Технология разливки стали

Министерство образования и науки Республики Казахстан Гуманитарно-технический колледж при РГП Карагандинский Государственный Индустриальный Университет ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЁТ Производственная практика

00ПП.2 404 002.34−08.11.ТО Выполнил: учащийся гр. МЧМ 08 Сметанников А.Н.

Проверил: преподаватель ГТК Муравьёва Е.С.

Руководитель от предприятия Капитуров В.И.

Темиртау, 2010 г.

В современном индустриальном обществе сталь, благодаря широкому спектру целенаправленно регулируемых свойств, оптимальному соотношению цены и качества, хорошей способности к утилизации, остается базовым материалом стабильного развития общества. Сталь находит широкое применение во всех важнейших отраслях промышленности: строительстве высотных зданий, энергетике и экологической технике, транспорте, машинои мостостроении, автомобилестроении и бытовой технике.

В соответствии с ускоряющимися темпами развития общества, его индустриализации, растет потребление и производство стали в мировой металлургии. Характерно, что и производство стали на данном этапе тоже растет ускоренными темпами. За прошедшие десять лет объём производства стали вырос на 65,3%, а за последние пять лет — на 45,7%. Уже пятый год подряд уровень производства стали превышает один млрд.тонн. Несмотря на грянувший во второй половине 2008 г. мировой экономический кризис и некоторое снижение темпов потребления металлопродукции, по прогнозам, это явление кратковременное, и в обозримом будущем уровень производства стали в мире превысит 2 млрд.тонн.

Разливка стали в сталеплавильном производстве играет существенную роль. Именно она во многом определяет качество готовой металлопродукции. Практически 5000 лет металл разливали в формы, сейчас называемые изложницами. Промышленное применение в XX веке непрерывной разливки стало подлинной революцией в металлургии. Такая технология позволяет довести выход годных заготовок практически до 99,9% при существенной экономии материальных и энергетических ресурсов, улучшении условий труда по сравнению с классической технологией разливки стали в изложницы.

Как показывает мировой опыт, повышения эффективности металлургического комплекса удается достичь при создании гибкой технологической системы, включающей металлургические заводы, оснащенные высокоэффективными модулями, в которых обязательно присутствуют агрегаты ковш-печь и высокопроизводительные машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

1. Классификация видов разливки стали

В Металлургии известно 2 вида разливки стали. Это разливка в изложницы, и разливка на МНЛЗ (машина непрерывного литья заготовок).

Разливка в изложницы делится на 2 вида: первая — разливка сверху, вторая — разливка сифоном.

При разливке сверху сталь непосредственно из ковша поступает в изложницы, установленные на поддонах. После заполнения изложницы шиберный затвор закрывают, ковш везут к следующей изложнице, открывают затвор, сталью наполняется изложница, и цикл повторяется. Иногда применяют стальковши с 2 шиберным затвором для уменьшения времени разливки. Также сталь иногда сливают из сталь ковша в изложницы через промежуточные ковши, а иногда воронки.

Преимущества разливки сверху:

1. Более простая подготовка оборудования, удешевление процесса.

2. Отсутствие расхода металла на литники.

3. Температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.

Недостатки разливки сверху:

1. Появление дефекта плен из-за разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Он не сваривается с металлом при прокатке, благодаря чему поверхность заготовок приходится подвергать зачистке, удаляя участки с дефектами, что приводит к потерям металла.

2. Больше времени тратится на разливку.

3. Из-за большой длительности разливки снижается стойкость футеровки ковша, ухудшаются условия работы шиберного затвора и стопора, т.к. увеличивается время разливки и количество открываний и закрывании затвора или стопора.

Сифонная разливка основывается на правиле сообщающихся сосудов. В специальную центровую разливают сталь, затем от неё по каналам заполняются изложницы. Цикл разливки сифоном аналогичен разливке сверху, т. е. после наполнения всех изложниц на поддоне, шиберный затвор закрывают, и транспортируют к следующему поддону. Затем открывают шиберный затвор и цикл повторяется.

Преимущества сифонной разливки по сравнению с разливкой сверху:

1. Одновременно наполняется несколько изложниц, что сокращает длительность разливки.

2. Поверхность слитка чистая, т.к. металл поднимается спокойно без разбрызгивания.

3. Повышается стойкость футеровки ковша, улучшаются условия работы шиберного затвора и стопора, т.к. уменьшается время разливки и количество открываний и закрывании затвора или стопора.

3. По ходу разливки можно следить за скоростью истечения металла, т. е. регулировать скорость разливки.

Недостатки сифонной разливки:

1. Расход сифонного кирпича, установка дополнительного оборудования и значительные затраты труда на сборку поддонов и центровых. Всё это приводит к удорожанию процесса разливки.

2. Дополнительные потери металла в виде литников (0,6−2,6% от массы разливаемой стали), а также прорывы металла через сифонные кирпичи.

3. Необходимость дополнительного нагрева металла в печи до более высокой температуры, чем при разливке сверху т.к. он охлаждается в каналах сифонного кирпича.

На сегодняшний день более 98% всей выплавляемой стали в мире разливают на специальных машинах для разливки стали МНЛЗ. В том числе и на предприятии «АрселорМиталл Темиртау» начиная с 2005 года.

Принцип разливки:

Сталь выливается из сталь ковша в промковш через специальную защитную трубу, затем она из промковша сливается в кристаллизатор МНЛЗ через погружной стакан. Внутри сегментов она кристаллизуется, и при выходе из них она выходит в твёрдом виде (в виде слябов, блюмов или биллетов).

Преимущества разливки стали на МНЛЗ:

1. Повышается выход годного металла.

2. Меньше производственных шагов, т. е. отпадает необходимость в прокатке на обжимных станах, и нагрев слитков в нагревательных колодцах.

3. Повышается качество металла, в первую очередь вследствие снижения химической неоднородности из-за более быстрого затвердевания малых по толщине слитков.

4. Уменьшаются затраты ручного труда и улучшаются условия труда при разливке.

5. Возможность автоматизации процесса.

6. Сокращается длительность цикла от выпуска стали до получения заготовки.

7. Снижение расхода электроэнергии.

