Непрерывной разливки стали

23.2.1. Преимущества непрерывной раз­ливки. Предложение об организации непрерывной разливки стали было сделано еще Г. Бессемером. Однако в промышленности непрерывную раз­ливку металлов и сплавов начали при­менять лишь в 30-х годах XXв., а ши­рокое распространение метод получил после 40-х годов. Процесс непрерыв­ного получения слитков или заготовок основан на кристаллизации слитка в период непрерывного перемещения металла относительно зон заливки и кристаллизации. В зависимости от формирующих отливку устройств при­нято различать два типа непрерывного литья: 1) в желоб (ручей) между дви­жущимися лентами или другими дви­жущимися формами (кристаллизато­рами) либо непосредственно в валки; 2) в неподвижный или качающийся кристаллизатор скольжения, из кото­рого непрерывно вытягивается закри­сталлизовавшийся слиток (заготовка). В сталеплавильном производстве наи­большее распространение получили установки второго типа (литье в крис­таллизатор). Получаемый при непре­рывной разливке продукт в техничес­кой литературе имеет два названия: 1) непрерывнолитой слиток; 2) непрерывнолитая заготовка (имея в виду, что получаемый продукт является за­готовкой для последующей прокатки). На предприятиях тяжелого маши­ностроения, занятых проектировани­ем и изготовлением установок для не­прерывной разливки, агрегат в целом получил название «машина ' непрерыв­ного литья заготовок» (МНЛЗ). Одна­ко у технологов в практике металлур­гических заводов распространено на­звание «установка непрерывной разлив­ки стали» (УНРС), более полно отражающее суть процесса. Современ­ная УНРС включает не только меха­низмы, но и такие устройства, как промежуточный ковш, устройства для ввода реагентов и защиты от вторич­ного окисления, устройства для элект­ромагнитного перемешивания крис­таллизующегося металла и т. д. Кроме того, современная техника все в боль­шей мере позволяет получать непре­рывным способом не только заготов­ки, но и уже готовые изделия (напри­мер, трубы, швеллеры, проволоку, ленту и т. п.).

¹ Название связано с англ, machine continuous casting. Необходимо, однако, иметь в виду, что значение англ, machine гораздо шире, чем русское понятие «машина» (меха­низм, совершающий работу); оно означает также «установка», «агрегат» и т. п.

Широкое распространение метода непрерывной разливки обусловлено ее преимуществами.

1. Уменьшение (на 10—20 %) расхо­да металла на 1 т годного проката вследствие снижения обрези головной и донной (хвостовой) частей слитка (получают один слиток вместо мно­гих; соответственно головную и хвос­товую части отрезают один раз, а не много). Уменьшение обрези при про­катке связано также с тем, что рас­крою подвергается как бы одна длин­ная заготовка, а не много слитков, ко­торые могут различаться по массе, ве­личине усадочной раковины и т. п.

2. Оптимальное сочетание особен­ностей работы современных прокат­ных станов и возможностей УНРС. Например, для достижения высоких технико-экономических результатов современный листопрокатный стан должен получать слябовые заготовки массой до 50—60 т; отливать слитки та­кой массы традиционным способом затруднительно по ряду причин, прежде всего потому, что слитки та­кой массы характеризуются развиты­ми ликвационными явлениями; для получения таких слитков необходимы соответствующее крановое оборудова­ние в разливочных пролетах, строи­тельство глубоких нагревательных ко­лодцев и прочие приспособления.

3. Снижение капитальных затрат на сооружение металлургического за­вода (из структуры завода исключены парк изложниц, отделение для их подготовки и извлечения из них слит­ков, крупные дорогостоящие прокат­ные станы — блюминги и слябинги, на которых обычно слитки обжима­ются на заготовки для последующей прокатки).

4. Уменьшение энергетических зат­рат (как для нагрева металла под про-

катку, так и для работы обжимных станов).

5. Повышение производительности и улучшение условий труда (исключа­ется ряд тяжелых и трудоемких опера­ций по установке изложниц, уборке и т. п.), создание предпосылок для полной автоматизации и механизации процесса разливки, уменьшение числа обслуживающего персонала.

6. Увеличение степени однородно­сти металла, улучшение его качества благодаря ускорению затвердевания.

Эти преимущества определили со­временную ситуацию в металлургии: в промышленно развитых странах основ­ная масса выплавляемой стали разлива­ется только непрерывным способом.

В свое время, в 30-е годы XX в., не­прерывное литье во многих странах мира начало только развиваться: через водоохлаждаемую изложницу-крис­таллизатор получали заготовки из цветных металлов и сплавов (главным образом алюминиевых и медных). В 40-е годы эти технологии получили широкое распространение. Успешные опыты по разливке стали таким мето­дом были предприняты в 1939 г. в Гер­мании 3. Юнгансом. Наша страна яви­лась пионером использования данного метода разливки стали в промышлен­ных масштабах — опытные работы по освоению метода непрерывной раз­ливки стали были начаты в 1944г., а первые крупные установки начали ра­ботать уже в 1953 г. на Новотульском металлургическом заводе и в 1955 г. на заводе «Красное Сормово». Переход на непрерывную разливку стали свя­зан с проектированием и изготовлени­ем весьма сложного оборудования. В настоящее время на многих заводах страны устанавливается новое обору­дование (для непрерывной разливки) как отечественного, так и зарубежного производства.

