blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-5-333-343blackmet-2308Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESК вопросу о скорости охлаждения металлического расплава в сталеразливочном и промежуточном ковшах на этапе непрерывной разливки сталиOn cooling rate of metal melt in steel-teeming ladle and tundish during continuous steel castingВильдановС. К.Vil’danovS. K.

Сергей Касимович Вильданов, к.т.н., доцент, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», заместитель генерального директора, ООО «ОгнеупорТрейдГрупп»

Россия, 119049, Москва, Ленинский пр.,  4

Россия, 125080, Москва, ул. Сурикова, 24

Sergei K. Vil’danov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., National University of Science and Technology “MISIS”, Deputy General Director, LLC “OgneuporTradeGrupp”

4 Leninskii Ave., Moscow 119049, Russian Federation

24 Surikova Str., Moscow 125080, Russian Federation

vildanov@ogneupor.netБондаревД. Ю.BondarevD. Yu.

Дмитрий Юрьевич Бондарев, инженер, ведущий специалист

Россия, 125080, Москва, ул. Сурикова, 24

Dmitrii Yu. Bondarev, Engineer, Leading Specialist

24 Surikova Str., Moscow 125080, Russian Federation

dbondarev1971@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; ООО «ОгнеупорТрейдГрупп»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”; LLC “OgneuporTradeGrupp”Russian FederationООО «ОгнеупорТрейдГрупп»РоссияLLC “OgneuporTradeGrupp”Russian Federation202221052022655333343Copyright © Вильданов С.К., Бондарев Д.Ю., 20222022Вильданов С.К., Бондарев Д.Ю.Vil’danov S.K., Bondarev D.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2308

Методами корреляционного анализа проведено исследование теплового состояния жидкого металла на этапе непрерывной разливки стали в предположении, что измеримые объекты являются случайными величинами. Тепловое состояние металлического расплава характеризуется значениями температуры металла Tn на данной стадии и длительностью протекания стадий τn и описывается интегральным показателем – скоростью охлаждения Wn . Скорость охлаждения представляет собой отношение разности температур жидкого металла в начале и конце стадии к длительности данной стадии. Вычислены скорости охлаждения металла на различных стадиях этапа непрерывной разливки стали. Первая стадия включает период времени от завершения обработки металла на агрегате комплексной обработки стали до начала вакуумирования. Вторая стадия включает период от начала вакуумирования до его завершения. Третья стадия включает период от момента завершения вакуумирования до первого измерения температуры в промежуточном ковше. И далее идут периоды последовательных измерений температуры в промежуточном ковше. Установлено, что скорости охлаждения металла варьируются в  значительных пределах в зависимости от технологических стадий. Абсолютные значения скорости охлаждения отличаются более, чем на порядок. Минимальная скорость охлаждения металла зафиксирована в промежуточном ковше. Ее значение составляет 0,09  °С/мин. Максимальная скорость охлаждения металла выявлена при выпуске металла из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш, при этом скорость охлаждения составляет 1,43  °С/мин. Определены основные факторы, влияющие на скорость охлаждения металла. К этим факторам относятся начальная температура жидкого металла после завершения обработки на агрегате комплексной обработки стали, температура жидкого металла после завершения вакуумирования, наличие на поверхности жидкого металла оксидного раствора, образованного шлакообразующими смесями, наличие и эффективность теплоизолирующих смесей, а также теплоизолирующие характеристики огнеупорных футеровок. При вакуумировании скорость охлаждения металла существенным образом определяется конвективными потерями энергии и потерями энергии с на нагрев инертного газа. После стадии вакуумирования скорость охлаждения значительно снижается за счет применения теплоизолирующих смесей. Наибольшая скорость охлаждения металла установлена при его прохождении через сталевыпускной канал и трубу защиты металла при наполнении промежуточного ковша. Наименьшая скорость охлаждения металла характерна при его нахождении в промежуточном ковше, за счет наличия пористого торкрет-слоя, обладающего низкой теплопроводностью.

