Огнеупорный аспект при производстве и разливке стали
  Доклад №5

Развитие конструкции металлоприемников для промковшей высокопроизводительных сортовых МНЛЗ

Смирнов А.Н., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»
Кравченко А.В., ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет»

Увеличения стойкости футеровки промковша удается достичь при применении металлоприемников специальной геометрической формы из высокопрочных бетонов, учитывающих специфику конструкции промковша и условий разливки. Применение металлоприемников в промковше предполагает адаптацию их конструкции к конкретным условиям разливки и конструкциям промковшей, которая может быть достигнута исключительно на базе глубоких практических и аналитических исследований.

Ключевые слова: сортовая МНЛЗ, серийность разливки, металлоприемник, стойкость футеровки промковша.

Предприятия черной металлургии Украины и других стран СНГ являются одними из крупнейших поставщиков непрерывнолитой заготовки проката на мировой рынок, динамика, развития которого характеризуется заметным повышением конкуренции и требований к качеству металлопродукции. В последние два десятилетия наблюдается значительный прогресс в конструкционном оснащении и технологическом оформлении машин непрерывного литья заготовок. Это позволило адаптировать процесс непрерывного литья к различным технологическим построениям и видам продукции, которые в максимальной степени учитывают конъюнктуру рынка [1-3]. При этом концептуальное построение большинства промышленных МНЛЗ, включающее в себя промковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения и пр. практически сохранилось, что обусловливает необходимость проведения дополнительных уточняющих исследований применительно к конкретным условиям и задачам.

Однако основные направления развития техники и технологии непрерывной разливки стали продолжают фокусироваться на совершенствовании процессов литья заготовок традиционных сечений (сляб, блюм) и на создании новых МНЛЗ для получения сортовых заготовок квадратного и круглого сечения, тонких слябов, листа и фасонных профилей, которые в максимальной степени приближены к сечению готовой продукции (с учетом необходимого обжатия при прокатке). При этом важную роль в обеспечении эффективности процесса непрерывной разливки играет промежуточный ковш (промковш), который самым непосредственным образом влияет на стабильность процесса разливки, качество непрерывнолитой заготовки и удельные затраты.

Современный промковш (рис.1) выполняет различные функции. Он является буферной емкостью, так как с его помощью согласовывается дискретное поступление металла из сталеразливочного ковша в промежуточный и непрерывное поступление стали из промковша в кристаллизатор. При этом обеспечиваются усреднение поступающей порции металла и предотвращение попадания шлака в кристаллизатор. Предполагается, что конструкция промежуточного ковша должна обеспечивать минимальные потери тепла металлом в течение всего цикла литья.

промковш сортовой мнлз, сорт, мнлз

Рисунок 1 – Общий вид 6-ти ручьевого промковша сортовой МНЛЗ

Кроме того, промковш обеспечивает поступление металла в кристаллизатор с определенным расходом, обеспечивая хорошо организованную струю. Он позволяет разливать сталь в несколько кристаллизаторов одновременно и осуществлять серийную разливку методом плавка на плавку при смене сталеразливочных ковшей без прекращения и снижения скорости разливки.

Конструкция промковша должна учитывать следующие основные факторы: количество и расположение ручьев МНЛЗ, а также сечение разливаемых заготовок; способ регулирования процесса истечения металла из промковша; способ начала процесса разливки, метод удаления шлака и остатков металла после ее окончания; оснащенность промковша специальными устройствами и приспособлениями (например, для непрерывного замера температуры или подогрева металла в ходе литья); характер движения конвективных потоков металла, способствующих всплытию неметаллических включений в шлак или инициирующих повышенный износ элементов футеровки промковша; возможность дополнительной рафинирующей обработки металла в промковше посредством его продувки инертным газом; количество последовательно разливаемых плавок в серии и пр.

Геометрическая форма промковша выбирается по возможности наиболее простой и приближенной к параллелепипеду. Это упрощает процесс изготовления футеровки промковша и его обслуживания (например, извлечения остатка металла после разливки).

В мировой практике наибольшее распространение получили многоручьевые МНЛЗ с количеством ручьев от 4 до 6 [4,5]. Как правило, такие промежуточные ковши используются для разливки сталей рядового сортамента со стратегией минимизации издержек.

Классификация промковшей многоручьевых сортовых МНЛЗ приведена на рисунок 2 и основывается на количестве ручьев – четном или нечетном.

форм промковш

Рисунок 2 – Характерные геометрические формы промковшей многоручьевых МНЛЗ

Промковши, предназначенные для разливки сверхдлинными сериями, оборудуются огнеупорными элементами, которые способствуют повышению эксплуатационного ресурса футеровки. Существо такого рода решений обычно сводится к организации движения конвективных потоков таким образом, чтобы предотвратить интенсивный их контакт с футеровкой. Таким элементом является металлоприемник, который выполняет одновременно функции приема и торможения металла истекающего из сталеразливочного ковша, защиты места падения струи (бойное место), а также распределения потоков жидкой стали по ручьям.