23.2.2. Типы установок. Наиболее распространенные УНРС работают по следующей схеме: жидкая сталь посту­пает в сквозную водоохлаждаемую из­ложницу-кристаллизатор. Предвари­тельно до начала разливки в кристал­лизатор вводят искусственное под­вижное дно (так называемую «затравку») (рис. 23.12). Жидкий ме­талл, соприкоснувшись с холодными

Рис. 23.12. Затравка:

/ — кристаллизатор; 2 — головка затравки

затравкой и кристаллизатором, начи­нает кристаллизоваться; затравку вме­сте с застывшим на ней металлом мед­ленно опускают из кристаллизатора; вместе с затравкой тянется и получа­ющийся таким образом слиток. За­кристаллизовавшиеся грани слитка (средняя часть слитка еще жидкая) скользят при этом по стенкам крис­таллизатора. Для уменьшения усилий вытягивания и исключения случаев разрыва корочки из-за приваривания корочки к стыкам кристаллизатора последнему придают возвратно-посту­пательное движение, на его стенки подают смазку, на поверхности жид­кого металла в кристаллизаторе наво­дят шлак, тонкая пленка которого между кристаллизатором и слитком уменьшает трение. Выходящую из кристаллизатора заготовку (слиток) с жидкой сердцевиной подвергают ин­тенсивному охлаждению (обычно тон­кораспыленными струями воды, пода­ваемой через специальные форсунки). Это охлаждение называют вторичным (первичным называют охлаждение в кристаллизаторе). После затвердева­ния по всему сечению заготовка по­ступает на участок резки, где ее разре­зают на мерные длины (части задан­ной длины).

Такого рода установки непрерыв­ной разливки стали условно можно разделить на шесть основных типов: с вертикальным кристаллизатором (рис. 23.13, установки 1—3) и с криво­линейным кристаллизатором (уста­новки 4, 5).

Если из металла одной плавки по­лучают один слиток (одну заготовку), который затем извлекают, то разливку принято называть полунепрерывной. Такого типа агрегаты устанавливают в цехах, где в печах небольшой емкости выплавляют сложнолегированные ста­ли или сплавы, электроды для после­дующего ВДП или ЭШП.

23.2.3. Работа современных устано­вок. На первом этапе в промышлен­ном масштабе применяли установки в основном вертикального типа (рис. 23.14). При получении на таких установках заготовок относительно большой толщины зона полного за­твердевания и соответственно участок резки заготовки на мерные длины на­ходятся на большом удалении от крис­таллизатора. В результате установка должна быть или очень высокой (>40 м) и на такую высоту необходимо поднимать ковш со сталью, или при размещении ковша на небольшой вы­соте (над уровнем пола цеха) всю уста­новку располагать на очень большой глубине, а порезанные заготовки вы­давать затем наверх. Как правило, для уменьшения высоты здания и упроще­ния системы подачи сталеразливоч-ных ковшей к месту разливки УНРС вертикального типа располагали на небольшой высоте над уровнем цеха, а основное оборудование размещали в глубоком железобетонном колодце. Помимо повышения стоимости строи­тельства это приводило к необходимости применения сложных систем выдачи из колодца порезанных заготовок, создавало серьезные затруднения в случее прорыва корки слитка и при аварийной разливке и т.д.

Принципиальная схема затвердева­ния непрерывного слитка приведена на рис. 23.15. Технология и организа­ция непрерывной разливки определя­ются в числе прочих таким показате­лем, как глубина (высота, длина) стол­ба жидкой фазы (или так называемой жидкой лунки). Глубина жидкой фазы L (м) пропорциональна скорости раз­ливки v (м/мин) и квадрату условного радиуса сечения слитка (заготовки) R_сл (м), т.е. L=kR²_сл , где k —коэффи­циент, зависящий от условий разлив­ки и охлаждения, формы сечения слитка и т.д. Полная продолжитель­ность кристаллизации (затвердевания) слитка составляет _кр = kR²_сл Таким образом, скорость разливки при про­чих равных условиях определяет длину зоны кристаллизации.

Рис. 23.13. Принципиальные схемы устано­вок непрерывной разливки стали:

/ — вертикального типа; 2 —вертикального типа с изгибом; 3— с вертикальным кристаллизатором с короткой вертикальной частью и последующим из­гибом по определенному радиусу; 4— радиального типа; 5— с изогнутым кристаллизатором и возраста­ющим радиусом изгиба (криволинейного типа); 6 — горизонтального типа; С — зона порезки заготовки; S — конец затвердевания

Рис. 23.14. Схема УНРС вертикаль­ного типа:

/ — промежуточный ковш; 2 —кристалли­затор;.3—вторичное охлаждение; 4 — тя­нущие валки; 5—га­зорезка

Повышение скорости разливки пу­тем увеличения длины зоны кристал­лизации на установках вертикального типа осуществить трудно, так как с увеличением высоты незакристалли­зовавшегося столба металла растет и ферростатическое давление, что мо­жет привести к выпучиванию корочки слитка и ее разрушению. Нежелатель­но также и увеличение высоты уста­новки.В настоящее время УНРС вер­тикального типа почти не строят. Ис­ключение составляют установки для разливки специальных сталей, слит­ков специальных профилей, пустоте­лых трубных заготовок и т. п. Стрем­ление уменьшить высоту привело к созданию УНРС вначале радиального, затем криволинейного и горизонталь­ного типов.

Использование УНРС радиального и криволинейного типов (т. е. с изги­бом заготовки в процессе кристалли­зации), у которых неполностью за­твердевшая заготовка выходит на го­ризонтальный участок, позволяет зна­чительно повысить скорость разливки при крупных сечениях слитка, так как участок резки заготовки на мерные длины может быть расположен на дос таточно большом расстоянии от крис­таллизатора (30—40м и более).