The thermal state of liquid metal at the continuous steel casting stage was studied by methods of correlation analysis under the assumption that measurable objects are random variables. The thermal state of metal melt is characterized by the values of metal temperature Tn at a given stage and duration of stages τn , and is described by the integrated index – cooling rate Wn. The cooling rate is the differential quotient of the liquid metal temperatures at the beginning and end of the stage to the duration of this stage. The metal cooling rate at various stages of continuous steel casting phase was calculated. The first stage includes the period from the end of metal processing at the integrated steel processing unit to the beginning of vacuum degassing. The second stage includes the period from the beginning of vacuum degassing to its completion. The third stage includes the period from the end of vacuum degassing to the first temperature measurement in the tundish.  Then there are periods of consecutive temperature measurements in the tundish. The study established that metal cooling rates vary significantly depending on process stages. The absolute values of the cooling rate differ by more than an order of magnitude. The minimum rate of metal cooling was recorded in the tundish. Its value was 0.09 °С/min. The maximum metal cooling rate was detected during tapping from the steel-teeming ladle into the tundish. In this case, the cooling rate was 1.43 °С/min. The main factors affecting the metal cooling rate were determined. These factors include: the initial temperature of liquid metal after the end of processing at the integrated steel processing unit; the temperature of liquid metal after vacuum degassing; the presence on the liquid metal surface of the oxide solution formed by slag-forming mixtures; availability and effectiveness of heat insulating mixtures; as well as the heat insulating properties of refractory linings. During vacuum degassing, the metal cooling rate was essentially determined by convective energy losses and energy losses for inert gas heating. After the vacuum degassing stage, the cooling rate significantly decreases due to the use of heat insulating mixtures. The highest rate of metal cooling is achieved when it passes through the steel outlet channel and the metal protection tube during tundish filling. The lowest metal cooling rate was found in the tundish due to the presence of a porous shotcrete layer with low thermal conductivity.

