any section (corresponding to the isoline) is set according to some value of the content of the liquid phase on the central axis of the slab in the sump, which, according to the technologist, corresponds to start of crimping. Thus, if there is evidence of the need to achieve compliance with the calculated and specified boundaries at the entrance to the reduction stand (roller segment), the position of the first boundary of the soft reduction zone is determined by the will order by tying it to the section with any content of the liquid phase in the two-phase zone. In reality, this approach (when setting the boundary) can lead to early or late soft reduction while maintaining the above consequences of the mismatch between the calculated and actual boundaries and, therefore, reduces the efficiency of the soft reduction process.
Следует отметить, что разнообразие химического состава стали предопределяет дифференцированное содержание жидкой фазы, соответствующее первому порогу проницаемости (первой границе) в диапазоне 30-90%. Даже при разливке стали определенного химического состава в зависимости от изменяющейся скорости литья проницаемость твердожидкой зоны зумпфа и содержание жидкой фазы, соответствующее первому порогу проницаемости, изменяется в широком диапазоне, что отрицательно сказывается на возможности задавать первую границу зоны мягкого обжатия.It should be noted that the diversity of the chemical composition of steel determines the differentiated content of the liquid phase corresponding to the first threshold of permeability (first boundary) in the range of 30-90%. Even when casting steel of a certain chemical composition, depending on the changing casting speed, the permeability of the solid-liquid sump zone and the liquid phase content corresponding to the first permeability threshold vary over a wide range, which negatively affects the ability to set the first boundary of the soft reduction zone.
В известном способе величину обжатия (разницу растворов роликов на входе и выходе их роликового сегмента) тоже приходится задавать априори, потому что моделирование обжатия с использованием приведенных уравнений описанной термодинамической модели не содержит параметров, которые бы были связаны с величиной обжатия.In the known method, the amount of compression (the difference between the solutions of the rollers at the input and output of their roller segment) also has to be set a priori, because the compression simulation using the above equations of the described thermodynamic model does not contain parameters that would be related to the amount of compression.
Для уточнения границ зоны мягкого обжатия и величины обжатия возможно использовать экспериментальные данные о качестве темплетов, отобранных после окончания кристаллизации (по показателю осевой рыхлости). Однако данное обстоятельство означает несинхронность процесса мягкого обжатия с процессом анализа его эффективности, т.к. темплеты отбираются с существенным отставанием по времени от процесса мягкого обжатия, следовательно, снижается оперативность настройки системы мягкого обжатия. Это характеризует способ в качестве неоптимального.To clarify the boundaries of the soft compression zone and the compression size, it is possible to use experimental data on the quality of the templates selected after crystallization (according to the axial friability index). However, this circumstance means that the process of soft reduction is not synchronous with the process of analyzing its effectiveness, because the templates are selected with a significant lag in time from the process of soft reduction, therefore, the efficiency of setting up the system of soft reduction is reduced. This characterizes the method as non-optimal.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности мягкого обжатия, а технический результат - в повышении точности определения положения передней границы зоны мягкого обжатия и величины обжатия.The problem to which the invention is directed, is to increase the efficiency of soft compression, and the technical result is to increase the accuracy of determining the position of the front border of the zone of soft compression and the amount of compression.
Поставленная задача решается тем, что в способе мягкого обжатия непрерывнолитой заготовки с двухфазной зоной, включающем расчетное определение положения границ зоны мягкого обжатия от мениска расплава в кристаллизаторе в режиме реального времени, обжатие заготовки роликовыми секциями в расчетных границах с позиционированием роликовых секций с гидроцилиндрами, новым является то, что в качестве расчетного положения первой границы зоны мягкого обжатия выбирают поперечное сечение заготовки, в котором расчетное давление расплава в двухфазной зоне на центральной оси заготовки при нулевом обжатии равно давлению растворенных газов в интервале значений от 0 Н/м2 до 500 Н/м2, а величину обжатия выбирают из условия, при котором гидродинамическое давление расплава в границах зоны мягкого обжатия, включая сечение, соответствующее второй границе зоны мягкого обжатия, и содержащей 18-20% жидкой фазы, выше указанного интервала значений.The problem is solved in that in the method of soft compression of a continuously cast billet with a two-phase zone, including the calculation of the position of the boundaries of the zone of soft compression from the meniscus of the melt in the mold in real time, compression of the workpiece by roller sections at design boundaries with the positioning of roller sections with hydraulic cylinders, is new that as the calculated position of the first boundary of the soft reduction zone, a cross section of the workpiece is selected in which the calculated melt pressure in two ase zone on the central axis of the workpiece at zero crimping equal to the pressure of the dissolved gases in the range of from 0 N / m 2 to 500 N / m 2, and the size reduction is selected from the condition in which the hydrodynamic pressure of the melt within the boundaries of the soft reduction zone, including section corresponding to the second boundary of the soft reduction zone, and containing 18-20% of the liquid phase, above the specified range of values.