Рис. 23.15. Схема за­твердевания непрерыв­ного слитка:

1 — кристаллизатор (пер­вичное охлаждение); 2 — подвод и отвод воды для охлаждения кристаллиза­тора; 3 — система вторич­ного охлаждения (форсун­ки для подачи воды на по­верхность слитка); 4 — уровень жидкого металла в кристаллизаторе; 5—за­кристаллизовавшаяся часть слитка

Организация равномерного затвер­девания непрерывнолитого слитка, изгибаемого в процессе кристаллиза­ции, связана с решением ряда слож­ных проблем. Главной является то, что одновременно одна (внешняя) часть изгибаемой заготовки испытывает рас­тягивающие напряжения, а другая (внутренняя) — сжимающие. Решени­ем этой проблемы являются: а) рафи­нирование металла от вредных приме­сей (прежде всего примесей, снижаю­щих прочность тонкой корочки крис­таллизующегося слитка); б) разливка металла в строго определенном темпе­ратурном интервале; в) соответствую­щий выбор оборудования.

Современная УНРС представляет собой сложный комплекс (рис. 23.16) технологического, механического, гидравлического и электронного обо­рудования, включающий: промежу­точный ковш с приспособлениями (например, разделительными стенка­ми) для исключения влияния подачи металла из большого ковша; скользя­щий затвор; удлиненный, опускаемый под уровень металла разливочный ста­кан; оборудование для продувки ме­талла инертным газом; устройства для подачи шлаковых смесей на поверх­ность металла в кристаллизатор, алю­миниевой проволоки в глубь метал­ла, защитных газовых струй для пред­отвращения вторичного окисления; оборудование для электромагнитно­го перемешивания жидкого металла в кристаллизующейся заготовке, для обжатия и порезки затвердевшей за­готовки; устройства для контроля про­цесса разливки и т. д.

Для вытягивания заготовки служит система роликов (роликовая провод­ка); ролики прижимаются к вытягива­емой заготовке посредством гидравли­ческих механизмов. Прижатие роли­ков может осуществляться также при помощи пружинных механизмов. По­мимо роликовой системы вытягива­ния слитка существует также система шагающих балок, при которой вытя­гивание (и одновременно вторичное охлаждение) осуществляется при по­мощи плоских кристаллизаторов, по­переменно прижимающих выходящую из кристаллизатора заготовку и пере­мещающих ее вниз.

Наибольшее распространение по­лучили УНРС с роликовой системой межуточный ковш — разливочный стакан требуются высококачествен­ные огнеупоры разного состава (рис. 23.17). Особое качество огнеупо­ров необходимо для футеровки зоны падения струи (например, муллит). В зависимости от используемых огне­упорных материалов промежуточные ковши делят на три типа:

1. Нагреваемые перед разливкой до 1100 °С (теплые). На рабочую футе­ровку наносят слой магнезитовой за­щитной массы (в зонах максимально­го износа).

2. Нагреваемые газокислородной горелкой до >1500°С (горячие). Проме­жуточные ковши применяют при оп­ределенных технологических и метал­лургических условиях и футеруют вы­сококачественным (~96 % MgO) маг­незитовым кирпичом.

3. Неподогреваемые перед разлив­кой (холодные). В зоне контакта с рас­плавом в таких ковшах укладывают плиты из основных или кислых огне­упоров (рис. 23.18).

Высококачественные огнеупорные плиты (~85 % SiO₂) имеют малую ка­жущуюся пористость (1,0—1,1 г/см³) и соответственно малую теплопровод­ность (0,20-0,25 Вт/(м • К)). Толщина плиты ~30мм. Использование арми­рующих волокон (например, асбеста) при изготовлении плит обеспечивает достаточную прочность. Соединитель­ные грани плит выполняют уступами, которые при укладке двух соседних плит перекрываются. Швы дополни­тельно уплотняют быстротвердеющей обмазкой. Для подогрева металла ис­пользуют электродуговые или плаз­менные установки.

На рис. 23.19 показаны другие ва­рианты использования промежуточ­ного ковша для подогрева металла в процессе разливки.

В современных конструкциях ком­плекса сталеразливочный ковш — промежуточный ковш — кристалли­затор предусмотрено исключение контакта металла с атмосферным воз­духом. На рис. 23.20 показан один из

Рис. 23.17. Огнеупорные изделия, применяемые при непрерыв­ной разливке стали:

/— сталеразливочный ковш; If— промежуточный ковш; III— кристалли­затор; 1 — шлаковая зона (например, магнезит); 2— пористый блок; 3 — изоляция; 4 — арматурный слой футеровки (например, доломит на смоля­ной связке); 5, 6— слои футеровки; 7—шиберный затвор с защитной трубкой; 8— перегородка; 9— защитное покрытие; 10— плиты холодного промежуточного ковша; 11— стопор-моноблок; 12— погружной стакан (цельный); 13 — то же, составной (из двух частей); 14— отбойная плита;)5 — шиберный затвор промежуточного ковша; 16— дозатор для разливки открытой струей

Рис. 23.18. Конструкция холодного промежуточ­ного ковша:

I — футеровка; 2 — изоляци­онная плита; 3— кожух; 4 — изоляционный конус для за­щиты гнездового кирпича; 5—гнездовой кирпич; 6— дозатор

Рис. 23.19. Промежуточный ковш с системой подогрева:

а —с индуктором (/ — индуктор; 2— обмотка; 3 — жидкая сталь; 4— промежуточный ковш; 5—ста­кан; 6— футеровка); б — керамическое устройство с индукционными катушками, погружаемое в металл в ковше

простых (и наиболее распространен­ных) вариантов системы подачи ме­талла в кристаллизатор. Хороших ре­зультатов достигают при аргонной за­щите струи. Важно так организовать эту защиту, чтобы получить желаемый результат при минимальном расходе аргона и обеспечить при этом ровную (без колебаний и всплесков) поверх­ность металла в кристаллизаторе.