Концепция создания металлоприемников развивалась многими огнеупорными фирмами, о чем свидетельствует большое разнообразие патентов и научных статей [6-8]. Учитывая конструкционные и технологические особенности, современные металлоприемники возможно разделить на два основных типа: «турбостоп» (рис. 3) и «колодец» (рис. 4).

металлоприемник турбостоп

Рисунок 3 – Металлоприемники типа «турбостоп» различных фирм производителей

металлоприемник колодец

Рисунок 4 – Металлоприемники типа «колодец» различных фирм производителей

Металлоприемники типа «турбостоп» выполняют роль улавливателя струи металла, падающей из сталеразливочного ковша, и обеспечивают ее максимальное торможение. Конструкция рабочей камеры металлоприемника такого типа ограничивает зону приема стали и благодаря закругленным боковым стенкам создает гидродинамическую «подушку», которая значительно снижает энергию потока металла и принудительно направляет сталь вверх. Эффективная работа металлоприемника типа «турбостоп» лимитируется не только геометрическими и прочностными характеристиками, но также зависит от его химического состава, который подбирается индивидуально для конкретного потребителя.

Несмотря на многочисленные преимущества металлоприемники типа «турбостоп» не могут обеспечить эффективную защиту футеровки в зоне шлакового пояса, что в значительной мере ограничивает серийность разливки. Альтернативным вариантом, в аспекте защиты шлакового пояса и повышения эксплуатационного ресурса футеровки промежуточного ковша являются металлоприемники типа «колодец». Как правило, такие металлоприемники используют для промковшей многоручьевых сортовых МНЛЗ при разливке открытой струей[9]. Существует множество конструктивных исполнений такого металлоприемника. Все они обеспечивают максимальную защиту стенок и днища промковша от негативного воздействия конвективных потоков за счет торможения радающей струи, а также благодаря наличию вырезов (окон) в верхней части (рис. 4а,б) металлоприемника, либо выпускных отверстий в корпусе (рис. 4в), которые равномерно распределяют жидкий металл по ручьям МНЛЗ.

В значительной степени предотвратить явление перемешивания металла с покровным шлаком удается достигнуть в случае применения металлоприемника «ведрообразного» типа. Однако применение такого типа металлоприемника имеет определенные ограничения, которые связаны с его преимущественным использованием при разливке открытой струей. Как показали исследования, применение «ведрообразного» металлоприемника совместно с защитной трубой приводит к ускоренному разрушению металлоприемника в нижней его части, что, видимо, следует объяснять низким эффектом торможения струи.

Разработка рациональной конфигурации металлоприемника для промежуточных ковшей многоручьвых сортовых МНЛЗ необходимо принимать во внимание следующие технологические соображения, определяющие его конструкцию:

  • обеспечение эффективного торможения падающей из сталеразли-вочного ковша струи и снижение турбулентности потоков в средней части промковша, вызванных ее падением;
  • уменьшение интенсивности турбулентного перемешивания металла с покровным шлаком и предотвращение интенсивного перемешивания металла и шлака у стен промковша в зоне падения струи;
  • положение и конфигурация окон металлоприемника, которые должны обеспечивать направленное движение однородных циркуляционных потоков в направлении торцевых стенок промковша (то есть отверстий крайних ручьев) и предотвращать прямое попадание порций металла из сталеразливочного ковша в стаканы-дозаторы средних ручьев.
  • достаточный запас прочности каркаса, обеспечивающий стойкость всей системы в целом.

Проблемной лабораторией кафедры «Металлургия стали» ДонНТУ совместно с фирмой «Пуянг-Украина» разработана и испытана новая концепция приемных устройств, в которой использована комбинация положительных эффектов металлоприемника типа «турбостоп» и «ведрообразного» металлоприемника. Комбинированная система металлоприемника с гасителем турбулентности (рис. 5а), может, на наш взгляд, обеспечивать рациональное движение конвективных потоков (в том числе и транспортирование неметаллических включений к границе раздела шлак-металл), а также существенно снизить вероятность механического разрушения элементов футеровки (днище металлоприемника, шлаковый пояс и т.д.).

Комбинированный металлоприемник в нижней своей части содержит внутреннюю камеру с бандажом, обеспечивая торможение падающей струи и уменьшая интенсивность возникающих турбулентных потоков металла. За счет взаимного гашения потоков поступающего и отраженного металла предотвращается интенсивное перемешивание металла и шлака у стен промковша в зоне падения струи. При этом высокоскоростная струя металла, попадая в нижнюю его камеру (гаситель турбулентности) отражается от днища и образует высокотурбулентный подпор (рис. 5, б). После этого металл заполняет верхнюю камеру металлоприемника, где образуется ламинарная зона с низкими скоростями движения жидкого расплава. Это обеспечивает низкоскоростное движение циркуляционных потоков в направлении дальних стенок промковша.