2. Сущность процесса непрерывной разливки и типы машин

Способ непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную форму — кристаллизатор. Частично затвердевший слиток непрерывно протягивают через него и дополнительно охлаждают в так называемой зоне вторичного охлаждения. В результате в процессе непрерывной заливки металла и его затвердевания образуется непрерывный слиток, который впоследствии разрезают на заготовки определенной длины. Форма и размеры поперечного сечения слитка определяются внутренними размерами и формой кристаллизатора, и, как правило, меньше поперечных размеров слитка средней массы, отлитого в изложницу. Способ непрерывной разливки имеет ряд существенных преимуществ перед разливкой в изложницы.

В верхней части слитка, отлитого в изложницу, имеется зона, обогащенная ликватами, а также усадочная раковина (в спокойной стали) или газовая полость (в кипящей стали). Поэтому при прокатке головная часть каждого слитка идет в обрезь, что снижает выход годного проката. При отливке непрерывного, постепенно наращиваемого слитка усадочная раковина (или газовая полость) будет одна на весь объем разливаемого металла. Таким образом, отходы на головную обрезь значительно снижаются и выход годного проката увеличивается на 6—12%.

авертикальная; бс изгибом заготовки; вс криволинейной технологической осью.

Рисунок 1- Типы МНЛЗ (для слитка 150 150 мм²)

Вследствие малых поперечных размеров слитка и высокой скорости кристаллизации стали ограничивается развитие ликвации. Слиток, отлитый на машине непрерывного литья, затвердевает в стабильных условиях и имеет высокую структурную и химическую однородность. Непрерывно литые слитки или заготовки прокатывают непосредственно на листовых или сортовых станах. Применение непрерывной разливки стали позволяет исключить из производственного цикла операции по подготовке разливочного состава или канавы, стрипперованию слитков, прокатке на обжимных станах и ряд других. Все это приводит к снижению капитальных затрат, устранению ряда трудоемких операций, сокращению длительности производственного цикла от выпуска стали до получения готового проката. Создаются широкие возможности для полной механизации и автоматизации разливки, повышения производительности и улучшения условий труда.

Наибольшее распространение получили машины следующих типов: вертикальные, радиальные, криволинейные и с изгибом заготовки (рисунок 1). В последнее время разрабатываются также МНЛЗ горизонтального типа. Несмотря на различие в конструкции все они работают по одной принципиальной схеме и состоят из следующих основных технологических узлов: кристаллизатора, зоны вторичного охлаждения, тянущей, а иногда и разгибающей клети и устройства для резки слитков.

На рисунке 2 приведена схема машины вертикального типа. Процесс непрерывной разливки осуществляется следующим образом. Сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, предварительно подогретый до температуры 1100—1300 °С. Из промежуточного ковша металл заливают в полость кристаллизатора, куда предварительно введена так называемая затравка, поперечное сечение которой равно сечению отливаемого слитка. Верхний конец затравки образует дно в кристаллизаторе и имеет устройство для сцепления со слитком (ласточкин хвост), а нижний находится между тянущими роликами. Когда столб металла над затравкой достигает высоты 300—400 мм, включают механизм вытягивания заготовки. Одновременно уровень металла доводят на 100—120 мм ниже верхней кромки кристаллизатора. При контакте жидкой стали с холодной поверхностью затравки и кристаллизатора на нижней и боковой поверхностях слитка быстро образуется корочка. Из кристаллизатора слиток с еще жидкой сердцевиной поступает в зону вторичного охлаждения, состоящую из массивных брусьев или роликов и группы форсунок, подающих воду на поверхность слитка. Холостые ролики предохраняют слиток от выпучивания корочки по широким граням, что может происходить вследствие высокого давления столба жидкой стали. В результате интенсивного охлаждения твердая корочка быстро нарастает. Степень охлаждения и скорость вытягивания слитка подбирают такими, чтобы жидкая сердцевина его затвердевала ранее, чем слиток достигнет клети тянущих роликов.

Затвердевший слиток разрезают с помощью газового резака на заготовки. Резак автоматически перемещается вместе со слитком и после окончания резки возвращается в исходное положение (перемещается вверх). Заготовки поступают в корзины кантователя и под действием собственного веса опрокидываются на рольганг, который выводит заготовку из корзины и подает ее на подъемник. Заготовка по рольгангу выходит из машины и направляется в прокатные цехи или на склад для удаления дефектов.

1- разливочный ковш; 2- промежуточный ковш; 3- кристаллизатор;

4- ролики; 5- группа форсунок; 6- газовый резак; 7-тянущие ролики; 8- подъёмник; 9-рольганг.

Рисунок 2 — Схема МНЛЗ вертикального типа.

Машины вертикального типа получили широкое распространение особенно в СССР. На них была освоена разливка десятков марок сталей в том числе и качественных. Размеры слитков, отливаемых на вертикальных МНЛЗ, колеблются от 50×50 до 300×1850 мм². Выход годных слитков достигает 95—98% от жидкого металла.

Вместе с тем у машин этого типа есть и существенные недостатки. Размещение всех технологических узлов по вертикали обусловила большую высоту установки. Общая длина слитка L_? в момент окончания резки складывается из длины мерной заготовки L_заг, длины участка резки L_рез и длины слитка L_СЛ от уровня мениска жидкого металла в кристаллизаторе до горизонта, соответствующего началу резки:

L_? = L_заг + L_рез + L_сл.

Величина L_заг определяется требованиями прокатки, L_рез зависит от способа резки, поперечных размеров слитка и скорости вытягивания. Величина L_сл должна быть равна пути, достаточному для полного затвердевания слитка, другими словами, не меньше длины жидкой фазы в слитке L_ж, т. е. L_сл?L_ж В свою очередь, протяженность лунки жидкого металла связана с линейной скоростью вытягивания (скоростью разливки V_раз) и временем полного затвердевания слитка, т. е.

L_ж = V_разл.

Кристаллизация непрерывного слитка с некоторыми допущениями подчиняется известному закону квадратного корня

=К,

откуда время затвердевания

= (1/K²)

где — толщина затвердевшей корки; K— коэффициент кристаллизации.