Сущность изобретения поясняется следующим образом.The invention is illustrated as follows.
Для повышения точности определения положения первой границы зоны мягкого обжатия учитывают движение расплава в слитке на основе расчета давления расплава, соотносимого с давлением растворенных газов. Минимальное давление расплава соответствует давлению растворенных газов (от 0 н/м2 до 500 н/м2). При таком давлении движение расплава к границам кристаллизации прекращается, и при кристаллизационной усадке ввиду отсутствия притока расплава появляются поры. Поперечное сечение сляба, в котором давление расплава соответствует указанному диапазону, соответствует положению первого порога проницаемости или первой (передней) границе зоны мягкого обжатия. Начиная с местоположения этого сечения нажатием роликами на корку сляба необходимо создать давление выше указанного диапазона и направить расплав к границам кристаллизации, компенсируя таким образом образование пор притоком в образующиеся пустоты жидкого расплава. Информацию о местоположении поперечного сечения, где это давление соответствует указанному диапазону без применения мягкого обжатия, можно получить на основе расчета давления расплава при отсутствии обжатия.To increase the accuracy of determining the position of the first boundary of the soft reduction zone, the movement of the melt in the ingot is taken into account based on the calculation of the melt pressure, which is correlated with the pressure of dissolved gases. The minimum melt pressure corresponds to the pressure of dissolved gases (from 0 n / m 2 to 500 n / m 2 ). At this pressure, the movement of the melt to the crystallization boundaries ceases, and upon crystallization shrinkage due to the absence of melt influx, pores appear. The cross section of the slab, in which the melt pressure corresponds to the specified range, corresponds to the position of the first permeability threshold or the first (front) border of the soft reduction zone. Starting from the location of this section, by pressing the slab peel with rollers, it is necessary to create a pressure above the specified range and direct the melt to the crystallization boundaries, thereby compensating for the formation of pores by the influx into the resulting voids of the liquid melt. Information on the location of the cross section where this pressure corresponds to the specified range without applying soft compression can be obtained based on the calculation of the melt pressure in the absence of compression.
Поскольку во всех способах определение первой границы зоны мягкого обжатия является расчетным и требует соответствующей математической модели на основе системы дифференциальных уравнений, то отличительный признак изобретения «расчетное давление» означает, что в применяемой для расчета математической модели должен присутствовать его расчет.Since in all methods the determination of the first boundary of the soft reduction zone is calculated and requires an appropriate mathematical model based on a system of differential equations, the distinguishing feature of the invention is "calculated pressure" means that its calculation must be present in the mathematical model used for calculation.
Физические явления процесса образования пор на центральной оси заготовки поясняются на примере математической модели, учитывающей как тепловые и диффузионные процессы в слитке, так и гидродинамические явления в двухфазной зоне, описываемые уравнениями неразрывности и импульса.The physical phenomena of the process of pore formation on the central axis of the workpiece are illustrated by the example of a mathematical model that takes into account both thermal and diffusion processes in the ingot, and hydrodynamic phenomena in the two-phase zone, described by continuity and momentum equations.
Положение передней границы определяется по величине гидродинамического давления, что имеет строгую физическую трактовку: первая граница мягкого обжатия соответствует сечению, в котором давление расплава стало равно давлению растворенных газов. Это условие, при котором прекращается просачивание жидкого расплава между дендритами и формируются кристаллизационные поры. Иными словами, при указанном равенстве давлений сила, движущая расплав к границам кристаллизации, отсутствует, следовательно, создаются условия образования кристаллизационных пор, не скомпенсированных затеканием расплава в места их возникновения.The position of the front boundary is determined by the magnitude of the hydrodynamic pressure, which has a strict physical interpretation: the first boundary of the soft reduction corresponds to the cross section in which the melt pressure becomes equal to the pressure of the dissolved gases. This is the condition under which the leakage of liquid melt between dendrites ceases and crystallization pores are formed. In other words, with the indicated equality of pressures, the force moving the melt toward the crystallization boundaries is absent; therefore, the conditions for the formation of crystallization pores are created that are not compensated by the flow of the melt to the places of their origin.