На рис. 23.21 показаны другие ва­рианты подвода аргона, в том числе и такие, которые помогают предотвра­тить затягивание канала оксидами алюминия и улучшают условия всплы­тия неметаллических включений в кристаллизаторе. Кроме того, продув­ка металла аргоном оказывает рафи­нирующее действие на расплав. При производстве заготовок крупного се­чения для повышения качества заго­товок (снижение ликвации и пористо­сти в осевой зоне) может быть исполь­зован и такой прием, как продувка ме­талла аргоном непосредственно в кристаллизаторе.

23.2.5. Кристаллизаторы. Важней­шим узлом УНРС является кристалли­затор, обеспечивающий интенсивный отвод тепла от кристаллизующейся стали и образование по периметру не­прерывно формируемой корочки, ко­торая на выходе из кристаллизатора должна выдерживать ферростатичес-кое давление жидкой фазы слитка. Кроме того, поверхность стенок кри­сталлизатора должна быть устойчи­вой к истиранию. Одним из важных критериев оценки материала, приме­няемого для изготовления стенок

Рис. 23.20. Система подачи металла в крис­таллизатор с защитой от воздействия атмо­сферы на струю металла:

/ — сталеразливочный ковш; 2—шиберный затвор; 3 — соединительный стакан; 4 — удлиненный ста­кан; 5—промежуточный ковш; 6— защитные сме­си; 7—кристаллизатор; 8 — погружной стакан; 9— стопор

Рис. 23.21. Способы подачи аргона в погружной стакан

кристаллизатора, является отноше­ние коэффициента термического расширения к коэффициенту теп­лопроводности . Чем меньше это отношение / , тем более перспек­тивным для изготовления кристалли­затора является материал: для меди / = 4,8 • 10 ^-8 м/Вт, для графита (1,5-2,6) • 10 ^-8 м/Вт, для алюминия 20,8 • 10 ^-8 м/Вт, для стали 21,6 • 10 ^-8 м/Вт. Обычно в качестве материала для из­готовления кристаллизатора использу­ют медь или графит. Для повышения стойкости и сохранения стабильности размеров кристаллизаторов стороны стенки, которые соприкасаются с ме­таллом, покрывают тонким слоем ма­териала, стойкого к истиранию. Наи­более часто внутреннюю поверхность медного кристаллизатора покрывают тонкими слоями вначале никеля, за­тем хрома.

Для предотвращения прилипания корочки слитка к кристаллизатору и возможного при этом зависания слит­ка (и образования трещин) при помо­щи механизмов качания организуют непрерывное возвратно-поступатель­ное движение кристаллизатора. Чтобы избежать появления на поверхности слитка грубых складок (следов кача­ния), интенсивность качания должна быть очень высокой (на современных УНРС до 400 и более раз в минуту). Режим возвратно-поступательного движения обычно подчиняется синусоидальному закону. Хорошие резуль­таты получены также при организации вибрации кристаллизатора.

Конструкции кристаллизаторов могут быть достаточно сложными. На­пример, для повышения производи­тельности установок и уменьшения продолжительности простоев обору­дования по ходу непрерывной разлив­ки при необходимости можно изме­нять размеры отливаемой заготовки. Для этого потребуется изменить по ходу разливки сечение кристаллизато­ра. На рис. 23.22 приведены некото­рые приемы, используемые на практи­ке для изменения размеров заготовки без остановки оборудования. На рис. 23.23 показана конструкция регу­лируемого кристаллизатора, разрабо­танная в НИИтяжмаш ПО «Уралмаш». Отличительной особенностью конструкции является П - образная форма широкой базовой стенки 7. В объемных боковинах 2 ее выполнены пазы, в которые входят шипы подвиж­ной широкой стенки малого радиуса 3. Узкие стенки 4 подвешиваются на специальных скалках и шарнирно свя­заны с крючками толкателей двух червячно-винтовых механизмов, установ­ленных в боковинах. Скалки воспри­нимают поперечное усилие от массы стенок и разгружают толкатели, кото­рые работают только в тянуще-толка­ющем режиме. Сборочное усиление зажатия узких стенок между широки-

ми достигается при помощи пружин 5 на двух стяжках 6.

На внешней стороне широкой под­вижной стенки малого радиуса нахо­дятся два регулируемых винтовых упо­ра 7, через которые при помощи под­вижной балки механизма качания 8, имеющей пружинно-гидравлический привод, создаются усилие зажатия уз­ких стенок между широкими и прижа­тие всего кристаллизатора к базовым упорам механизма качания. Перед ре­гулированием положения узких сте­нок кристаллизатор «распускается» при помощи обратного (по отноше­нию к сжатию) хода подвижной балки механизма качания, имеющей захваты и оттягивающей подвижную широкую стенку малого радиуса. При этом сни­мается усилие зажатия с узких стенок, а базовая стенка остается неподвиж­ной относительно базовых поверхнос­тей механизма качания.