На основании опытных данных глубина жидкой фазы L_ж (см) в зависимости от толщины слитка, а (см) и скорости разливки v (см/мин) может быть выражена зависимостью: L_ж= (0,0290,034) a²v для плоского слитка; L_ж — 0,024а²v — для квадратного слитка. Время полного затвердевания слитка толщиной 150 мм составляет 6—7 мин, 200 мм — около 13 мин, а протяженность жидкой фазы при скорости вытягивания 0,7—0,9 м/мин — от 6,5 до 9,5 соответственно. Для слитков большего сечения она может превышать 10 м.

Таким образом, как увеличение сечения слитка, так и повышение скорости разливки неизбежно должно сопровождаться увеличением L_ж а значит, и общей высоты установки. С увеличением L_ж возрастает ферростатический напор, а это требует усиления жесткости зоны вторичного охлаждения. Современные машины вертикально типа достигают высоты 40—43 м. Их сооружение требует или большого заглубления — до 25—27 м ниже уровня пола цеха, или строительства высоких зданий. И в том и в другом случае с увеличением высоты установки резко возрастают капитальные затраты, усложняются их эксплуатация и технологический процесс разливки. Поэтому одним из недостатков МНЛЗ вертикального типа является ограничение скорости разливки или сечения слитка, а значит, и производительности установки. Это, в свою очередь, означает, что на машинах вертикального типа нельзя разливать плавки с большегрузных агрегатов, например конвертеров садкой 300—400 т, разливка которой потребовала бы длительной выдержки металла в ковше. Кроме того, ограничение высоты установки ограничивает и длину единичной заготовки, а ее вертикальное положение исключает совмещение МНЛЗ с прокаткой в непрерывный процесс. Повысить производительность МНЛЗ можно за счет увеличения числа ручьев до 8—12, что, однако, усложнит ее конструкцию и эксплуатацию.

Стремление снизить высоту привело к созданию машин с расположением технологических узлов по криволинейной оси. При этом слиток формируется в криволинейном (радиальном) кристаллизаторе и криволинейной зоне вторичного охлаждения или же первоначально прямой слиток изгибается в специальном устройстве (МНЛЗ с изгибом заготовки). В обоих случаях криволинейный слиток затем разгибается и выводится в горизонтальное положение. МНЛЗ подобного типа имеют меньшую высоту (см. рисунок 1), легче могут быть смонтированы в условиях существующего цеха, но требуют большей производственной площади.

Установки рассмотренных выше типов трудно, а часто и невозможно разместить в существующих зданиях сталеплавильных цехах. Для отливки непрерывных сортовых заготовок малого сечения и широкого сортамента в цехах с агрегатами малой и средней емкостью разработаны и внедряются горизонтальные МНЛЗ. Для машин этого типа характерно горизонтальное или с небольшим уклоном (до 15—20°) положение технологической оси. Это обстоятельство обусловливает существенные отличия в конструкции машин и технологии разливки. Машина имеет следующие основные технологические узлы (рисунок 3): металлоприемник — емкость, футерованную огнеупорным кирпичом; металлопровод — узел, подающий металл в кристаллизатор, состоящий из металлического корпуса и огнеупорного стакана из нитрида бора, карбида кремния и т. п.; кристаллизатор — медный или комбинированный (медь—графит) холодильник, охлаждаемый водой; зону вторичного охлаждения в виде рольгангов; тянущее устройство, обеспечивающее периодическое вытягивание слитка; устройство для резки слитка.

1-металлоприёмник; 2-металлопровод; 3-холодильник; 4-зона вторичного охлаждения; 5-тянущее устройство; 6-газовый резак.

Рисунок 3 — МНЛЗ горизонтального типа.

Особенно ответственным участком МНЛЗ является узел сочленения металлоприемника и кристаллизатора. Наиболее распространенным является их жесткое соединение с креплением на неподвижной или подвижной плите. С целью облегчения движения слитка и предотвращения его зависания в кристаллизаторе вытягивание производится в периодическом режиме, что обеспечивается тянущим устройством, а иногда циклическим перемещением узла металлоприемник—кристаллизатор. Для горизонтальных МНЛЗ характерны компактность, простота и удобство обслуживания оборудования, а следовательно, и низкие капитальные затраты. На этих машинах успешно отливаются заготовки круглого и квадратного сечения размером до 130×130 мм при скорости вытягивания до 2,5 м/мин. Производительность многоручьевых установок может достигать 100 т/ч; возможна разливка нескольких плавок за один цикл. МНЛЗ может быть совмещена с прокатным станом в единую непрерывную технологическую линию. Иногда заготовки используют также для электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Вследствие низкого ферростатического давления в горизонтальном слитке нет вспучивания по граням, что позволяет облегчить конструкцию зоны вторичного охлаждения.

Вместе с тем имеет место несимметричность в условиях охлаждения и кристаллизации слитка, возникает опасность разрывов корки за счет высокого трения в кристаллизаторе, в тяжелых условиях, работает узел металлопровода. Поэтому конструкция горизонтальных МНЛЗ и технология разливки еще нуждаются в дополнительной разработке и усовершенствовании.

Для отливки слитков ограниченной длины из сталеплавильных агрегатов малой и средней емкости получили некоторое распространение машины полу непрерывного литья заготовок. На них отливаются слитки длиной до 10—14 м, обычно используемые в качестве электродов для переплавных процессов. Это машины вертикального типа, но имеющие существенные конструктивные отличия от ранее описанных. Прежде всего здесь отпадает необходимость в устройстве для резки и выдачи слитков, нет также обычной тянущей клети слиток вытягивается с помощью специального устройства, которое перемещается вместе с ним относительно неподвижных направляющих. Зона вторичного охлаждения в виде массивных брусьев скреплена в единую раму, которая может поворачиваться в горизонтальное положение. Слиток с затравкой полностью вытягивается кристаллизатора и окончательно затвердевает в вертикальном положении в зоне вторичного охлаждения. После необходимой выдержки вся конструкция вместе со слитком поворачивается на 90° и слиток выдается на приемный рольганг, где он отделяется от затравки. Затем вся конструкция снова возвращается в вертикальное положение и готовится для приема следующей плавки.