Ниже рассматривается квазиравновесная математическая модель, построенная на основе теории двухфазной зоны для бинарного сплава и расширенная с учетом гидродинамических процессов в двухфазной зоне:Below we consider a quasi-equilibrium mathematical model based on the theory of a two-phase zone for a binary alloy and expanded to take into account hydrodynamic processes in a two-phase zone:
где Т - текущая температура в сечении слитка, °С; х - координата вдоль узкой грани слитка, м; у - координата в направлении вытягивания слитка, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К); с - теплоемкость, Дж/(кг×К); ρ - плотность, кг/м3; u - скорость разливки, м/с;where T is the current temperature in the cross section of the ingot, ° C; x - coordinate along the narrow face of the ingot, m; y is the coordinate in the direction of pulling the ingot, m; λ is the coefficient of thermal conductivity, W / (m × K); s is the specific heat, J / (kg × K); ρ is the density, kg / m 3 ; u is the casting speed, m / s;
L - удельная теплота кристаллизации, Дж/кг; S - содержание жидкой фазы;L is the specific heat of crystallization, J / kg; S is the content of the liquid phase;
С - концентрация примеси; D - коэффициент диффузии, м2/с; k(С) - равновесный коэффициент распределения; νx, νy - скорость движения расплава в поперечном и продольном направлении, м/с; Р - гидродинамическое давление, н/м2; ρs - плотность закристаллизовавшегося металла, кг/м3; ρl - плотность расплава, кг/м3; Δρ=(ρs-ρl) - скачок плотности сплава при кристаллизации; g - ускорение свободного падения, м/с2; т(S) - коэффициент проницаемости двухфазной зоны, м2; n - структурная константа двухфазной зоны; µ - коэффициент динамической вязкости расплава, Нс/м2; R - дендритный размер, м; φ - угол между вертикальной линией и касательной к технологической линии МНЛЗ; Y - удельное содержание пор; Pk - прочность расплава, Н/м2; 
В представленной системе уравнений (1) - уравнение теплопроводности; (2) -уравнение диффузии; (3) - условие квазиравновесия; (4) - уравнение неразрывности течения, (5, 6) - уравнения сохранения импульса; (7) условие первого порога проницаемости; (8) - проницаемость двухфазной зоны; (9) - условие образования распределенных пор.In the presented system of equations (1) - the heat equation; (2) the diffusion equation; (3) - condition of quasiequilibrium; (4) —the equation of continuity of the flow; (5, 6) —the equations of conservation of momentum; (7) the condition of the first permeability threshold; (8) - permeability of the two-phase zone; (9) is the condition for the formation of distributed pores.
Краевые условия состоят из начальных и граничных условий. Начальные условия определяют температурное поле, поле концентраций примеси, содержание жидкой фазы слитка, гидродинамическое давление и скорость движения расплава в начальный момент времени. Граничные условия определяют теплообмен и массообмен на внешней поверхности слитка, а также условия для давления и скорости расплава на границах двухфазной зоны.Boundary conditions consist of initial and boundary conditions. The initial conditions determine the temperature field, the field of impurity concentrations, the content of the liquid phase of the ingot, the hydrodynamic pressure, and the speed of the melt at the initial time. Boundary conditions determine heat transfer and mass transfer on the outer surface of the ingot, as well as conditions for pressure and melt velocity at the boundaries of the two-phase zone.
Полученная система уравнений (1)÷(9) замкнута и в совокупности с начальными и граничными условиями может быть решена численными методами. Приведенная система уравнений позволяет определить скорость движения расплава и ее влияние на температурное поле слитка, на поле концентрации примеси и на относительное количество жидкой фазы в двухфазной зоне слитка при кристаллизации. Образование в элементе объема двухфазной зоны распределенных пор начинается с момента разрыва в этом объеме жидкой составляющей, и к завершению кристаллизации возникший объем пор принимает величину, которая описывается уравнением (9). Модель учитывает проницаемость двухфазной области (8), которая влияет на скорость движения расплава и давление расплава. Величина давления расплава и распределение его на участке между первой и второй границами зависит от величины обжатия (разности растворов роликов на входе и выходе из роликовых сегментов, участвующих в обжатии).The resulting system of equations (1) ÷ (9) is closed and, in combination with the initial and boundary conditions, can be solved by numerical methods. The above system of equations allows one to determine the speed of the melt and its effect on the temperature field of the ingot, on the concentration field of the impurity and on the relative amount of the liquid phase in the two-phase zone of the ingot during crystallization. The formation of distributed pores in the volume element of the two-phase zone of the two-phase zone starts from the moment the liquid component ruptures in this volume, and by the end of crystallization, the resulting pore volume takes the value described by equation (9). The model takes into account the permeability of the two-phase region (8), which affects the melt velocity and melt pressure. The magnitude of the melt pressure and its distribution in the area between the first and second boundaries depends on the size of the compression (the difference between the solutions of the rollers at the inlet and outlet of the roller segments involved in the compression).