Регулирование конусности торцо­вых стенок и перенастройка их на дру­гой (по ширине) диапазон заготовок осуществляются при помощи двух червячно-винтовых механизмов руч­ной настройки, смонтированных в бо­ковинах базовой стенки. Ручные при­воды этих механизмов при помощи специального ключа 9 позволяют раз-

Рис. 23.22. Варианты схем использования составных кристаллизаторов для изменения сече­ния заготовки без перерыва в литье (завод «Хирохата», Япония):

о —погружной стакан; б—кристаллизаторы; в —заготовка; /—уменьшение ширины; Я—увеличение ши­рины; 1—4— стадии

Рис. 23.23. Кристаллизатор конструкции ПО «Уралмаш» делить перемещение верхнего и ниж­него винтов

или, наоборот, одновре­менно перемещать их. Раздельное пе­ремещение требуется для регулирова­ния конусности. Одновременное пе­ремещение верхнего и нижнего винтов позволяет настраивать крис­таллизатор на требуемый диапазон слитков по ширине. Применение ре­гулируемого кристаллизатора позво­ляет оперативно в зависимости от марки отливаемой стали и скорости разливки, а следовательно, от истин­ной усадки слитка регулировать по­ложение (конусность) торцовых сте­нок, контролируя усадку формирую­щегося слитка непосредственно в ус­тановке. Это качество конструкции регулируемого кристаллизатора спо­собствует уменьшению износа сте­нок, улучшению качества заготовок, увеличению межремонтного периода работы.

При разливке небольших серий плавок на различные по ширине сече­ния заготовки нет необходимости каждый раз менять кристаллизатор; настройку на другую ширину можно выполнять непосредственно в УНРС. В этом случае можно. уменьшить об­щее число (парк) кристаллизаторов.

На рис. 23.23 показано, что стенки кристаллизатора пронизаны отверсти­ями для его охлаждения водой. Суще­ствуют варианты организации охлаж­дения стенок, в том числе так называемое струйное охлаждение. По некото­рым данным, использование струй­ного охлаждения кристаллизаторов позволяет избежать появления про­дольных угловых трещин, увеличить скорость разливки и контролировать интенсивность отвода тепла. Совре­менные установки позволяют получать непрерывнолитые заготовки сложной конфигурации. На рис. 23.24 и 23.25 показаны схема кристаллизатора для получения балочной заготовки и схема установки форсунок вторичного ох­лаждения. Конструкторы имеют воз­можность создавать новые конструк­ции УНРС с учетом новых технологий разливки, а также их различные комби­нации для получения новых конструк­ционных материалов. Например, на рис. 23.26 показаны варианты а, б тех­нологии получения биметаллов при од­новременной разливке стали двух раз­ных марок.

Все большее распространение по­лучают агрегаты, предназначенные для получения особых видов продук­ции, например трубной заготовки (рис. 23.27). Имеются и более слож­ные установки. В качестве примера приведем так называемую центробеж­ную или роторную разливку. На уста­новках такого типа питание вращаю­щегося кристаллизатора цилиндри­ческой формы жидким металлом осу­ществляется эксцентрично под углом к вертикали. Под действием центро-

Рис. 23.24. Кристаллизатор для балочной заготовки

Рис. 23.25. Вторичное

охлаждение балочной

заготовки

Рис. 23.26. Варианты получения биметаллов методами непрерывной

разливки

Рис. 23.27. Схема непрерывного литья полых цилиндрических слитков при разной (а, 6) организации вторичного охлаждения:

/ — кристаллизатор; 2— слиток; 3— система вторичного охлаждения

бежных сил, возникающих в расплаве при его вращении, получается зат­вердевшая поверхностная корочка высокого качества; неметаллические включения (имеющие меньшую плот­ность) перемещаются при вращении к центру заготовки, откуда сравни­тельно легко удаляются. Вращение слитка обеспечивает ускоренное и равномерное охлаждение, улучшает смазку, облегчает процесс резки. Ус­коренная кристаллизация дает воз­можность использовать кристаллиза­тор меньшей высоты.

23.2.6. Горизонтальные УНРС. Со­здание установок горизонтального типа позволяет решать ряд как эконо­мических, так и организационных проблем: 1) снижение капитальных затрат; 2) возможность размещения установок в действующих цехах, так как для этого не требуется строитель­ство колодцев и башен; 3) уменьше­ние эксплуатационных затрат благода­ря удобству обслуживания, так как все оборудование расположено на уровне пола цеха; 4) возможность совмеще­ния установки непрерывной разливки с прокатным станом.

Действующие конструкции гори­зонтальных УНРС созданы трудом металлургов многих стран; в числе первых были работы советских спе­циалистов. В 70-е годы в СССР нача­ли работать УНРС горизонтального типа, разработанные УкрНИИметом (рис. 23.28). Практика работы УНРС такого типа показала, что горизонтальные УНРС лучше выполнять на­клонными. Некоторый наклон улучша­ет условия удаления газов из кристал­лизатора при заливке первой порции металла, а также улучшает процесс окончания разливки. При строго го­ризонтальном положении кристалли­затора и опускании в конце разливки уровня мениска в металлоприемнике до верхней образующей кристаллиза­тора необходим этап прекращения разливки и ожидания полного затвер­девания слитка. Не имеющие этого недостатка наклонные УНРС обычно также называют установками горизон­тального типа.

В настоящее время в мире работа­ют десятки горизонтальных УНРС различных конструкций. Наиболее распространены конструкции, у кото­рых процесс получения заготовки ос­нован на принципе периодического ее вытягивания из неподвижного крис­таллизатора, жестко соединенного че­рез торцовую стенку с металлоприем-ником. Организация управления цик­лом вытягивание—обратный ход на от­дельных установках различается. Частота цикла достигает 200 цикл/мин (иногда до 300 цикл/мин, что требует особого внимания к качеству изготов­ления оборудования).