В настоящее время эксплуатируются несколько типов машин с криволинейной технологической осью. Наибольшее распространение в мировой практике получили МНЛЗ радиального типа (рисунок 4). В этих машинах кривизна слитка, заданная кристаллизатором, сохраняется неизменной до его полного затвердевания. Соответственно ролики вторичного охлаждения, поддерживающие слиток, располагаются по дуге окружности с постоянным радиусом. Выпрямление полностью затвердевшего слитка производится одно стадийное при выходе его в горизонтальное положение валками правильно-тянущего устройства. Далее затвердевший слиток может быть разрезан на заготовки любой требуемой длины. Длина криволинейной части слитка составляет четверть окружности с радиусом R. Из условия полного затвердения к моменту выпрямления эта длина должна быть равна или больше протяженности жидкой фазы

L_ж = R/2.

Высота установки от верха кристаллизатора до выхода технологической оси на горизонталь соответственно будет равна R. Таким образом, протяженность жидкой фазы, а значит и путь, где происходит затвердевание слитка, будет примерно в 1,5 раза больше высоты. Следовательно, для слитка равного сечения при одинаковых условиях охлаждения соответственно может быть выше, чем для вертикальной МНЛЗ, и скорость вытягивания слитка, т. е. скорость разливки.

1-машина заведения затравки; 2-кристаллизатор; 3-промковш; 4-защитная труба; 5-стальковши; 6-поворотный стенд; 7-погружной стакан; 8-механизм качания кристаллизатора; 9-роликовые сегменты.

Рисунок 4- МНЛЗ радиального типа Важнейшим конструктивным параметром радиальной установки является радиус технологической оси. Его величина определяется так, чтобы обеспечить длину пути, достаточную для полного затвердевания слитка к моменту разгибания при заданной линейной скорости вытягивания, и не превысить допустимую степень деформации при разгибании, что могло бы привести к образованию трещин и разрывов на слитке. Исходя из допустимой величины относительного удлинения, равной для стали вблизи температуры кристаллизации 2,2%, величина радиуса должна отвечать условию R? 22,8 b, где b— толщина слитка. Практически это отношение принимается с некоторым запасом. Так, для слитков квадратного сечения рекомендуется эмпирическая формула

R=132b/,

а для прямоугольных

R = 100 (1 +)/(),

где — отношение ширины к толщине слитка.

Ниже приведены рекомендованные соотношения этих величин для отливки слябов из углеродистой стали:

Толщина слитка, мм … 50 100 100 305

Радиус кривизны, м 1,7 3,4 6,7 10,0

Для радиальной машины проектной производительностью 1,25 млн. т в год при скорости вытягивания до 1,7 м/мин и сечении слябов до 315×1900 мм² принята величина R = 12 м. С таким же радиусом кривизны эксплуатируются МНЛЗ для отливки сортовой заготовки размером 250×320 мм.

Другим наиболее распространенным типом являются криволинейные МНЛЗ с переменным радиусом кривизны и постепенным разгибанием слитка. В этих машинах первоначальная кривизна слитка также определяется радиальным кристаллизатором. Однако деформация слитка с еще не затвердевшей средней частью начинается на некотором расстоянии от него в зоне вторичного охлаждения. На этом участке радиус кривизны слитка плавно изменяется, а технологической оси придается профиль гиперболы, параболы или клотоиды. В МНЛЗ этого типа осуществляется многостадийная деформация оболочки слитка с последующим выпрямлением заготовки. Рассредоточенная и равномерная по длине участка разгибания деформация производится с малой скоростью, что снижает локальные напряжения в корочке слитка. Однако металл деформируется в двухфазном состоянии, когда внутренняя часть корочки обладает очень низкой прочностью, поэтому существует опасность образования внутренних трещин в слитке. Это является одним из недостатков криволинейных МНЛЗ.

При конструировании криволинейных МНЛЗ и выборе профиля технологической оси стремятся обеспечить минимальные деформации и достаточную толщину корочки слитка к моменту начала разгибания. Для этого на первом участке зоны вторичного охлаждения поддерживающие ролики или брусья расположены по дуге окружности, соответствующей кривизне кристаллизатора. Далее следует участок разгибания с плавным увеличением радиуса кривизны и затем горизонтальный участок, где происходит полное затвердевание слитка. Протяженность этих участков, например для МНЛЗ, имеющей начальный радиус 12 м и предназначенной для отливки заготовок 250×1850 мм², составляет: радиальной части 12,4 м (центральный угол 62°), участка разгибания 10,1 м, горизонтальной 7,5 м при общей технологической длине 30 м. Существенным достоинством криволинейных МНЛЗ является еще меньшая, чем у радиальных, общая высота. Для МНЛЗ, на которых отливаются крупные слябовые заготовки, эта разница может достигать 1,5—2,0 м. В целом МНЛЗ с криволинейной технологической осью обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с вертикальными: большая скорость разливки и возможность принимать большегрузные плавки; меньшая в 3—4 раза высота установки; возможность получения неограниченного по длине слитка; капитальные затраты на 30—50% ниже при равной производительности; облегчается обслуживание МНЛЗ, так как основное технологическое оборудование располагается над уровнем пола цеха; при горизонтальной выдаче заготовок возможно осуществление прокатки непосредственно после отливки заготовок.

Однако МНЛЗ указанных типов не свободны и от ряда недостатков: сложность конструкции криволинейной зоны вторичного охлаждения; необходимость иметь выпрямляющий механизм, а в случае установки с изгибом заготовки и тянуще-изгибающий механизм; трудности в обеспечении равномерного охлаждения слитка по грани большого и малого радиусов в зоне вторичного охлаждения, в результате чего возможно неоднородное строение слитка; одинарное или двойное изгибание слитка, которое может привести к появлению трещин, особенно для стали с повышенной чувствительностью к красноломкости. Поэтому при выборе типа машины в условиях высокопроизводительных цехов предпочтение следует отдать радиальным и криволинейным МНЛЗ.

3. Технологические узлы МНЛЗ

Промежуточный ковш, обеспечивающий подвод жидкого металла из сталеразливочного ковша в кристаллизатор — это ковш небольшой (менее 1,6 м) высоты с одним, а на многоручьевых УНРС с несколькими разливочными стаканами, как правило, имеющими стопора; ковш вмещает от 8—10 до 15% массы металла в сталеразливочном ковше. Помимо подвода жидкого металла в кристаллизатор промежуточный ковш обеспечивает постоянство условий подачи металла в кристаллизатор в течение всей разливки, т. е. одинаковый и небольшой напор струи металла, поступающего в кристаллизатор (за счет поддержания в ковше постоянного уровня металла высотой 0,6—1,2 м); регулирование стопором скорости подачи металла в кристаллизатор; подачу металла в несколько кристаллизаторов на многоручьевых УНРС; разливку по методу «плавка на плавку» (запас металла в промежуточном ковше позволяет продолжать разливку в периоды, когда опорожненный сталеразливочный ковш заменяют новым).