Учет величины обжатия слитка в математической модели (уравнения 1-9) осуществляется через граничные условия для уравнений неразрывности и импульса (4-6): твердые границы перемещаются в соответствии с величиной обжатия твердой корки слитка.The value of the ingot compression in the mathematical model (
Что касается интервала значений гидродинамического давления в расплаве в двухфазной зоне от 0 Н/м2 до 500 Н/м2 при нулевом значении обжатия, то исследованиями авторов на описанной выше математической модели подтверждено, что при таком давлении движение расплава отсутствует.As for the range of hydrodynamic pressure in the melt in the two-phase zone from 0 N / m 2 to 500 N / m 2 at zero compression value, the studies of the authors on the mathematical model described above confirmed that at this pressure the melt does not move.
Значение гидродинамического давления в расплаве в двухфазной зоне выше давления растворенных газов (более 500 Н/м2) свидетельствует о том, что расплав приобретает подвижность, частицы расплава движутся в места, где высвобождается объем, т.е. движутся к границам кристаллизации, вблизи которых из-за скачка плотности при переходе из жидкого в твердое состояние при кристаллизации высвобождается объем в виде усадочных пор. Движение расплава в места высвобождения объема и заполнение этого объема происходит синхронно с его высвобождением, тем самым происходит компенсация (подавление) порового пространства, влияющая на эффективность мягкого обжатия.Meaning of hydrodynamic pressure in the melt in a two phase zone of higher dissolved gas pressure (more than 500 N / m 2) indicates that the melt acquires mobility melt particles move to the places where the volume is released, i.e., move to the boundaries of crystallization, near which, due to a density jump during the transition from liquid to solid, crystallization releases a volume in the form of shrink pores. The movement of the melt in the place of release of the volume and the filling of this volume occurs simultaneously with its release, thereby compensating (suppressing) the pore space, affecting the effectiveness of soft compression.
Расчеты авторов настоящего изобретения по математической модели кристаллизации позволили доказать, что приложение усилия обжатия в сечении заготовки, совпадающем с первой границей зоны мягкого обжатия, приведет к движению расплава к границам фронта кристаллизации и уменьшит в конечном итоге остаточное поровое пространство и, как следствие, осевую пористость и осевую химическую неоднородность.The calculations of the authors of the present invention according to the mathematical crystallization model made it possible to prove that the application of a compression force in the billet cross section coinciding with the first boundary of the soft compression zone will lead to the movement of the melt to the boundaries of the crystallization front and ultimately reduce the residual pore space and, as a result, axial porosity and axial chemical heterogeneity.
Положение второго порога проницаемости (второй границы) также зависит от технологических факторов, учитываемых с помощью теплофизической модели, но в значительной мере определяется содержанием жидкой фазы в сечении слитка, равным 18-20%, что подтверждено многочисленными исследованиями в этой области знаний кристаллизации металлов. Кроме того, расчетами на перколяционной модели доказано, что именно при таком малом содержании жидкой фазы в двухфазной зоне невозможно организовать движение расплава к границам кристаллизации при любом, даже значительном обжатии заготовки.The position of the second permeability threshold (second boundary) also depends on technological factors taken into account using the thermophysical model, but is largely determined by the content of the liquid phase in the cross section of the ingot, equal to 18-20%, which is confirmed by numerous studies in this area of knowledge of metal crystallization. In addition, calculations on the percolation model proved that it is precisely with such a small content of the liquid phase in the two-phase zone that it is impossible to organize the movement of the melt to the crystallization boundaries during any, even significant reduction of the preform.
Величину обжатия определяют также по расчетному значению гидродинамического давления - в зоне обжатия оно должно быть выше давления растворенных газов в интервале от 0 Н/м2 до 500 Н/м2.The amount of compression is also determined by the calculated value of the hydrodynamic pressure - in the compression zone, it should be higher than the pressure of dissolved gases in the range from 0 N / m 2 to 500 N / m 2 .