Ответственными узлами горизон­тальной УНРС (ГУНРС) являются ме-таллоприемник, кристаллизатор и со­единение металлоприемника с крис­таллизатором. Вместимость и конст­рукция металлоприемника должны

Рис. 23.28. Схема горизонтальной УНРС конструкции УкрНИИмета:

1 — металлоприемник; 2 — пористая пробка для продувки металла инертным га­зом; ^—кристаллизатор; 4— индуктор

обеспечить: 1) стабильную подачу ме­талла в кристаллизатор; 2) условия для всплытия неметаллических включе­ний; 3) предотвращение вторичного окисления металла; 4) возможность прекращения подачи металла в крис­таллизатор в любой момент разливки (прекращение разливки, аварийная ситуация и т. п.). Для ГУНРС разных конструкций используют различные технологии, такие, например, как ин­дукционный подогрев металла, подача сверху инертного газа (и для предотв­ращения окисления поверхности ме­талла, и для повышения при необхо­димости ферростатического давле­ния), перемешивание металла (про­дувкой аргоном или при помощи индукторов), применение затворов шиберного или иного типа и т.п., уве­личение вместимости металлоприем­ника (до >10 т) и др.

На рис. 23.29 показана схема ме­таллоприемника ГУНРС, снабженно­го шиберным затвором, индуктором и крышкой. Одной из наиболее ответ­ственных деталей ГУНРС является так называемое разделительное кольцо, соединяющее металлоприемник с кристаллизатором. К материалу этой детали предъявляют особо высокие требования, поскольку кроме высокой точности размеров эта деталь должна обладать высокой термической стой­костью, стойкостью к разрушениям, налипанию металла и включений, низким температурным коэффициен­том линейного расширения и другими свойствами. Обычно для изготовления разделительных колец используют та­кие дорогостоящие и дефицитные ма­териалы, как порошки нитрида бора (BN), иногда нитрида кремния (81₃НО, испытывают новые материалы типа SIALON (81_хА1/Ж_г). Затраты на изготовление и эксплуатацию разде­лительных колец существенно влияют на экономичность работы ГУНРС. Бо­лее дорогостоящим, чем для обычных УНРС, является и кристаллизатор ГУНРС. Типы и конструкции крис­таллизаторов различны. На некоторых ГУНРС используют кристаллизаторы с несколькими (например, тремя) зо­нами теплоотвода. Первая зона — кольцо из нитрида бора, вторая (обра­зование корочки заготовки) — из мед но-бериллиевого сплава с высокой твердостью и износостойкостью, тре­тья—графитовая вставка. Поскольку теплопроводность графита ниже, чем меди, обеспечивается равномерное распределение температур по сечению заготовки. Графит уменьшает также силы трения между заготовкой и крис­таллизатором.

Рис. 23.29. Металло­приемник ГУНРС конструкции фирмы «ФЕСТ-Альпине»:

/ — корпус; 2 — крис­таллизатор; 3 — шибер­ный затвор; 4 — индук­тор для подогрева ме­талла

Схема образования корочки при кристаллизации в ГУНРС отличается от схемы, характерной для вертикаль­ных кристаллизаторов (рис. 23.30). Бо­лее высокое, чем в вертикальных кри­сталлизаторах, ферростатическое дав­ление обеспечивает лучший контакт с металлом горизонтального кристалли­затора. В связи с этим интенсивность отвода тепла от металла в горизон­тальном кристаллизаторе выше (при­мерно в 1,5 раза); соответственно длина горизонтальных кристаллиза­торов обычно меньше, чем вертикаль­ных (коэффициент затвердевания стали в горизонтальных кристаллиза­торах достигает 26—30 мм/мин^0,5).

Конструкции ГУНРС непрерывно совершенствуются. На рис. 23.31 по­казана схема ГУНРС, разработанная

Рис. 23.30. Распределение ферростатическо­го давления в вертикальном (а) и горизон­тальном (б) кристаллизаторах:

1 — кристаллизатор; 2— корочка слитка; 3— ферро­статическое давление

1/П

Рис. 23.31. Схема ГУНРС с двусторонним

вытягиванием заготовки конструкции

ВНИИметмаша

ВНИИметмашем. Особенностью уста­новки является то, что в ней фронт кристаллизации перемещается не в одном направлении, как у обычных установок, а в двух, причем противо­положных, направлениях. Такой спо­соб разливки исключает образование неравномерной структуры заготовки. Медный водоохлаждаемый кристалли­затор совершает возвратно-поступа­тельные движения. Скорость вытяги­вания заготовки регулируют таким об­разом, чтобы фронт кристаллизации начинался на некотором расстоянии от отверстия питателя. Общая длина кристаллизатора при отливке загото­вок сечением 150x150 мм составляет 1200—1500мм. После выхода из крис­таллизатора заготовка попадает в зону вторичного охлаждения душирующего типа. Установка получила название «Горизонт».

23.2.7. Разливка под давлением зак­лючается в подаче жидкой стали вверх в кристаллизатор для получения заго­товки. Жидкий металл проталкивают (выдавливают) в этот кристаллизатор из ковша, помещаемого в камеру вы­сокого давления, через специальный патрубок. Кристаллизаторы на таких действующих установках водоохлаж-даемые графитовые. На заводе фирмы Greusot- Loire Ind. (Франция) такие ус­тановки, работающие с 1988 г., ис­пользуются для получения слябов из специальных сталей толщиной до 400 мм. Сравнительно небольшой объем производства на данном заводе (около 100 тыс. т в год) делает нерен­табельным установку обычных УНРС.