На сортовых УНРС для отливки слитков малого сечения (менее 125×125 мм) иногда применяют промежуточные ковши со стаканами-дозаторами без стопоров. Постоянство уровня металла в кристаллизаторе поддерживают при этом изменением скорости вытягивания слитка из кристаллизатора (скорости разливки).

Промежуточный ковш по устройству схож с аналогичными ковшами для разливки стали в изложницы; в поперечном сечении промежуточные ковши чаше всего имеют форму вытянутого прямоугольника, чтобы обеспечить на многоручьевых УНРС подачу металла в несколько кристаллизаторов, обычно располагаемых в одну линию. Футеровка ковша имеет арматурный слой из шамотного кирпича и рабочий слой из шамотного кирпича или из огнеупорной массы (набивной, наливной, либо нанесенной путем торкретирования). Рабочий слой заменяют после разливки одной-пяти плавок. Для снижения теплопотерь ковши накрывают футерованными крышками, а до начала разливки футеровку прогревают до температуры 900−1200 °С.

Кристаллизатор является важнейшим конструктивным элементом УНРС; он должен обеспечить быстрое формирование достаточно толстой и прочной корки слитка без дефектов. Для обеспечения этого и предотвращения расплавления самого кристаллизатора при подаче в него жидкой стали, стенки кристаллизаторов делают водоохлаждаемыми, а внутреннюю их часть, соприкасающуюся с жидким металлом, выполняют из меди. Медь, несмотря на ее легкоплавкость (температура плавления 1083 °С) и невысокую твердость и прочность, применяют потому, что благодаря высокой теплопроводности она быстро передает тепло охлаждающей воде и даже при контакте с жидкой сталью не перегревается и сохраняет прочность.

Применяют кристаллизаторы трех типов: блочные, гильзовые и составные. Блочные кристаллизаторы делают из кованого или литого медного блока, толщина их стенок составляет 150—175 мм. В стенках блока сверлят продольные отверстия для охлаждающей воды. Гильзовые кристаллизаторы делают из медной гильзы (трубы) с толщиной стенки 6−20 мм, которую закрепляют в наружном стальном кожухе. Охлаждающая вода проходит по узкой (около 5 мм) щели между медной и стальной стенками со скоростью 6—7,5 м/с. Блочные и гильзовые кристаллизаторы применяют для отливки слитков небольшого сечения (менее 200×200 мм).

Наибольшее распространение получили составные (сборные) кристаллизаторы, которые выполняют из четырех отдельных стенок, скрепленных в одно целое с помощью специальных стяжных устройств. Общий вид одной из разновидностей подобных кристаллизаторов показан на рисунок 5 (кристаллизатор для отливки слитков плоского сечения). Каждая стенка составного кристаллизатора состоит из медной и стальной пластин (плит), скрепленных друг с другом с помощью шпилек. Медная плита обеспечивает быстрый теплоотвод, стальная — придает стенке прочность и при больших размерах плиты ее делают литой с ребрами жесткости (рисунок 5,11).

1 — стяжной болт; 2 и 3 — ось и сухарь для регулирования положения узкой стенки; 4 — стальная плита; 5 — водоподводяший коллектор; 6 — направление движения воды; 7 — каналы для воды в медных плитах; 8 — каналы для воды в стальных плитах; 9 — медная плита; 10 — слив воды; 11 — ребра жесткости; 12 — опора кристаллизатора на раму механизма качания.

Рисунок 5- Составной кристаллизатор с петлевой системой охлаждения для отливки плоских слитков Составные кристаллизаторы подразделяют на тонкостенные и толстостенные. Первые (рисунок 6а) имеют медную пластину толщиной 10—20 мм, причем в медной или стальной пластине вырезаны продольные канавки для охлаждающей воды так, что вода в них движется между медной и стальной пластинами. Недостаток таких кристаллизаторов в том, что в результате напряжений, возникающих из-за разности температур жидкой стали и охлаждающей воды, медные пластины малой толщины сравнительно легко коробятся, что вызывает их усиленный износ вытягиваемым слитком и неравномерное прилегание различных участков стенок кристаллизатора к поверхности слитка. Последнее способствует возникновению поверхностных трещин (продольных, паукообразных и иногда поперечных) и ужимин на слитке. По этой причине применяют в основном толстостенные кристаллизаторы, имеющие медные плиты толщиной 50—100 мм, в которых просверлены (см. рисунок 6б) круглые продольные каналы для охлаждающей воды обычно диаметром 20 мм. Благодаря меньшему короблению толстых медных плит стойкость толстостенных кристаллизаторов значительно выше, чем тонкостенных и снижается пораженность слитка поверхностными дефектами. Форма поперечного сечения внутренней полости кристаллизатора определяется сечением отливаемого слитка. Высоту кристаллизатора выбирают такой, чтобы за время пребывания в нем металла успела сформироваться достаточно прочная (толщиной 10—25 мм) наружная оболочка слитка; эта высота составляет 0,7−1,2 м.

1 — медная плита; 2 — стальная плита; 3 — канавка для воды; 4 — сверленый канал для воды; 5 — шпильки.

Рисунок 6 — Поперечное сечение составных кристаллизаторов — тонкостенного (а) и толстостенного (б) Внутреннюю рабочую поверхность стенок кристаллизаторов изготовляют гладкой или волнистой. Волнистая поверхность снижает пораженность слитка продольными трещинами. Из-за малой твердости и прочности меди внутренняя поверхность стенок кристаллизатора сравнительно быстро изнашивается и повреждается в результате трения о поверхность вытягиваемого слитка. Поэтому составные кристаллизаторы после разливки 40—70 плавок разбирают и поврежденный рабочий слой стенок сострагивают, после чего кристаллизатор собирают и вновь эксплуатируют. Такую операцию повторяют до трех-пяти раз за время службы медной стенки, что позволяет уменьшить расход меди. С целью повышения износостойкости все шире применяют покрытие рабочей поверхности медных стенок тонким слоем более износостойких материалов; в частности, находят применение хромовое, никелевое, железоникелевое, железоникелевое, вольфрамовое и другие покрытия. Покрытия имеют толщину от 0,15 до 1 мм, их наносят гальваническим методом, напылением, наплавкой и другими способами. Кроме того, для изготовления стенок кристаллизаторов пробуют применять сплавы на основе меди, обладающие более высокой износостойкостью (сплавы содержащие до 0,1—2,5% серебра, хрома, кобальта, никеля и др.).