случайная величинакорреляциявыборкажидкий металлсталеразливочный ковшпромежуточный ковшскорость охлаждения металлавремятемпературанепрерывная разливка сталиrandom valuecorrelationselectionliquid metalsteel-teeming ladletundishcooling rate of metaltimetemperaturesteel continuous castingReferencesПат. 2007109669 РФ. Способ нагрева металла в сталеразливочном и промежуточном ковшах МНЛЗ / А.И. Косырев, М.В. Шишимиров, А.М. Якушев; заявлено 16.03.2007; опубликовано 27.09.2008, Бюл. № 27.Kosyrev A.I., Shishimirov M.V., Yakushev A.M. Method of me­tal heating in steel-pouring and tundish ladle of CCM. Patent RF no.  2007109669. Bulleten’ izobretenii. 2008, no. 27. (In Russ.).Пат. 2011153544 РФ. Промежуточный ковш для плазменного подогрева металла / Ю.А. Пак, Г.А. Филиппов, В.А. Углов, М.В. Глухих, М.Х. Исакаев, А.С. Тюфтяев, В.В. Галкин, С.В. Прохоров, Б.А. Сарычев, Б.В. Юречко, Д.И. Юсупов, Н.Н. Ромашева; заявлено 28.12.2011; опубликовано 27.03.2013, Бюл. № 9.Pak Yu.A., Filippov G.A., Uglov V.A., Glukhikh M.V., Isakaev  M.Kh., Tyuftyaev A.S., Galkin V.V., Prokhorov S.V., Sarychev B.A., Yurechko B.V., Yusupov D.I., Romasheva N.N. Tundish for plasma heating of metal. Patent RF no. 2011153544. Bulleten’ izobretenii. 2013, no. 9. (In Russ.).Пат. 2011147494 РФ. Промежуточный ковш для разливки стали с камерами для нагрева жидкого металла / В.В. Галкин, М.В. Глухих, М.Х. Исакаев, Ю.А. Пак, С.В. Прохоров, А.С. Тюфтяев, В.А. Углов, Г.А. Филиппов, Д.В. Юречко, Д.И. Юсупов; заявлено 23.11.2011; опубликовано 10.03.2013, Бюл. № 7.Galkin V.V., Glukhikh M.V., Isakaev M.Kh., Pak Yu.A., Prokho­rov  S.V., Tyuftyaev A.S., Uglov V.A., Filippov G.A., Yurechko  D.V., Yusupov D.I. Tundish for pouring steel with chambers for liquid metal heating. Patent RF no. 2011147494. Bulleten’ izobretenii. 2013, no. 7. (In Russ.).Кузин В.И. Способы повышения энергоэффективности футеровок тепловых агрегатов // Новые огнеупоры. 2014. № 11. С. 5–8.Kuzin V.I. Ways to improve the energy efficiency of thermal units’ linings. Novye ogneupory. 2014, no. 11, pp. 5–8. (In Russ.).Tripashi A., Saha J.K., Singh J.B., Ajmani S.K. Numerical simulation of heat transfer phenomenon in steelmaking ladle // ISIJ International. 2012. Vol. 52. No 9. P. 1591–1600. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1591Tripashi A., Saha J.K., Singh J.B., Ajmani S.K. Numerical simulation of heat transfer phenomenon in steelmaking ladle. ISIJ International. 2012, vol. 52, no 9, pp. 1591–1600. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1591Okura T., Ahmad I., Kano M., Hasebe I.Sh., Kitada H., Murata N. High-perfomans prediction of molten steel temperature in tundish through gray-box model // ISIJ International. 2013. Vol. 53. No 1. P. 76–80. https://doi.org/10.2355/isijinternational.53.76Okura T., Ahmad I., Kano M., Hasebe I.Sh., Kitada H., Murata N. High-perfomans prediction of molten steel temperature in tundish through gray-box model. ISIJ International. 2013, vol. 53, no 1, pp.  76–80. https://doi.org/10.2355/isijinternational.53.76Sonada Sh., Murata N., Hino K., Kitada H., Kano M. A statistical model for predicting the liquid steel temoerature in ladle and tundish by bootstap filter // ISIJ International. 2012. Vol. 52. No 6. P. 1086–1091. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1086Sonada Sh., Murata N., Hino K., Kitada H., Kano M. A statistical model for predicting the liquid steel temoerature in ladle and tundish by bootstap filter. ISIJ International. 2012, vol. 52, no 6, pp. 1086–1091. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1086Bessho N., Yamasaki H., Fujii T. Removal of inclusions from molten steel in continuous casting tundish // ISIJ International. 1992. Vol. 32. No 1. P. 157–163. https://doi.org/10.2355/isijinternational.32.157Bessho N., Yamasaki H., Fujii T. Removal of inclusions from molten steel in continuous casting tundish. ISIJ International. 1992, vol.  32, no. 1, pp. 157–163. https://doi.org/10.2355/isijinternational.32.157Аникеев В.В. Свойства теплоизолирующих шлакообразующих смесей и их влияние на качество стальных слитков при полунепрерывном литье // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 4(5). С. 1188–1193.Anikeev V.V. Properties of heat-insulating slag-forming mixtures and their influence on the quality of steel ingots at semi-continuous casting. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2012, vol.  14, no. 4(5), pp. 1188–1193. (In Russ.).Iida T. Equation for estimating viscosityes of industrial mould fluxes // High Temperature Materials and Processes. 2000. Vol. 19. No. 3–4. P. 155–164. https://doi.org/10.1515/HTMP.2000.19.3-4.153Iida T. Equation for estimating viscosityes of industrial mould fluxes. High Temperature Materials and Processes. 2000, vol. 19, no.  3–4, pp. 155–164. https://doi.org/10.1515/HTMP.2000.19.3-4.153Li H., San L., Ai L. The mould flux viscosity designing of high carbon steel for thin slab continuous casting // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1022. P. 48–51. https://www.scientific.net/AMR.1022.48Li H., San L., Ai L. The mould flux viscosity designing of high carbon steel for thin slab continuous casting. Advanced Materials Research. 