комбинированный металлоприемник

Рисунок 5 – Комбинированный металлоприемник для разливки на высокоскоростных многоручьевых сортовых МНЛЗ (а) и математическое моделирование движения металлического расплава в его нижней камере (б)

Обобщая известные исследования [4,5,10-14], следует подчеркнуть, что рациональный выбор конструкции и расположения управляющих элементов (продувочных блоков, перегородок, металлоприемника и др.), устанавливаемых в промковше, обеспечивает следующие преимущества:

  • улучшение качества непрерывнолитой заготовки за счет удаления неметаллических включений из стали;
  • повышение стойкости футеровки промковша и снижение удельных затрат на разливку;
  • повышение серийности разливки из одного промковша при обеспечении стабильности литья в течение всего цикла;
  • предотвращение зарастания сталепроводящего канала стакана-дозатора, шиберного затвора или погружного стакана.

Применение металлоприемников в промковше предполагает адаптацию их конструкции к конкретным условиям разливки и конструкциям промковшей, которая может быть достигнута исключительно на базе глубоких практических и аналитических исследований. Выполнение комплекса таких исследований обусловливает создание эффективных взаимосвязанных физических и математических моделей.

Библиографический список

  • 1. 1. Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали // Алчевск: ДонДТУ, 2010. – 520 с.
  • 2. B.G.Thomas, Q.Yuan, L.Zhang, S.P.Vanka, Flow Dynamics and Inclusion Transport in Continuous Casting of Steel, NSF Design, Service, and Manufacturing Grantees and Research Conf. Proc., R.G.Reddy, ed., (2003), p.2328-2362.
  • 3. Tundish operation // Continuous casting/ Volum 10. – Iron and Steel Society. – 2003. – P.323
  • 4. Смирнов А.Н., Подкорытов А.Л. Современные сортовые МНЛЗ: перспективы развития технологии и оборудования / Технологии. - №12. – декабрь 2009.- С. 18-25.
  • 5. Smirnov A., Grydin S., Physical and mathematical modeling fluid flows movement in tundish for 6-strand billet CCM // 1-st International Conference Simulation and Modeling of Metallurgical Processes in Steelmaking (STEELSIM-2005), Brno, 2005. – Brno: 2005. - P. 244-252.
  • 6. RU 77811 Промежуточный ковш для непрерывной разливки ме-талла / Белобородова Л.Н., Новоселов Э.Б., Клочков А.С. / Патентообладатели: Белобородова Л.Н., Новоселов Э.Б., Клочков А.С. – Номер заявки: 2008120211/22.- Дата публикации:10.11.20087
  • 7. Sahai Y., Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production. – New Jersey: World Scientific, 2008. – P. 316
  • 8. US Patent 2007/0132162 A1 Impact pad for metallurgical vessels / Ronald Barrett; Assignee North American Refractories Co.; Appl. No. 11/302,886; Filed Dec.14.2005; Date of Patent Jun.14.2007
  • 9. US Patent 7,004,227 B2 Impact pad for dividing and destributing liquid metal flow / Dong Xu, Laurens Heaslip, James Dorricott; Assignee Vesuvius Crusible Company; Appl. No. 10/477,473; Filed May.22.2002; Date of Patent Feb.28.2006
  • 10. US Patent 6,997,361 B2 Metallurgical impact pad / Donal Richard Zacharias, John Morris, Eric Wotsch; Assignee Foseco International Limited, Tamworth, GB; Appl. No. 10/395,150; Filed Mar.25.2003; Date of Patent Feb.14.2006
  • 11. US Patent 6,554,167 B1 Impact pad / Ronald Barrett; Assignee North American Refractories Co.; Appl. No. 09/896,672; Filed Jun.29.2001; Date of Patent Apr.29.2003
  • 12. US Patent 5,110,096 One-piece tundish living / Donald R. Zacharlas, Parma Hights; Assignee Foseco International Limited, Birmingham, England; Appl. No. 655,507; Filed Feb.15.1991; Date of Patent May.5.1992
  • 13. WO 2008/093042 A1 Mixing Chamber / Nitzl Gerald, Morris John, Zacharias Donald R., Assignee Foseco International Limited, GB;Int. Appl. No. PCT/GB2008/000162; Filed Jan.17.2008; Date of Patent Aug. 7.2008.
  • 14. Смирнов А.Н., Кравченко А.В., Подкорытов А.Л., Климов В.Г., Соловых С.Г. Оптимизация потоков стали в промковше при разливке сверхдлинными сериями на многоручьевых сортовых МНЛЗ // Сборник научных трудов конференции «50 лет непрерывной разливке стали в Украине» / Донецк 2010. – C.324-330.
  Доклад №5
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