Применяют кристаллизаторы с прямоточной и петлевой системами охлаждения. В первом случае воду подводят отдельно к каждой из четырех стенок, по каналам которой она движется снизу вверх; после чего уходит на слив. При петлевой системе, применяемой в кристаллизаторах прямоугольного сечения, вода проходит по каналам стенок дважды; вначале (см. рисунок 5) по каналам торцевых стенок и краям широких она движется сверху вниз, а затем по каналам средней части широких стенок — вверх. Петлевая система позволяет снизить расход воды примерно в два раза. Подвод и отвод воды к каналам медных стенок осуществляют либо по кольцевым трубам, охватывающим верх и низ кристаллизатора, либо по каналам в стальных плитах. Скорость воды в каналах кристаллизатора должна быть не менее 5 м/с, температура отходящей воды не выше 40 °C; расход воды составляет около 90 м³/ч на 1 м периметра полости кристаллизатора, при прямоточном охлаждении.

Конструкция кристаллизаторов непрерывно совершенствуется. Так созданы и начали применяться регулируемые кристаллизаторы, позволяющие изменять по ходу разливки ширину отливаемого плоского слитка за счет автоматического перемещения узких стенок между широкими с помощью электромеханического или гидравлического привода. Получают распространение комбинированные УНРС, позволяющие отливать через один кристаллизатор либо плоский слиток большой ширины, либо два слитка меньшей ширины; это достигается за счет установки в кристаллизаторе водоохлаждаемой перегородки, которая разделяет полость кристаллизатора на две половины, в каждую из которых подают металл через отдельный разливочный стакан (например, можно отливать один слиток плоского сечения шириной 2700 мм или два слитка шириной по 1300 мм).

За рубежом начали применять кристаллизаторы со спрейным (струйным) охлаждением стенок. Такой кристаллизатор представляет собой тонкостенную медную гильзу, закрепленную в стальной камере, внутри которой размешены рядами форсунки, подающие струи воды на всю поверхность медной гильзы.

Механизм качания кристаллизатора обеспечивает в течение всей разливки возвратно-поступательное движение кристаллизатора вверх-вниз, т. е. вдоль отливаемого слитка, что необходимо для предотвращения отрыва верхней тонкой части корки от движущегося слитка вследствие трения о стенки кристаллизатора. В случае отрыва верхняя часть корки зависает на стенках кристаллизатора, а место разрыва движется с остальной частью слитка вниз, и после его выхода из кристаллизатора происходит вытекание жидкого металла в зону вторичного охлаждения (прорыв металла под кристаллизатором) с аварийной остановкой разливки.

Подобные «зависания» и «прорывы» постоянно наблюдались в годы освоения непрерывной разливки, когда кристаллизаторы устанавливали неподвижно. Положительное воздействие внедренного позднее возвратно-поступательного движения объясняется следующим: в период совместного движения кристаллизатора и слитка вниз трение между ними отсутствует и затвердевающая корка слитка утолщается и упрочняется так, что при последующем движении кристаллизатора вверх она не разрывается. В то же время при движении вверх становятся доступными для смазки те участки поверхности стенок кристаллизатора, которые в момент его движения вниз оказываются залитыми жидким металлом; смазка же уменьшает трение и тем самым также снижает возможность разрыва и зависания корки слитка.

Движение кристаллизатора вверх и вниз чаще всего осуществляют по синусоидальному закону, величина шага качания изменяется в пределах 3 — 20 мм, частота от 40 до 200—300 циклов в минуту, обычно при увеличении скорости частоту качания увеличивают.

Существует несколько типов механизмов качания кристаллизаторов. На криволинейных УНРС наибольшее применение получил механизм параллелограммного типа, схематически показанный на рисунке 7.

1- криволинейный кристаллизатор; 2- рама; 3- механизм качания; 4- ось; 5- рычаги; 6- шатун; 7- кривошип.

Рисунок 7- Механизм качания кристаллизатора Криволинейный кристаллизатор закреплен в раме, опирающейся на рычаги и механизма качания. Вращаемый с помощью электродвигателя кривошип обеспечивает перемещение шатуна по направлению стрелок «А» и тем самым качание рычага вокруг оси. Воздействие качающегося рычага в сочетании с рычагом вызывает перемещение рамы с кристаллизатором вверх-вниз по траектории дуги с радиусом R. Изменяя число оборотов двигателя, регулируют частоту качания кристаллизатора, а изменяя величину радиуса кривошипа — величину амплитуды качания.

Зона вторичного охлаждения представляет собой располагаемую ниже кристаллизатора часть УНРС, где на поверхность движущегося слитка подают охлаждающую среду. Как уже отмечалось, в этой зоне от слитка должно отбираться тепло, выделяющееся при кристаллизации жидкого металла, а поверхность слитка не должна охлаждаться ниже 800—1000 °С. Чтобы достичь этого применяют «мягкое» охлаждение (распыленной водой, водовоздушной смесью), рассредоточивая его на большое расстояние по длине слитка (на 70—90% протяженности жидкой фазы, т. е. металлургической длины УНРС).