2014, vol. 1022, pp. 48–51. https://www.scientific.net/AMR.1022.48Brandalez E. Mould fluxes in the steel continuous casting process // Science and Technology of Casting Processes. 2012. No. 9. P. 205–233.Brandalez E. Mould fluxes in the steel continuous casting process. Science and Technology of Casting Processes. 2012, no. 9, pp. 205–233.Пат. 2005127189 РФ. Способ теплоизоляции жидкого металла и термостат – сталеразливочный ковш для его осуществления / А.Н. Крюков; заявлено 29.08.2005; опубликовано 10.09.2007, Бюл. № 12.Kryukov A.N. A method of thermal insulation of liquid metal and a thermostat – steel ladle for its implementation. Patent RF no.  2005127189. Bulleten’ izobretenii. 2007, no. 12. (In Russ.).Аксельрод Л.М., Мизин В.Г., Филяшин М.К., Шуляков Г.И. Сталеразливочный ковш – объект энергосбережения // Новые огнеупоры. 2002. № 3. С. 52–55.Aksel’rod L.M., Mizin V.G., Filyashin M.K., Shulyakov G.I. Steel-pouring ladle as an energy-saving object. Novye ogneupory. 2002, no. 3, pp. 52–55. (In Russ.).Вильданов С.К., Рогалева Л.В., Пыриков А.Н. О некоторых критериях эффективности комплексных теплоизолирующих и шлакообразующих смесей // Новые огнеупоры. 2020. № 5. С. 16–22. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2020-5-16-22Vil’danov S.K., Rogalyova L.V., Pyrikov A.N. Selected performance criteria of complex heat-insulating and slag-forming mixtures. Refractories and Industrial Ceramics. 2020, vol. 61, no. 3, pp. 253–259. https://doi.org/10.1007/s11148-020-00467-3Трунов С.В., Конев М.В., Сарычев И.С., Чмырев И.Н. К выбору теплоизолирующей смеси для непрерывной разливки // Новые огнеупоры. 2020. № 10. С. 6–8.Trunov S.V., Konev M.V., Sarychev I.S., Chmyrev I.N. Selection of heat-insulating mixture for continuous casting. Refractories and Industrial Ceramics. 2021, vol. 61, no. 5, pp. 481–483. https://doi.org/10.1007/s11148-021-00506-7Ботников С.А., Хлыбов О.С., Костычев А.Н. Разработка модели прогнозирования температуры металла в сталеразливочном и промежуточном ковшах в литейно-прокатном комплексе // Сталь. 2019. № 10. С. 7–13.Botnikov S.A., Khlybov O.S., Kostychev A.N. Development of a steel temperature prediction model in a steel ladle and tundish in a casting and rolling complex. Steel in Translation. 2019, vol. 49, no.  10, pp. 688–694. https://doi.org/10.3103/S096709121910005XGrip C.-E. Simple model for prediction of temperatures in an l-shaped-tundish verification by continuous temperature measurements // ISIJ International. 1998. Vol. 38. No. 7. P. 704–713. https://doi.org/10.2355/isijinternational.38.704Grip C.-E. Simple model for prediction of temperatures in an l-shaped-tundish verification by continuous temperature measurements. ISIJ International. 1998, vol. 38, no. 7, pp. 704–713. https://doi.org/10.2355/isijinternational.38.704Fan C.-M., Hwang W.-S. Mathematical modeling of fluid flow phenomena during tundish filling and subsequent initial casting operation in steel continuous casting process // ISIJ International. 2000. Vol. 40. No. 11. P. 1105–1114. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.1105Fan C.-M., Hwang W.-S. Mathematical modeling of fluid flow phenomena during tundish filling and subsequent initial casting operation in steel continuous casting process. ISIJ International. 2000. vol. 40, no. 11, pp. 1105–1114. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.1105Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. М.: Мир, 1980. 609 с.Johnson Norman L., Leone Fred C. Statistics and Experimental Design in Engineering and the Physical Sciences. New York, etc.: John Wiley, 1977.Бочаров П.П., Печинкин А.В. Математическая статистика. Моск­ва: Издательство Российского университета дружбы народов, 1994. 164 с.Bocharov P.P., Pechinkin A.V. Mathematical Statistics. Moscow: Rossiiskii universitet druzhby narodov, 1994, 164 p. (In Russ.).Вильданов С.К. Оценка эффективности применения огнеупорной теплоизолирующей смеси в сталеразливочном ковше // Огнеупоры и техническая керамика. 2021. № 5–6. С. 12–18.Vil’danov S.K. Evaluation of effectiveness of the use of a refractory heat-insulating mixture in a steel-pouring ladle. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2021, no. 5–6, pp. 12–18. (In Russ.).Вильданов С.К. Исследование воздействия температуры, веса металла и огнеупорной футеровки на скорость охлаждения расплава в сталеразливочном ковше при использовании выборок ограниченного объема // Огнеупоры и техническая керамика. 2021. № 7–8. С. 28–34.Vil’danov S.K. Investigation of the effect of temperature, weight of metal and refractory lining on the rate of melt cooling in a steel-pouring ladle using samples of a limited volume. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2021, no. 7–8, pp. 28–34. (In Russ.).Вильданов С.К. Разработка и внедрение теплоизолирующих и шлакообразующих материалов серии «Изотерм-1600» // Сталь. 2018. № 9. С. 17–22.Vil’danov S.K. Development and implementation of heat-insulating and slag-forming materials of Isotherm-1600 series. Stal’. 2018, no.  9, pp. 17–22. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.