Для настраивания величины обжатия с использованием математической модели в режиме реального времени по показаниям датчиков перемещений штоков гидроцилиндров постоянно регистрируются величины растворов роликовых секций, (определяется разность соответствующих растворов на входе и выходе из роликовых сегментов, т.е. определяется величина обжатия), которые вводятся в уравнение импульса и уравнение неразрывности течения расплава в созданной математической модели. Таким образом, программируемый блок управления, в котором реализована созданная математическая модель кристаллизации заготовки, по результатам расчета величины и распределения давлений расплава в границах зоны мягкого обжатия автоматически изменяет величину обжатия до значений, при которых давление не менее давления растворенных газов имеет место на всем участке мягкого обжатия, включая поперечное сечение, соответствующее второй границе зоны. Например, если при некоторой величине обжатия давление расплава упало до значений в диапазоне от 0 Н/м2 до 500 Н/м2 между двумя границами зоны, то программируемый блок управления итерационно увеличивает величину обжатия до значений, при котором давление расплава падает до величины в указанном интервале только в сечении, соответствующем второй границе зоны мягкого обжатия (второму порогу проницаемости).To adjust the amount of compression using a real-time mathematical model according to the readings of the displacement sensors of the hydraulic cylinder rods, the solutions of the roller sections are constantly recorded (the difference between the corresponding solutions at the inlet and outlet of the roller segments is determined, i.e., the amount of compression is determined), which are entered into the equation of momentum and the equation of continuity of the melt flow in the created mathematical model. Thus, the programmable control unit, in which the created mathematical model of crystallization of the workpiece is implemented, according to the results of calculating the magnitude and distribution of melt pressures within the boundaries of the soft compression zone, automatically changes the compression value to values at which a pressure of at least the pressure of dissolved gases takes place over the entire soft compression, including the cross section corresponding to the second boundary of the zone. For example, if, for a certain amount of compression, the melt pressure drops to values in the range from 0 N / m 2 to 500 N / m 2 between the two boundaries of the zone, then the programmable control unit iteratively increases the size of the compression to values at which the melt pressure drops to a value of the specified interval only in the section corresponding to the second boundary of the zone of soft compression (the second threshold of permeability).
Для примера конкретной реализации заявленного способа использовалась машина непрерывной разливки заготовок (МНЛЗ) №2 ОАО "Северсталь", предназначенная для разливки слябов толщиной 315 мм и шириной 2000 мм и широкого круга марок сталей с содержанием углерода от 0,03% до 0,25%, имеющая вертикальный участок, криволинейную зону загиба, радиальный участок, криволинейную зону разгиба и горизонтальный участок. Длина технологического канала составляет 40 м, максимальная скорость разливки - 1,6 м/мин.For an example of a specific implementation of the claimed method, a continuous billet casting machine (continuous casting machine) No. 2 of Severstal OJSC was used, intended for casting slabs 315 mm thick and 2000 mm wide and a wide range of steel grades with carbon content from 0.03% to 0.25% having a vertical section, a curved bending zone, a radial section, a curved extension zone and a horizontal section. The length of the technological channel is 40 m, the maximum casting speed is 1.6 m / min.
Для реализации мягкого обжатия сегменты №6-16 оснащены гидроцилиндрами для изменения раствора роликов в процессе литья, что обеспечивает мягкое обжатие слябов в динамическом режиме для всех типоразмеров, марок стали и скоростей разливки.To realize soft reduction, segments No. 6-16 are equipped with hydraulic cylinders for changing the solution of rollers during the casting process, which provides soft compression of slabs in dynamic mode for all sizes, steel grades and casting speeds.
Для функционирования блока управления МНЛЗ разработана соответствующая программа, в которой реализованы алгоритмы математической модели затвердевания заготовки, в которую дополнительно введен расчет давления расплава, основанный на управлениях импульса и неразрывности течения расплава. На вход блока управления в реальном масштабе времени постоянно поступают технологические параметры: скорость литья, толщина и ширина слитка, химический состав стали, температура в промежуточном ковше, конфигурация (протяженность и расстановка форсунок) зоны вторичного охлаждения, расходы охладителя в зонах вторичного охлаждения и величина обжатия в роликовых сегментах. В интерфейсных окнах монитора, связанного с блоком управления, отображаются наблюдаемые оператором изменения основных параметров процесса разливки: температуры на поверхности слитка в середине широкой грани, содержания жидкой фазы в центре слитка, изолиний содержания жидкой фазы в слитке, характеризующих кристаллизацию, гидродинамического давления расплава в центре слитка, изменения раствора роликов в сегментах (величины обжатия). Кроме того, отображаются также изменения параметров во времени: скорости разливки, расстояния от мениска до первой и второй границ зоны мягкого обжатия, интенсивности обжатия, содержания углерода в стали. Процесс мягкого обжатия по каждому ручью осуществляется полностью в автоматическом режиме.For the operation of the CCM control unit, a corresponding program has been developed in which the algorithms of the mathematical model of solidification of the workpiece are implemented, in which the calculation of the melt pressure, based on the momentum and continuity controls of the melt flow, is additionally introduced. The technological parameters are constantly coming to the control unit input in real time: casting speed, ingot thickness and width, steel chemical composition, temperature in the intermediate ladle, configuration (length and placement of nozzles) of the secondary cooling zone, cooler consumption in the secondary cooling zones and compression ratio in roller segments. The interface windows of the monitor connected with the control unit display the changes observed by the operator of the main parameters of the casting process: temperature on the surface of the ingot in the middle of a broad face, content of the liquid phase in the center of the ingot, isolines of the content of the liquid phase in the ingot, characterizing crystallization, hydrodynamic pressure of the melt in the center ingot, changes in the solution of rollers in the segments (compression ratio). In addition, changes in parameters over time are also displayed: casting speed, distance from the meniscus to the first and second boundaries of the soft reduction zone, compression intensity, carbon content in steel. The process of soft crimping for each stream is carried out fully automatically.