Оборудование зоны вторичного охлаждения состоит из охлаждающих и опорных устройств; обычно эта зона заключена в герметичный кожух, необходимый для улавливания пара, образующегося при испарении подаваемой на горячий слиток воды. Охлаждающие устройства при водяной системе охлаждения (рисунок 8) представляет собой систему трубопроводе с запорными и регулирующими устройствами и многочисленными форсунками, распиливающими подаваемую на слиток воду. В последние годы начали применять водовоздушное охлаждение, т. е. подачу через распиливающие форсунки водовоздушной смеси; в этом случае к форсункам помимо воды подводят сжатый воздух, либо перед форсунками устанавливают смесители воды и воздуха. Это охлаждение по сравнению с водяным имеет ряд преимуществ: более тонко распыливается вода, более равномерно распределяются водяные капли в выходящем из форсунки «факеле» и он орошает большую площадь поверхности слитка, что делает охлаждение более «мягким», снижая неравномерность температур поверхности слитка и пораженность слитка поверхностными трещинами; расширяется диапазон регулирования интенсивности охлаждения за счет возможности изменения соотношения воды и воздуха в смеси; снижается расход воды на вторичное охлаждение. Форсунки располагают между опорными роликами (рисунок 8) или брусьями в один, два, три ряда вдоль направления движения слитка в зависимости от его ширины. При отливке плоских слитков охлаждают широкие грани; у узких граней форсунки устанавливают лишь под кристаллизатором. Интенсивность охлаждения должна уменьшаться по мере удаления слитка от кристаллизатора. С тем, чтобы обеспечить постепенное снижение расхода воды, зону вторичного охлаждения делят по длине на несколько (до восьми) секций, объединяющих группу форсунок и имеющих самостоятельный подвод воды. Регулирование расхода воды по секциям в зависимости от скорости разливки, температуры поверхности слитка и иногда других параметров производят автоматически в соответствии с разработанными для этих случаев режимами. Обычно длину секций вторичного охлаждения делают равной длине роликовых секций УНРС.

1 — слиток; 2 — опорный ролик; 3 — форсунка; 4 — трубчатый коллектор; 5 —задвижка.

Рисунок 8. Секция вторичного охлаждения криволинейной УНРС сталеплавильный кристаллизатор углеродистый сталь Опорные устройства системы вторичного охлаждения предназначены для предотвращения деформации (выпучивания) тонкой затвердевшей корки слитка под воздействием давления вышележащих слоев жидкой стали, находящейся в центральной, не затвердевшей части слитка. В вертикальных УНРС и установках с изгибом слитка опорные устройства выполняют в виде системы вращающихся не приводных опорных роликов. На некоторых вертикальных УНРС в верхней части зоны вторичного охлаждения вместо опорных роликов устанавливают более прочную систему продольных чугунных брусьев, по которым скользит поверхность движущегося слитка.

В УНРС с криволинейной осью опорные устройства представляют собой ролики, образующие роликовую проводку, внутри которой движется слиток. Опорные устройства выполняют так, что расстояние между рядами роликов и брусьев можно изменять; это позволяет быстро перестраивать УНРС при отливке слитков разной толщины. В УНРС криволинейного типа нижний ряд роликов является базовым, а верхний можно перемещать тянущие устройства. В вертикальных УНРС это устройство располагают ниже зоны вторичного охлаждения; оно представляет собой одну-две тянущих клети, каждая из которых включает закрепленные в одной станине две или три пары валков, соединенных с приводом и прижимаемых к слитку с помощью гидроцилиндров. В УНРС с изгибом слитка имеется два тянущих устройства — тянущая клеть в конце вертикального участка установки и тянуще-правильные ролики, обеспечивающие выпрямление слитка и его дальнейшее перемещение в горизонтальном направлении.

В слябовых криволинейных и радиальных УНРС движение слитка обеспечивают снабженные приводом (приводные) ролики роликовой проводки; последняя обычно выполнена из нескольких секций, объединяющих в одном каркасе от двух до семи пар роликов. При этом верхняя часть проводки (до 2,5—3,5 м от уровня металла в кристаллизаторе) является не приводной, а далее следует приводная часть проводки. В ней число приводных роликов в секциях увеличивается по мере отдаления от кристаллизатора, а на участке перевода движения слитка в движение по горизонтали все ролики делают приводными. На некоторых радиальных УНРС в месте разгибания слитка имеется правильно-тянущая машина, выделенная в отдельный блок часть приводной роликовой проводки.

У сортовых радиальных УНРС в большинстве случаев роликовые проводки являются не приводными, а на участке разгибания слитка располагают тянуще-правильную машину, которая выпрямляет и тянет слиток.

Необходимое усилие прижатия приводных роликов к слитку на разных УНРС, обеспечивают с помощью гидроцилиндров или пружинно-винтовым устройством.

Затравка предназначена для образования временного дна в кристаллизаторе перед началом разливки и для вытягивания первых метров отливаемого слитка. На вертикальных и горизонтальных УНРС затравка представляет собой металлическую штангу такого же сечения, что и отливаемый слиток. На криволинейных установках применяют гибкие (цепные) затравки из шарнирно соединенных звеньев; на радиальных УНРС — как цепные, так и жесткие в виде дугообразного бруса по форме сечения одинакового со слитком. Затравки цепного типа могут быть с жесткими звеньями постоянной толщины и звеньями изменяемой толщины (надувные). В надувной затравке каждое звено состоит из корпуса и подвижной крышки (пластины), между которыми по всей длине затравки проложены резинотканевые рукава; при подаче в рукава сжатого воздуха крышки приподнимаются и толщина звеньев и затравки увеличивается до необходимой величины, определяемой расстоянием между роликами.

Затравка снабжена головкой, в которой имеется углубление в виде «ласточкиного хвоста» или Г-образной формы (рисунок 9); сечение головки затравки соответствует сечению отливаемого слитка. Перед началом разливки затравку вводят в кристаллизатор и ее головка образует временное дно, а низ затравки находится в тянущих валках. Заливаемый в кристаллизатор металл застывает в углублении головки, обеспечивая сцепление затравки со слитком. При включении тянущих валков затравка начинает двигаться вниз и тянет за собой слиток. После выхода затравки из тянущих валков ее отделяют от слитка.

а — с головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста; б — с Г-образной головкой; 1 — затравка; 2 — головка затравки; 3 — кристаллизатор.

