Bài giảng Nguyên lý đúc thép liên tục

Nội dung text: Bài giảng Nguyên lý đúc thép liên tục

1. LƯU TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐÚC LIÊN TỤC 1 Tóm lược lưu trình ĐLT • ĐLT là bằng máy đúc, thực hiện một dây chuyền từ thép lỏng → rót → làm nguội → cắt trực tiếp thành phôi đúc. ĐLT là một khâu trung gian nối khâu luyện thép và khâu cán thép, là một bộ phận quan trọng hợp thành của xưởng (nhà máy) luyện thép • Một máy ĐLT chủ yếu là tổ hợp các bộ phận bao gồm: chuyển tải thùng rót, thùng rót trung gian, xe để thùng rót trung gian, bình kết tinh (BKT), cơ cấu rung BKT, cơ cấu vùng làm nguội thứ 2
2. LƯU TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐÚC LIÊN TỤC 2. So sánh 2 lưu trình công nghệ đúc khuôn (ĐK) và ĐLT. • ĐK rót gián đoạn, đúc thành từng thỏi một, tháo khuôn xong thì đưa đi cán phá để cán thành phôi thép. Còn ĐLT là rót liên tục và BKT đúc thành phôi thép dài vô hạn, qua máy cắt trực tiếp cắt liên tục thành từng phôi thép. Chính vì thế mà ĐLT có nhiều ưu điểm rất rõ rệt so với ĐK: ➢ Nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm thép ➢ Giảm tiêu hao năng lượng ➢ Tính đồng đều và chất lượng phôi ĐLT tốt hơn ➢ ĐLT dễ thực hiện cơ khí hóa và tự động hóa
3. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC 1. Quá trình làm nguội đông đặc của phôi ĐLT. • Yêu cầu của công nghệ ĐLT là phôi đến trước trục kéo hoặc máy cắt phải đông đặc xong hoàn toàn. Như vậy, lượng nhiệt phải đưa ra khỏi phạm vi làm nguội của máy đúc, tức là trước khi phôi đến trục kéo (hoặc nắn thẳng) hoặc máy cắt, bao gồm 4 phần sau: • Nhiệt tỏa ra từ độ quá nhiệt của nước thép đến nhiệt độ đường pha lỏng • Nhiệt tỏa ra để đông đặc phần nước thép trong BKT (làm nguội lần 1) • Nhiệt tỏa ra để đông đặc và làm nguội phôi thép ở khu vực làm nguội lần 2 • Nhiệt tỏa ra để làm nguội nhiệt độ phôi thép đến trước khi cắt và ra khỏi máy đúc.
4. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 2. Thay đổi nhiệt độ Hình 3. Sư thay đổi đo trên của phôi ĐLT bề mặt phôi và trường nhiệt độ theo tính toán (Tốc độ đúc 0,63 m/ph, phôi 2020x200 mm, vị trí đo dưới bề mặt vỏ 4 mm)
5. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 4. Sự hình thành mặt trăng khuyết giữa thép lỏng và thành BKT
6. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC 2. Cân bằng nhiệt trong quá trình đông đặc của phôi đúc liên tục • Có 42-60% nhiệt lượng của kim loại cần phải truyền ra ngoài trong phạm vi của máy đúc (cho đến trước lúc cắt) • Nhiệt lượng truyền ra ngoài của máy đúc chủ yếu dựa vào BKT và hệ thống làm nguội của vùng làm nguội lần hai, mà vùng làm nguội lần hai là nhiều nhất • Lượng nhiệt truyền ra ngoài trong một phút ở BKT, lúc cao điểm có thể tới 20% tổng lượng nhiệt cần truyền ra ngoài.
7. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 6. Cân bằng nhiệt của phôi thép
8. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC 4. Truyền nhiệt của bình kết tinh • Nhiệt lưu bình kết tinh: Nhiệt truyền ra của nước thép trong BKT có thể theo 2 hướng: hướng thẳng góc (hướng kéo phôi) và hướng nằm ngang ➢ Nhiệt truyền ra theo hướng thẳng góc tương đối nhỏ, qua tính toán chỉ chiếm 3-6% tổng lượng nhiệt qua BKT ➢ Nhiệt truyền ra xung quanh theo hướng nằm ngang có: (1) truyền nhiệt đối lưu của nước thép đến lớp vỏ, (2) truyền dẫn trong lớp vỏ đông đặc, (3) truyền nhiệt từ mặt lớp vỏ đông đặc đến mặt thành BKT, (4) truyền nhiệt dẫn truyền trong thành BKT, (5) truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của mặt thành BKT với nước làm nguội. Nhiệt lượng được nước làm nguội chảy với tốc độ cao trong khe nước mang đi
9. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Dùng tổng nhiệt trở để biểu thị lượng nhiệt của nước thép truyền cho nước làm nguội mang đi trong BKT như sau: 1 1 푒 1 푒 1 = + + + + ℎ ℎ1  ℎ0  ℎ휔 Trong đó, h- Hệ số truyền nhiệt tổng h1- Hệ số truyền nhiệt đối lưu của thép lỏng cho lớp vỏ, dự 2 0 tính h1 = 1 W/cm . C. em- Chiều dày của lớp vỏ, chênh lệch nhiệt độ trong lớp vỏ có thể đạt tới 5500C/cm m- Hệ số dẫn nhiệt của thép h0- Hệ số truyền nhiệt giữa lớp vỏ và BKT. Nó quyết định bởi trạng thái tiếp xúc của lớp vỏ với thành đồng, nếu như hình thành khe hở thì nhiệt trở tăng lên rõ rệt, hệ số dẫn nhiệt 2 0 trong khe hở h0 = 0,2 W/cm . C
10. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Nhiệt lưu bình quân: 푄 푤. . ∆푡  = = 퐹 퐹 Trong đó, w- Lưu lượng nước làm nguội c- Nhiệt dung riêng của nước làm nguội t- Độ chênh lệch nhiệt độ nước vào và ra BKT F- Diện tích truyền nhiệt hữu ích của BKT
11. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Quy luật sinh trưởng của lớp vỏ: Nước làm nguội BKT là điều cơ bản để đảm bảo thao tác công nghệ ổn định và chất lượng bề mặt phôi thép. Sự truyền ra của nhiệt lượng BKT tất yếu phải đảm bảo một độ dày an toàn của lớp vỏ ra khỏi BKT. Để xác định được độ dày đó có các biện pháp sau: 4.1. Đo thực nghiệm: ➢ Chọc thủng lớp vỏ phôi ra khỏi BKT, nước thép chảy hết ra, theo chiều dày của lớp vỏ còn lại cứ cách 100 mm cưa đứt đo chiều dày bình quân của lớp vỏ, vẽ được đường cong biểu diễn giữa chiều dày vỏ e và thời gian nước thép dừng lại trong BKT . Đường cong này chính là quy luật chỉ sự sinh trưởng của lớp vỏ.
12. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC 4.2. Theo kinh nghiệm: ➢ Căn cứ vào độ chênh lệch nhiệt độ của nước làm nguội vào và ra khỏi BKT để tính nhiệt lưu của BKT sau đó tính ra chiều dày của lớp vỏ. ➢ Quan hệ giữa nhiệt lưu với chu vi BKT là: 푄 ∆푡  = . 휌 Trong đó: - Nhiệt lưu, kJ/m2 Q- Lượng nước làm nguội qua BKT, l/ph t- Chênh lệch nhiệt độ vào và ra khỏi BKT, 0C Vc- Tốc độ kéo, mm/ph - Chu vi BKT, m
13. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC 4.3. Phương pháp cân bằng nhiệt: ➢ Nhiệt lượng tỏa ra do sinh trưởng lớp vỏ trong BKT bao gồm: Lượng quá nhiệt tỏa ra của nước thép, ẩn nhiệt tỏa ra từ khi hình thành lớp vỏ trên mặt trăng khuyết đến khi ra khỏi BKT, nhiệt tỏa ra do nhiệt độ lớp vỏ hạ thấp. ➢ Tổng nhiệt lượng tỏa ra trong BKT là: Q = eLv m[CL(Tc-TL) + L1 + Cs(Ts-T0)] 푄 Tức là: 푒 = Lv m[CL(Tc−TL) + L1 + Cs(Ts−T0)] Trong đó: Q- Nhiệt lượng nước làm nguội mang đi khỏi BKT; e – Chiều dày lớp vỏ ra khỏi BKT, m; v- Tốc độ kéo, m/ph; - Tỷ trọng 3 nước thép kg/m ; L- Chu vi mặt cắt ngang của BKT, m; (TC-TL)- Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ đúc và nhiệt độ đường lỏng; (TS-T0)- Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ bề mặt lớp vỏ và nhiệt 0 độ đường đặc; CL- Nhiệt dung của thép lỏng (0,84 kJ/kg. C); CS- 0 Nhiệt dung của thép thể rắn (0,67 kJ/kg. C); L1- Ẩn nhiệt kết tinh – thép cacbon thấp L1 = 310,8 kJ/kg.
14. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ➢ Lượng giảm kích thước của mặt cắt BKT không được lớn hơn lượng co ngót tuyến tính của phôi, lượng co ngót tuyến tính l có thể xác định theo nhiệt độ của lớp vỏ chênh nhau từ mặt trăng khuyết đến ra khỏi BKT t và hệ số co ngót của lớp vỏ , tức là: l = t. ➢ Trị số  đối với Fe() chọn  = 16,5 x 10-6/0C, Fe() chọn  = 22,0 x 10-6/0C. Nếu độ côn quá lớn trở lực kéo sẽ lớn dễ sinh ra nứt và khó kéo. ➢ Quan hệ giữa độ côn và nhiệt lưu như hình 8. Thông thường độ côn của phôi vuông chọn 0,6-0,9 %/m, còn phôi tấm thì độ côn tính theo co ngót của mặt rộng, chọn 0,8-0,9/m. ➢ Hình 9 cho ta thấy nếu chiều rộng của phôi tấm là 1m, tốc độ kéo 0,8/ m/ph, co ngót thể rắn từ miệng trên xuống đến miệng dưới của BKT là 9 mm theo hướng độ dày (chiều hẹp).
15. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 9. Sự lựa chọn độ côn của BKT dẹt
16. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 10. Quan hệ giữa chiều dày BKT và nhiệt lưu
17. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Vật liệu làm BKT: Thông thường sau khi thông nước làm nguội, nhiệt độ làm việc của thành BKT khoảng 200-3000C, trong trường hợp đặc biệt cao nhất có thể tới 5000C. ➢ Như vậy yêu cầu vật liệu làm BKT phải thỏa mãn các điều kiện: có tính dẫn nhiệt tốt, chịu mỏi nhiệt, độ bền cao, độ giãn nở ở nhiệt độ cao thấp, không dễ biến dạng. ➢ Như vậy, đồng nguyên chất có tính dẫn nhiệt tốt nhất, nhưng giới hạn đàn hồi thấp, dễ sinh biến dạng vĩnh cửu. Cho nên phần lớn là dùng hợp kim đồng như hợp kim Cu-Cr, Cu-Ag. Các hợp kim này có tính chống mài mòn ở nhiệt độ cao tốt nên tuổi thọ của BKT so với đồng nguyên chất cao gấp nhiều lần. Các nhà nghiên cứu kiến nghị hàm lượng Ag trong hợp kim đồng nên tăng từ 0,075 đến 0,3 % có thể cải thiện khả năng sử dụng của BKT
18. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Hình dạng bề mặt BKT: Đã có thực nghiệm dùng bề mặt hình sóng lượn để tăng diện tích của mặt làm nguội thêm 8- 9%, giảm được khe hở, cải thiện được điều kiện truyền nhiệt, nhưng vì gia công chế tạo khó khăn, tuổi thọ thấp nên không được sử dụng rộng rãi. Hiện nay là vẫn dùng bề mặt phẳng
19. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 12. Quan hệ giữa thành đồng BKT và truyền nhiệt vào nước
20. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ➢Kích thước của khe nước chảy đảm bảo nguyên tắc tốc độ chảy của nước làm nguội đạt yêu cầu, chiều rộng khe nước thường là 4-6 mm. ➢Để tránh nước chảy trong khe sôi nên khống chế nhiệt độ nước vào và ra chênh nhau 5- 60C, không vượt quá 100C. Duy trì áp suất của nước làm nguội trong BKT khoảng 2 bar (2x105 Pa) là cần thiết. Lượng nước cung cấp cho BKT lớn nhất đối với phôi tấm và phôi vuông lớn, mỗi dòng đúc 500-600 m3/h. Phôi vuông nhỏ 100-150 m3/h.
21. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Bôi trơn BKT: Có thể giảm trở lực kéo và do chất bôi trơn điền đầy khe hở cải thiện được điều kiện truyền nhiệt. Thông thường đúc hở dùng dầu như dầu hạt cải làm chất bôi trơn, ở nhiệt độ cao dầu phân ly thành hợp chất C-H điền đầy khe hở có lợi cho truyền nhiệt. ➢ Hiện nay, nhiều máy đúc sử dụng xỉ bảo vệ, rắc bột xỉ bảo vệ lên trên mặt nước thép ở BKT hình thành lớp xỉ lỏng. Khi BKT rung, xỉ loãng trên mặt trăng khuyết bị đưa vào khe hở, hình thành trên mặt phôi một lớp màng xỉ đồng đều vừa có tác dụng bôi trơn lại còn có tác dụng cải thiện điều kiện truyền nhiệt do điền đầy khe hở. Màng xỉ giảm truyền nhiệt phía trên BKT khoảng 15% nhưng lại tăng truyền nhiệt ở phía dưới lên 20-25%. Sự truyền nhiệt trở nên đồng đều, có tác dụng rất lớn trong việc thu được một lớp vỏ đồng đều và đủ dày khi ra khỏi BKT.
22. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Nhiệt độ đúc: Thực nghiệm đã chứng minh, khi tốc độ kéo và các điều kiện công nghệ khác không đổi, độ quá nhiệt tăng 100C trong điều kiện đúc hở và đúc có bảo vệ thì lượng nhiệt lưu tối đa tăng chỉ có 7,5% và 4%. Điều đó cho thấy ảnh hưởng của độ quá nhiệt trong thép lỏng đến nhiệt lưu bình quân là rất nhỏ. • Khi nhiệt độ đúc lần lượt là 15770C, 15930C và 16220C, sự khác biệt nhiệt lưu của truyền nhiệt đối lưu của BKT khi ra khỏi BKT không lớn. Chiều dày phần giữa vỏ của chu vi phôi đúc về cơ bản như nhau, chiều dày của lớp vỏ ở phần góc phôi thì giảm theo sự tăng nhiệt độ đúc, tức là nguy cơ kéo thủng. Theo tính toán lý thuyết cứ tăng độ quá nhiệt 100C thì chiều dày của lớp vỏ ra khỏi BKT giảm 3%. • Do vậy, nhiệt độ đúc cao không những không có lợi cho truyền nhiệt mà còn có hại đối với sự sinh trưởng đồng đều của lớp vỏ
23. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Hình 13. Quan hệ giữa hàm lượng C trong thép và nhiệt lưu
24. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC Cân bằng nhiệt: ➢ Phôi thép có ruột còn ở thể lỏng tiến vào khu vực làm nguội thứ 2, ở đây nước phun trực tiếp vào làm nguội cho đến khi đông đặc hoàn toàn. Nhiệt độ bề mặt cơ bản đã đồng đều rồi tiến đến máy kéo uốn. Phôi thép đông đặc hoàn toàn phải tỏa ra một nhiệt lượng khoảng 210-234 kJ/kg. ➢ Phun trực tiếp lên trên bề mặt phôi đúc những dòng nước đã hóa mù, nhiệt độ trên bề mặt phôi giảm đột ngột, hình thành một độ chênh lệch nhiệt độ (gradien nhiệt độ) tương đối lớn giữa bề mặt và trung tâm. Đây chính là động lực của sự truyền nhiệt từ trong ra ngoài của phôi thép. ➢ Hình 14 biểu thị phương thức truyền nhiệt từ trong ra ngoài của phôi thép nằm trong khu vực làm nguội lần 2. Sự bốc hơi của dòng nước đã mang đi một lượng nhiệt chiếm tới 32%, nhiệt lượng gia nhiệt nước làm nguội và bức xạ của bề mặt phôi chiếm khoảng 25% và 17% truyền cho trục dẫn
25. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Nhân tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt ở khu vực làm nguội lần 2: ➢Nhiệt độ mặt phôi: Hình 15. Quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt phôi và nhiệt lưu 1- 15 l/ph; 4,95 /m2.s; 2- 10 l/ph; 3,33 l/m2.s; 3- 5 l/ph; 1,65 l/m2.s
26. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC • Từ hình 16 có thể nhận ra: Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt h và nhiệt độ bề mặt Ts có hiện tượng đột biến. Nhiệt lưu và nhiệt độ bề mặt không phải là quan hệ tuyến tính đơn giản Hình 16. Quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt phôi và hệ số truyền nhiệt
27. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ➢ Hình 17 chỉ quan hệ giữa mật độ dòng nước và hệ số truyền nhiệt. Có thí nghiệm đã phát hiện khi mật độ dòng nước > 20 l/m2.s ảnh hưởng đến nhiệt lưu không rõ rệt. ➢ Nhiều thí nghiệm đã chứng minh quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt h và mật độ dòng nước w được xác định theo các công thức thực nghiệm sau: h = Awn n hoặc h = A.w .(1-bTw) Trong đó: A, n, b- Các hằng số Tw- Nhiệt độ nước làm nguội w- Mật độ dòng nước h – Hệ số truyền nhiệt ➢ Đối với vòi phun khí nước: h = 0,035w + 0,13
28. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ➢Đường kính giọt nước: Đường kính giọt nước là tiêu chí của mức độ mù hóa, giọt nước càng nhỏ thì số lượng giọt trong một đơn vị thể tích càng nhiều, mù hóa càng tốt, như vậy làm nguội thép càng đồng đều, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt ➢Trạng thái bề mặt của phôi: Đối với thép cacbon nếu bề mặt có một lớp oxi hóa thì hệ số truyền nhiệt giảm 13% so với bề mặt không có lớp oxi hóa. ➢Trạng thái sử dụng miệng phun: Lắp đặt, duy tu, mức độ cũ cho đến bị tắc đều ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả truyền nhiệt. Cho nên, miệng phun cần định kỳ kiểm tra sửa chữa và thay mới, nước phải được xử lý làm sạch.
29. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ➢ Những vấn đề cần phải tính đến trong lúc thiết kế: Cần suy tính một cách tổng hợp tối ưu giữa 2 phương diện truyền nhiệt và chất lượng luyện kim. ➢ Chế độ làm nguội lần hai nên căn cứ vào tốc độ đông đặc cần thiết của loại thép đúc, cơ tính ở nhiệt độ cao của thép để xác định. Cụ thể là tính đến các vần đề sau: ✓ Quy luật đông đặc và truyền nhiệt: Để đơn giản hóa giả thiết ở một khoảnh khắc t nào đó, ẩn nhiệt tỏa ra ven theo lớp đã kết tinh bằng năng lượng nhiệt truyền qua lớp vỏ thì: 푒  ( − ) 퐿 휌 = 퐿 푠 푡 푒 Trong đó: Lf- Ẩn nhiệt đông đặc; m- Tỷ trọng thép; e- Chiều dày lớp vỏ đông đặc; m- Hệ số dẫn nhiệt của thép; TL- Nhiệt độ đường lỏng; Ts- Nhiệt độ bề mặt phôi
30. NGUYÊN LÝ CỦA ĐÚC PHÔI LIÊN TỤC ✓ Từ công thức trên ta có thể thấy: 1 ℎ ∝ 푡 mà hệ số truyền nhiệt lại tỷ lệ với lượng nước làm nguội nên: 1 1 푄 ∝ , tức là 푄 ∝ 푡 Trong đó: Q- Lượng nước làm nguội; H- Khoảng cách từ mặt trăng khuyết đến một điểm nào đó ở vùng làm nguội lần 2; V- Tốc độ kéo ✓ Công thức trên nói lên lượng nước phun theo phương chiều cao của máy đúc giảm dần từ trên xuống dưới. Đây là nguyên tắc cơ bản của phân bố lượng nước phun ✓ Khiến lượng nước giảm dần từ trên xuống khó khống chế. Cho nên, chia vùng làm nguội lần hai thành hiều đoạn làm nguội và lượng nước làm nguội giảm dần, còn trong cùng một đoạn làm nguội thì vẫn giữa lượng nước làm nguội không đổi.