Результаты расчета гидродинамического давления с использованием программы поступают в блок управления для выбора соответствующего номера роликового сегмента, под которым находится сечение непрерывнолитой заготовки, где давление расплава «упало» до значения давления растворенных газов, следовательно, в таком сечении находится первая граница зоны мягкого обжатия. Блок управления определяет положение (номер) ближайшего к первой границе сегмента, который будет участвовать в позиционировании на мягкое обжатие. Вторая расчетная граница соответствует поперечному сечению, в котором содержание жидкой фазы в двухфазной зоне на оси составляет 18-20%, когда расплав теряет сплошность. Блок управления определяет положение (номер) роликового сегмента, ближайшего ко второй границе зоны. Оптимально роликовые сегменты в зоне мягкого обжатия должны располагаться между границами зоны, но в практике этого не происходит. Поэтому допускается перекрытие границ зоны на определенный процент длины сегмента или изменением скорости литья границы зоны «передвигаются» таким образом, чтобы оптимизировать положение участка мягкого обжатия между первой и второй границами. The results of calculating the hydrodynamic pressure using the program are sent to the control unit to select the corresponding roller segment number, under which is the cross-section of the continuously cast billet, where the melt pressure has "dropped" to the dissolved gas pressure, therefore, in this section is the first boundary of the soft reduction zone. The control unit determines the position (number) of the segment closest to the first boundary, which will participate in positioning for soft reduction. The second calculated boundary corresponds to a cross section in which the content of the liquid phase in the two-phase zone on the axis is 18-20%, when the melt loses its continuity. The control unit determines the position (number) of the roller segment closest to the second boundary of the zone. Optimally, the roller segments in the soft reduction zone should be located between the boundaries of the zone, but this does not happen in practice. Therefore, it is possible to overlap the boundaries of the zone by a certain percentage of the length of the segment or by changing the casting speed, the boundaries of the zone “move” in such a way as to optimize the position of the soft reduction section between the first and second boundaries.
На фигуре 1 в форме графиков иллюстрируются следующие зависимости: горизонтальная ось - расстояние от мениска кристаллизатора (м), вертикальные оси - гидродинамическое давление (МПа) и относительное содержание жидкой фазы:Figure 1 in the form of graphs illustrates the following dependencies: the horizontal axis is the distance from the mold meniscus (m), the vertical axes are the hydrodynamic pressure (MPa) and the relative content of the liquid phase:
- кривая 1 - содержание жидкой фазы S=F(X);- curve 1 - the content of the liquid phase S = F (X);
- кривая 2 - гидродинамическое давление расплава Р=F(X) при нулевом значении мягкого обжатия;- curve 2 - the hydrodynamic pressure of the melt P = F (X) at zero value of soft reduction;
- кривая 3 - гидродинамическое давление расплава Р=F{X) с усилием обжатия νобж=2 мм;- curve 3 - the hydrodynamic pressure of the melt P = F (X) with a compression force ν burn = 2 mm;
- кривая 4 - гидродинамическое давление расплава Р=F{X) с усилием обжатия νобж=5 мм;- curve 4 - the hydrodynamic pressure of the melt P = F (X) with a compression force ν burn = 5 mm;
- кривая 5 - гидродинамическое давление расплава Р=F(X) с усилием обжатия νобж=6 мм.- curve 5 - the hydrodynamic pressure of the melt P = F (X) with a compression force ν burn = 6 mm
На фигуре 1 видно, что при нулевом значении мягкого обжатия достижение нижней границы давления растворенных газов происходит на 24 м от мениска (кривая 2). Это и есть положение первой границы (первого порога проницаемости), содержание жидкой фазы на котором соответствует примерно 80%. При нормальной величине мягкого обжатия, которая оценивается в 6 мм (кривая 5), давление расплава достигает указанной нижней границы на 30 м от мениска и соответствует 20% содержания жидкой фазы в двухфазной зоне. Кривые 3 и 4 соответствуют величинам обжатия, при которых давление расплава падает до указанной границы раньше второй границы (второго порога проницаемости), а именно на 26 м при 70% жидкой фазы и на 29 м при 30% жидкой фазы на центральной оси сляба в двухфазной зоне в конце затвердевания.The figure 1 shows that when the value of soft reduction is zero, the lower pressure limit of the dissolved gases is reached at 24 m from the meniscus (curve 2). This is the position of the first boundary (the first threshold of permeability), the content of the liquid phase at which corresponds to approximately 80%. With a normal value of soft reduction, which is estimated at 6 mm (curve 5), the melt pressure reaches the indicated lower limit at 30 m from the meniscus and corresponds to 20% of the liquid phase in the two-phase zone.