Рисунок 9- Затравка в кристаллизаторе перед началом разливки Устройство для резки слитка на куски определенной длины (заготовки) представляет собой газорезку и реже гидравлические ножницы. Газорезка — это подвижная тележка, снабженная двумя газокислородными резаками, которые при резке перемещаются поперек слитка, а сама газорезка при этом движется вместе со слитком, сцепляясь с ним перед началом резки пневматическими захватами. Иногда синхронизацию перемещения газорезки со слитком осуществляют электрорегулирующим устройством. После окончания резки газорезка возвращается в исходное положение, после чего цикл повторяется. Недостатком газовой резки являются потери металла, превращающегося в месте резки в окалину. Оборудование для быстрой смены ковшей. Современные УНРС оборудуют поворотными и иногда передвижными стендами, которые удерживают во время разливки сталеразливочный ковш над промежуточным и обеспечивают быструю замену ковшей при разливке методом «плавка на плавку». Поворотный стенд (рисунок 10) имеет располагаемую на основании 1 поворотную платформу 2, на которую через ось 6 опирается консоль 7. В подвесках 4 консоли можно установить два ковша; вертикальное перемещение ковша достигают качанием консоли, при этом тяга 3 обеспечивает плоскопараллельное движение подвесок и ковшей. При разливке методом «плавка на плавку» после опорожнения ковша 5б стенд поворачивают на 180°, устанавливая тем самым второй ковш 5а над промежуточным, и тотчас начинают подачу металла из второго ковша в промежуточный. Разливка во время поворота стенда продолжается за счет расходования металла, имевшегося в промежуточном ковше.

Для замены промежуточных ковшей в сочетании с поворотными стендами применяют тележки, перемещаемые под стендом по прямолинейному или кольцевому рельсовому пути. Тележка второго типа (см. рисунок 10) имеет нижние приводные колеса и верхние не приводные 11, опирающиеся на основание поворотного стенда. Промежуточный ковш устанавливают на несущей раме 9 тележки и для его замены передвигают тележку, подавая на ее место вторую с новым промежуточным ковшом; подачу металла в кристаллизатор при этом прекращают на 1—2 мин.

1 — опорная станина; 2 — поворотная платформа; 3 — тяга; 4 — подвеска; 5, а и 5, б — сталеразливочный ковш; 6 — ось крепления консоли; 7 — консоль; 8 — промежуточный ковш; 9 — несущая рама тележки; 10 — тележка; 11 — опорные ролики; 12 — рабочая площадка УНРС.

Рисунок 10- Поворотный стенд УНРС

4. Технология непрерывной разливки стали

Непрерывная разливка стали из агрегатов большой емкости может осуществляться лишь на высокопроизводительных МНЛЗ. Если продолжительность разливки из конвертера садкой 300—350 т не должна превышать 60—70 мин, то скорость разливки на двух ручьевой МНЛЗ должна составлять 150—170 т/ч на каждый ручей.

Повышение производительности установки может быть достигнуто в результате увеличения числа ручьев, поперечного сечения или скорости вытягивания слитка. При увеличении числа ручьев усложняются конструкция и обслуживание установки, возрастают капитальные затраты на ее сооружение. Увеличение поперечного сечения слитка связано с повышением затрат при последующей прокатке и опасностью возникновения дефектов, присущих крупному слитку. Кроме того, повышение производительности достигается лишь в том случае, если не происходит снижения линейной скорости вытягивания слитка. Повышение скорости разливки может привести к возникновению ряда дефектов слитка или даже к аварии в случае прорыва жидкого металла при недостаточной толщине твердой оболочки слитка.

С целью дегазации перспективно применение вакуумной обработки стали в процессе ее разливки. Для уменьшения опасности вторичного окисления стали при разливке на МНЛЗ необходимо предусмотреть защиту струи на участке сталеразливочный ковш — промежуточный ковш — кристаллизатор, а также зеркала металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе. Для этого используют защиту струи нейтральным газом или сгорающими газовыми смесями, разливку «под уровень» из промежуточного ковша с помощью удлиненного графитошамотного или кварцевого стакана, защиту зеркала металла в кристаллизаторе подачей смазки или различными смесями — экзотермическими шлаками, вермикулитом, смесями на базе графита и т. д. Наибольшее распространение получила разливка через удлиненный стакан в сочетании с защитой металла в кристаллизаторе теплоизолирующими смесями. Примерный состав смеси, %: С 30; SiО₂ 22; СаО 13; А1₂О₃ 13; FeO 1,7; Na₂О 9,0; F 9,3; МnО 1,0.

Для того чтобы обеспечить высокое качество слитка, разливка стали должна производиться при оптимальных технологических параметрах. Важнейшие из них: скорость вытягивания, интенсивность охлаждения, температура, а для кипящей стали и окисленность металла и др. Скорость вытягивания в зависимости от марки стали и сечения слитка колеблется от 0,5—1,5 м/мин для слитков крупных сечений (шириной 150—300 мм) до 4— 8 м/мин для слитков мелкого профиля.

Рисунок 11. Номограмма для определения глубины жидкой лунки L_ж в зависимости от скорости вытягивания V и толщины заготовки в (1, 3,5 — для слитков, имеющих отношение ширины к толщине, равное соответственно 1, 3, 5)

При повышении скорости вытягивания слитка увеличивается производительность МНЛЗ, но требуется более жесткое охлаждение слитка в зоне вторичного охлаждения. Это, в свою очередь, способствует развитию термических напряжений и возникновению трещин. В слитках крупного сечения даже при интенсивном вторичном охлаждении не удается значительно ускорить затвердевание, так как параллельно с ростом корочки растет и ее тепловое сопротивление. Для того чтобы обеспечить полное затвердевание слитка до момента его порезки или разгибания в радиальных МНЛЗ, приходится снижать скорость вытягивания.

Взаимосвязь скорости вытягивания, размеров слитка и глубины жидкой лунки графически представлена на рисунке 11.

Некоторое ускорение затвердевания слитка может быть получено и в результате снижения перегрева жидкой стали. Величина перегрева должна быть постоянной по ходу разливки и составлять для стали, заливаемой в кристаллизатор, 10—15 °С. Уменьшение перегрева стали благоприятно влияет на строение слитка: улучшается макроструктура, снижается развитие ликвации и осевой пористости. Вместе с тем исходная температура стали — температура выпуска при разливке на МНЛЗ — должна быть несколько выше, чем при разливке на слитки. Это связано с более продолжительным циклом разливки и применением промежуточного ковша. Важнейшим условием получения качественного слитка является равномерность нарастания твердой корочки. Это обеспечивается организацией равномерного подвода металла и его охлаждения в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения, строгим соблюдением соосности отдельных узлов МНЛЗ и постоянством режима вытягивания слитка.