23.2.8. Установки валкового, лен­точного или конвейерного типа. На ус­тановках данного типа кристаллизую­щийся металл движется вместе с кристаллизатором и скольжение оболочки слитка (заготовки) относительно кри­сталлизатора отсутствует. Начало ин­женерных изысканий в этом направ­лении положил еще Г. Бессемер, пред­ложивший 130 лет назад установку (рис. 23.32) непосредственного полу­чения стальной ленты (штрипса) тол­щиной 2,5 мм при разливке металла между двумя вращающимися водоох-лаждаемыми цилиндрами диаметром 1220мм каждый (так называемая бес­слитковая прокатка). Практические трудности реализации процессов та­кого типа оказались в то время труд­нопреодолимыми. Однако в последнее время процесс непрерывной разливки тонких слябов получил широкое рас­пространение: разработаны различные варианты конструкций подвода метал­ла к валкам (водоохлаждаемым цилин­драм)—рис. 23.33.

Рис. 23.32. Установка непрерывной разливки

(«бесслитковой прокатки») конструкции

Г. Бессемера

Рис. 23.33. Схема одновалковой (а) и двух­валковой (б) УНРС для получения тонкого листа

Рис. 23.34. Схема разливочной машины инженера М. Ф. Голдобина

Вариант такого рода установок— УНРС конвейерного или «гусенично­го» типа. Одной из первых установок конвейерного типа была установка ин­женера М. Ф. Голдобина (рис. 23.34), спроектированная в 1946 г. и построен­ная в 1950 г.

На установках ленточного типа металл из ковша через металлопри­емник непрерывно поступает в про­странство между бесконечной лен­той и колесом. Внутренняя поверх­ность ленты и внешний обод колеса представляют собой кристаллизатор, в котором непрерывно заливаемая сталь должна успеть закристаллизо­ваться. Установки такого типа ис­пользуют для получения профилей небольшого сечения (например, про­волоки или тонкой ленты). На рис. 23.35 показана схема установки для непосредственного получения тонких слябов толщиной от 20 до 80 мм, шириной 600 мм из углероди­стых и коррозионностойких сталей в конвертерном цехе одного из заводов Японии.

Металл получают в 250-т конверте­ре, затем из 250-т ковша переливают в 50-т ковш, из которого последователь­но заглубленной струей он попадает в большой (8 т) и малый (2 т) промежу­точные ковши, затем поступает на двухленточную УНРС (струю металла защищают от окисления аргоном). Металл затвердевает в зазоре между двумя бесконечными водоохлаждае-мыми лентами. Скорость выхода полу­чаемого листа составляет 4—6 м/мин (максимальная —15 м/мин). По име-

Рис. 23.35. УНРС ленточного типа системы Hazelett (завод Kashima, Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3 — металлоприемник; 4— направляющие ролики; 5 — тянущие ролики; 6— кислородная резка; 7— зона вторичного охлаждения

ни разработчика Р. В. Хазелетта схема известна как Hazelett-схема (или Hazelett/Krupp). Установка действует с 1983 г. Первый опыт эксплуатации ус­тановок такого типа¹ показал, что для их успешной работы необходимо иметь металл стандартно высокого ка­чества, высокий уровень организации контроля и автоматизации. Результаты работы современных УНРС позволили сделать дальнейший шаг — разрабо тать технологии совмещения непре­рывной разливки и прокатки

¹ За рубежом они получили название ус­тановка TSCC (от англ, thin-slab-continuous-casting)..

23.2.9. Совмещение непрерывной разливки с прокаткой. Совмещение не­прерывной разливки с обработкой давлением обеспечивает экономию электроэнергии, необходимой для по­догрева заготовок перед прокаткой, и повышение производительности бла­годаря снижению потерь. При этом оказалось, что даже небольшая сте­пень обжатия положительно влияет на качество металла: при деформации >0,5 мм/м заметны снижение ликва­ции в центре заготовки и улучшение ее качества. При совмещении непре­рывной разливки с прокаткой дости­гаются: 1) повышение производитель­ности, экономия производственных площадей и расходов на транспорти­ровку заготовок из разливочного отде­ления в прокатный цех; 2) снижение расхода топлива и энергии вследствие исключения (или уменьшения) энер­гетических затрат на нагрев заготовки перед прокаткой; 3) улучшение каче­ства стали даже при небольшом обжа­тии непрерывного слитка.

Производительность современных прокатных станов существенно выше пропускной способности установок непрерывной разливки, поэтому глав­ной проблемой, возникающей при со­вмещении непрерывной разливки с прокаткой, является изыскание такой системы охлаждения и такой конст­рукции кристаллизатора, которые обеспечивают выход непрерывного слитка со скоростью, достаточной для нормальной загрузки современного непрерывного прокатного стана. Мак­симальная скорость непрерывной раз­ливки (и соответственно скорость скольжения корочки слитка по стен­кам медного кристаллизатора), дос­тигнутая на современных установках, составляет 4—5 м/мин, что намного ниже скорости движения заготовки в прокатном стане.

Разработка совмещенного процес­са непрерывная разливка—прокатка ведется в двух направлениях:

1. Установка системы прокатных валков непосредственно на пути дви­жения заготовок (рис. 23.36).

2. Порезка заготовок на мерные длины, пропуск горячих заготовок че-

рез дополнительное нагревательное устройство (пламенный или индукци­онный нагрев) и дальнейшее движе­ние непосредственно в прокатный стан.