Для программируемого блока управления критерием недостаточности величины мягкого обжатия является то обстоятельство, что давление расплава падает до нижней границы раньше второго порога, т.е. не при 20% содержания жидкой фазы, а при большем значении. Следовательно, по критерию обеспечения указанного давления растворенных газов не ранее второго порога проницаемости, программа корректирует (настраивает) величину обжатия и увеличивает соответствующим позиционированием роликовых сегментов посредством гидроцилиндров до 6 мм.For a programmable control unit, the criterion for insufficiency of the soft reduction is the fact that the melt pressure drops to the lower boundary before the second threshold, i.e. not at 20% of the liquid phase, but at a higher value. Therefore, according to the criterion for ensuring the specified pressure of the dissolved gases not earlier than the second threshold of permeability, the program adjusts (sets) the amount of compression and increases the corresponding positioning of the roller segments by means of hydraulic cylinders up to 6 mm.
Замысел авторов об оптимизации процесса мягкого обжатия с точки зрения более точного определения границ приложения усилия обжатия и определения величины такого обжатия подтверждается опытными данными.The authors' idea of optimizing the process of soft compression in terms of more accurately determining the boundaries of application of the compression force and determining the magnitude of such compression is confirmed by experimental data.
На фигуре 2 изображен скан фотографии темплета из стали, полученной при непрерывной разливке с приложением усилия обжатия «с запасом» относительно расчетной первой границы интересующей области обжатия; Figure 2 shows a scan of a photograph of a steel template obtained during continuous casting with the application of a compression force “with a margin” relative to the calculated first boundary of the compression region of interest;
На фигуре 3 изображен скан фотографии темплета из стали с приложением усилия обжатия в расчетных границах по критерию: начало обжатия соответствует сечению (от мениска расплава в кристаллизаторе), в котором давление на фронте кристаллизации равно давлению растворенных газов.Figure 3 shows a scan of a photograph of a steel template with the application of a compression force in the calculated boundaries according to the criterion: the beginning of the compression corresponds to the cross section (from the meniscus of the melt in the mold), in which the pressure at the crystallization front is equal to the pressure of the dissolved gases.
Так, первоначально задавали положение первой границы в сечении, где на оси слитка в зумпфе содержание жидкой фазы было 80%. Качество осевой зоны по осевой пористости не было удовлетворительным, и, как видно из приведенного скана (фигура 2), в вершинах кристаллизационного треугольника наблюдаются трещины. Это обусловлено тем, что подключали дополнительно еще один сегмент (обеспечивая обжатие с «запасом»), и деформации на фронте кристаллизации в конце столь длинного участка обжатия оказались чрезмерными. Таким образом, запас по накрытию роликовыми сегментами зоны мягкого обжатия раньше физической первой границы привел к вовлечению в мягкое обжатие дополнительного сегмента и к перекрытию зоны за второй границей. Надавливание на полностью закристаллизовавшуюся часть заготовки встречает сопротивление обжатию, что не только неэффективно для качества слитка, но и ведет к перегрузке роликов, подшипниковых опор и двигателей приводных роликов.So, the position of the first boundary in the section was initially set, where on the axis of the ingot in the sump, the liquid phase content was 80%. The quality of the axial zone in axial porosity was not satisfactory, and, as can be seen from the above scan (figure 2), cracks are observed at the vertices of the crystallization triangle. This is due to the fact that an additional segment was connected (providing compression with a “margin”), and deformations at the crystallization front at the end of such a long compression section turned out to be excessive. Thus, the margin of covering the soft reduction zone with the roller segments earlier than the physical first boundary led to the involvement of an additional segment in the soft compression and to overlapping the zone beyond the second boundary. The pressure on the fully crystallized part of the billet meets compression resistance, which is not only ineffective for the quality of the ingot, but also leads to overloading of the rollers, bearing bearings and drive roller motors.
Как видно из фотографии на фигуре 3, трещины в вершинах кристаллизационного треугольника исчезли, качество осевой зоны дополнительно улучшилось из-за оптимального накрытия роликовыми сегментами зоны мягкого обжатия.As can be seen from the photograph in figure 3, the cracks in the vertices of the crystallization triangle disappeared, the quality of the axial zone was further improved due to the optimal coverage of the soft reduction zone by the roller segments.
Таким образом, при использовании заявляемого способа появляется возможность расчета положения границ мягкого обжатия, а также оптимальной величины обжатия сталей широкого химического состава в любом диапазоне скоростей литья. Thus, when using the proposed method, it becomes possible to calculate the position of the boundaries of the soft compression, as well as the optimal value of compression of steels of wide chemical composition in any range of casting speeds.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112832/02A RU2564192C1 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Soft reduction of continuously cast billet |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112832/02A RU2564192C1 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Soft reduction of continuously cast billet |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2564192C1 true RU2564192C1 (en) | 2015-09-27 |
Family
ID=54250993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014112832/02A RU2564192C1 (en) | 2014-04-02 | 2014-04-02 | Soft reduction of continuously cast billet |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564192C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2779384C1 (en) * | 2019-04-02 | 2022-09-06 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Method for continuous casting of steel |
| US11759851B2 (en) | 2019-04-02 | 2023-09-19 | Jfe Steel Corporation | Method for continuously casting steel |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1066897A1 (en) * | 1998-12-28 | 2001-01-10 | Nippon Steel Corporation | Continuous casting billet and production method therefor |
| EP1412111B1 (en) * | 2001-06-01 | 2004-12-01 | SMS Demag Aktiengesellschaft | Method for adjusting the dynamic soft reduction of continuous casting systems |
| RU2245214C2 (en) * | 1999-07-07 | 2005-01-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and apparatus for making cast metallic billets |
| RU2476290C1 (en) * | 2008-11-20 | 2013-02-27 | Сименс Фаи Металз Текнолоджиз Гмбх | Method and device for continuous casting of thick slabs |
-
2014
- 2014-04-02 RU RU2014112832/02A patent/RU2564192C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1066897A1 (en) * | 1998-12-28 | 2001-01-10 | Nippon Steel Corporation | Continuous casting billet and production method therefor |
| RU2245214C2 (en) * | 1999-07-07 | 2005-01-27 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and apparatus for making cast metallic billets |
| EP1412111B1 (en) * | 2001-06-01 | 2004-12-01 | SMS Demag Aktiengesellschaft | Method for adjusting the dynamic soft reduction of continuous casting systems |
| RU2476290C1 (en) * | 2008-11-20 | 2013-02-27 | Сименс Фаи Металз Текнолоджиз Гмбх | Method and device for continuous casting of thick slabs |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2779384C1 (en) * | 2019-04-02 | 2022-09-06 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Method for continuous casting of steel |
| US11759851B2 (en) | 2019-04-02 | 2023-09-19 | Jfe Steel Corporation | Method for continuously casting steel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105108096B (en) | A kind of Properties of Heavy Rail Steel bloom continuous casting dynamic soft-reduction method for determination of amount | |
| RU2433885C2 (en) | Method of continuous casting of billet with small cross section | |
| CN104874758B (en) | Continuous casting weight pressing control method | |
| Grandfield et al. | DC casting of aluminium: process behaviour and technology | |
| CN107282900B (en) | MnS inclusion size prediction technique in a kind of steel continuous casting billet | |
| KR101781805B1 (en) | Method for the continuous casting of metal strand | |
| Liu et al. | Investigation on the formation of microporosity in aluminum alloys | |
| RU2564192C1 (en) | Soft reduction of continuously cast billet | |
| Lee et al. | Microstructure near corners of continuous-cast steel slabs showing three-dimensional frozen meniscus and hooks | |
| JP5835531B2 (en) | Continuous casting method for slabs for extra heavy steel plates | |
| US4519439A (en) | Method of preventing formation of segregations during continuous casting | |
| Essadiqi et al. | Twin roll casting of magnesium | |
| CN107442756A (en) | The method for improving slab slighter compress efficiency | |
| RU2348479C2 (en) | Pouring practice of rail steel at engine of continuous casting of blanks | |
| KR20120110585A (en) | Device for controlling soft reduction of solidified shell and method therefor | |
| RU2269395C1 (en) | Method of a continuous casting of blank parts | |
| RU2453742C1 (en) | Method for production of aluminium-lead friction bearings | |
| Rogotovsky et al. | Modeling and development of a forging ingot of rational design and mass | |
| JP6816523B2 (en) | Continuous steel casting method | |
| KR101435115B1 (en) | Method for reducing surface defect of slab | |
| RU2226138C2 (en) | Billet continuous casting process | |
| Grandfield | Direct chill casting of magnesium extrusion billet and rolling slab | |
| RU2779384C1 (en) | Method for continuous casting of steel | |
| JP2009034712A (en) | Continuous casting method for steel | |
| RU2184009C1 (en) | Steel continuous casting method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180403 |