Крупные комплексы такого типа действуют на ряде заводов мира; их производительность колеблется от со­тен тысяч до 2 млн. т заготовок в год. Передача непрерывнолитых заготовок на прокатный стан без промежуточно­го нагрева получила название прямая прокатка. Для обеспечения надежной работы комплекса непрерывная раз­ливка—прокатка необходимо обеспе­чить получение бездефектных загото­вок, позволяющее исключить опера­ции их охлаждения, осмотра, зачистки и нагрева перед прокаткой. Для этого требуются металл высокого качества с минимальным содержанием вредных примесей и включений, прошедший комплексную внепечную обработку, а также высокий уровень организации контроля за ходом процесса разливки и прокатки. При обжатии необходимо определенное соотношение сжимаю­щих и растягивающих напряжений для обеспечения удовлетворительного качества заготовок. При организации прокатки непрерывнолитых заготовок на таких комплексах приходится учи­тывать, что в отличие от обычных ус­ловий в данном случае температура внутренней части заготовки выше, чем наружной. Она настолько высока, что сопротивление деформации внут­ренних частей заметно ниже, чем на­ружных. Это различие особенно за­метно в случае обжатия заготовки с еще жидкой сердцевиной. С одной стороны, это позволяет уменьшить мощность обжимных клетей при уменьшении числа проходов, с дру­гой — ставит ряд таких проблем обес­печения качества проката, многие из которых находятся еще в стадии реше­ния.

Одной из них является, например, проблема компенсации снижения температуры поверхности (вследствие интенсивного ее охлаждения) угловых частей заготовки и предотвращение вследствие возникающих напряжений образования трещин, в том числе уг­ловых, продольных, поперечных и т. п. Накопленный опыт свидетель-

Рис. 23.36. Схема УНРС, совмещенной с прокаткой:

1 — подъемник сталеразливочного ковша; 2 — сталеразливочный ковш; 3 — одна из двух установок вакуумирования; 4 — промежуточный ковш на те­лежке; 5—кристаллизатор; 6— тележка для транспортирования сталераз­ливочного ковша; 7—тянущие валки; 8— правильная машина; 9—подо­гревательная печь; 10— обжимной стан; 11 — газорезка; 12— разливочная

тележка

ствует о том, что для обеспечения га­рантированного высокого качества за­готовки необходимо проведение сле­дующих мероприятий:

1. Совершенствование технологии выплавки стали и предотвращение по­падания конечного шлака в ковш при выпуске.

2. Вакуумная обработка стали.

3. Продувка металла в ковше арго­ном.

4. Защита струи металла между ста-леразливочным и промежуточным

ковшами от взаимодействия с возду­хом.

5. Увеличение глубины промежу­точного ковша для улучшения условий всплытия включений.

6. Применение погружного стака­на, обеспечивающего вымывание включений с внутренней поверхности кристаллизующейся корочки.

7. Обеспечение равномерной пода­чи флюса в кристаллизатор.

8. Продувка аргоном в стакане про­межуточного ковша.

9. Контроль, автоматика и обору­дование, обеспечивающие постоян­ный уровень (±3 мм) металла в крис­таллизаторе.

10. Обеспечение строгой соосности (в пределах <0,5 мм) кристаллизатора и верхней секции направляющих ро­ликов.

11. Высокая частота качаний крис­таллизатора.

12. Обеспечение равномерного охлаждения по ширине и длине заго­товки.

13. Применение электромагнитно­го перемешивания жидкой сердцеви­ны заготовки.

14. Пропуск отлитых заготовок (например, слябов) по рольгангу че­рез теплообменник, что обеспечива­ет стандартные условия охлаждения заготовки на пути к прокатному ста­ну (одновременно утилизируется те­ряемое тепло, которое используют для получения низкотемпературного пара).

Перечисление этих мероприятий показывает, что работа методом пря­мой прокатки возможна лишь при комплексном использовании методов внепечной обработки металла, усовер­шенствовании оборудования для не­прерывной разливки, контроле про­цесса разливки и автоматизации уп­равления всеми операциями.

Одна из технических проблем, воз­никшая при совмещении разливки и прокатки, — трение корочки кристал­лизующегося слитка о стенки кристал­лизатора.

Поиски технических решений, позволяющих устранить (или существен­но уменьшить) трение при скольже­нии корочки слитка о стенки кристал­лизатора и обеспечивающих возмож­ность повышения скорости разливки, привели к созданию так называемых литейно-прокатных комплексов. Одно из технических решений было предло­жено металлургами Японии, создав­шими колесно-ленточный агрегат, на­званный ими роторным. Агрегат (рис. 23.37) включает вращающееся ленточное колесо диаметром 3 м с вы­емкой трапецеидального сечения на ободе и прижимаемую к ободу на уча­стке около 90° бесконечную стальную ленту, которые образуют таким обра­зом кристаллизатор длиной 1,8м. Бла­годаря большей (в 2,5 раза), чем обыч­но, длине кристаллизатора и относи­тельной неподвижности заготовки и кристаллизатора производительность такой установки существенно выше производительности установок тради­ционного типа. На выходе с колеса за­готовку разгибают по плавной траек­тории при помощи водоохлаждаемого клина и ряда роликов. Затем заготовка проходит через правильное устрой­ство, зону форсуночного охлаждения, устройство для выравнивания темпе­ратуры по сечению и поступает в об­жимную клеть, формирующую из тра­пецеидальной (площадь поперечного сечения 18500мм²) квадратную (се­чением 120х 120мм) заготовку. В про­цессе обжатия скорость выхода заго­товки повышается с 4,2 до 5,5 м/мин. Экономичность работы установки обеспечивается высокой ее произво-

Рис. 23.37. Колесно-ленточная УНРС, совме­щенная с прокатным станом конструкции Hitachi (Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3— литейное колесо; 4 — тянущие ролики; 5 —зона вы­равнивания температуры; 6— ножницы; 7— горизон­тальная клеть; 8— вертикальная клеть; 9— направляю­щие велики: 10— охлаждение ленты

дительностью, 100%-ной экономией затрат на энергию и огнеупоры для нагрева заготовок, повышением сквозного выхода годного до 99 %.

Дата добавления: 2015-07-08