Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 1.2

Разливка открытой струей непрерывнолитых сортовых заготовок из сталей обыкновенного качества

Наиболее широкое промышленное распространение в мире для сортовых МНЛЗ получила разливка стали открытой струей (рисунок 1.4) через стакан-дозатор строго регламентированного диаметра [40-48].

Открытой струей обычно разливают стали, не подвергающиеся строгому контролю макроструктуры при дальнейшей прокатке и предназначенные для получения металлопродукции в виде периодического профиля, уголков, двутавров, проволоки, арматуры и пр. Наибольшее распространение такая схема разливки получила в условиях мини металлургических заводов [6].

При этом регулирование скорости разливки осуществляется путем задания определенной высоты налива металла в промковше и внутреннего диаметра стакана-дозатора. Поддержание уровня металла в кристаллизаторе осуществляется посредством варьирования скорости вытяжки заготовки.

Основной стратегической задачей разливки стали открытой струей на сортовых МНЛЗ является минимизация производственных издержек, которая в наибольшей степени может быть реализована при разливке длинными и сверхдлинными сериями из одного промковша [49]. В настоящее время длительность серии на современных сортовых МНЛЗ достигает 70-100 ковшей и более.

Наличие больших резервов повышения производительности за счет увеличения серийности подтверждается известными «рекордными» показателями, достигнутыми на некоторых заводах мира, использующих эффективные технологии непрерывной разливки сортовых заготовок: мини-завод «Нукор Стил Плимут» (США) – 349 плавок; завод «Сикарца Лас Тручас» (Мексика) – 319 плавок [31].

При этом крайне важным технологическим элементом является обеспечение высокого показателя серийности разливки непосредственно из одного промковша [30, 49-52]. Это позволяет добиться стабильности работы машины, а также снижает удельные затраты на огнеупоры и потери металла, связанные с остановкой МНЛЗ. Соответственно, технологические функции промковша постоянно трансформируются и расширяются.

Современным промковшам предшествовали прототипы нескольких поколений конструкций, из которых можно выделить три основных: «В – образные»; «Т – образные»; «W – образные». Более подробно типология промковшей сортовых МНЛЗ рассмотрена на рисунках 1.5-1.7 [53]. Промковши МНЛЗ, изготовленные в 60-70 г.г., представляли собой простейшие коробчатые емкости, у которых точка приема металла находилась на одной оси с ручьями, не зависимо от их количества (рисунок 1.5). Такие промковши принято называть «В – образными» (от англ. boat – «лодка»). В случае нечетного количества ручьев, подача металла из сталеразли-вочного в промежуточный ковш осуществлялась несимметрично (рисунок 1.5 в).

Пришедшие на смену «Т-образные» промковши (рисунок 1.6) твердо закрепились в проектах мировых лидеров разработки и изготовления машин непрерывного литья заготовки. «Т-образная» конструкция промковша предполагает наличие «дельты» или «кармана» для приема металла и его дальнейшего распределения между ручьями. Данная конструктивная особенность позволяет усреднить металл по температуре и химическому составу, а также способствует увеличению времени пребывания стали в промежуточном ковше для более эффективного протекания процессов рафинирования и всплытия неметаллических включений.

Схема одно и многоручьевых В – образных промежуточных ковшей с различным расположением точки приема металла

Рисунок 1.5 – Схема одно и многоручьевых «В – образных» промежуточных ковшей с различным расположением точки приема металла

Схема Т – образных промковшей различной конструкции

Рисунок 1.6 – Схема «Т – образных» промковшей различной конструкции

Тенденция развития МНЛЗ для разливки высококачественных марок стали обусловила создание промковша «W-образного» типа (рисунок 1.7), главной отличительной особенностью которого является равноудаленность ручьев МНЛЗ от точки падения струи металла из сталеразливочного ковша. Такая схема создает наиболее благоприятные условия усреднения жидкого расплава между ручьями МНЛЗ, что значительно сказывается на стабильности процесса разливки и качестве непрерывнолитой заготовки.

Схема промковша W – образного типа

Рисунок 1.7 – Схема промковша «W – образного» типа

В 90-е годы прошлого столетия сформировалась тенденция повышения серийности разливки из одного промковша. В большинстве случаев, это коснулось многоручьевых МНЛЗ с промковшами «Т – образного» типа. Данный аспект обусловил стремление оптимизировать движение потоков и минимизировать износ футеровки, связанный с воздействием движущегося металла. Однако решать проблему разливки сверхдлинными сериями, внося изменения в конструкцию промковша, для ряда предприятий усложнено материальными и временными затратами. Гармонизация схемы футеровки с помощью специальных металлоприемников и перегородок, (тип и габаритные размеры проектируются индивидуально для каждого промковша) позволяет ускорить процесс достижения желаемого результата.

Наиболее распространенная в мире конструкция кожуха промковша многоручьевой МНЛЗ изображена на рисунке 1.8. Основными элементами этой конструкции промежуточного ковша являются передняя стенка, «карман» (или «дельта»), цапфы, бандаж и шлаковый желоб. Объем промежуточного ковша в среднем составляет 0,7-1 м3 на каждый ручей при высоте налива металла 500-700 мм.

Общий вид кожуха промежуточного ковша многоручьевой сортовой МНЛЗ

Рисунок 1.8 – Общий вид кожуха промежуточного ковша многоручьевой сортовой МНЛЗ - 1 – отверстия ручьев; 2 – передняя стенка; 3 – дно; 4 – цапфы; 5 – шлаковый желоб; 6 – «карман» или «дельта»; 7 – бандаж

Обобщая известные технические решения, промежуточные ковши можно разделить на две основные группы по совокупности выполняемых технологических операций:

  • промковши, в которых создаются максимально благоприятные условия для разливки сверхдлинными сериями (по меньшей мере, несколько десятков плавок) с целью минимизации издержек на разливку;
  • промковши, в которых широко используются операции рафинирования жидкой стали в совокупности с функциями усреднения и дозирования металла.

Стратегия минимизации издержек, прежде всего, относится к высокопроизводительным сортовым МНЛЗ, работающим в условиях металлургических мини-заводов [54-60].

Для таких условий литья процессы рафинирования стали в промковше, как правило, предусматриваются в минимальном объеме. При этом основным критерием эффективности работы МНЛЗ является возможность разливки сверхдлинными сериями без замены промежуточного ковша и остановки машины. Например, в конвертерном цехе ОАО «Челябинский металлургический комбинат» на 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ достигнута средняя серийность разливки 39 плавок (максимальная 54 плавки) [58], в ЭСПЦ ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» на 5-ти ручьевой сортовой МНЛЗ средняя серийность цикла разливки достигает 40 часов [61]. На металлургическом мини-заводе «Badische Stahlwerke GmbH» (Германия) средняя серийность составляет 45-50 плавок из одного ковша на 5-ти ручьевой сортовой машине [62, 63], на мини-заводе ООО «Электросталь» (г. Курахово) достигнута средняя серийность 40 плавок (максимальная серия – 63 плавки длительностью 60 ч 40 мин) [64].

Практика последнего десятилетия показывает, что проблема износа (или зарастания) внутренней полости стаканов-дозаторов решается путем оптимизации технологии подготовки стали к разливке и применением устройств для быстрой замены стаканов-дозаторов [65-69]. Такие устройства предполагают расположение под днищем промежуточного ковша специальной кассеты, имеющей, по крайней мере, два стакана-дозатора, быстрая установка которых в рабочее положение (цикл перемещения стакана-дозатора составляет - 0,2-0,3 с) осуществляется с помощью специального гидропривода. В настоящее время производство устройств для быстрой замены стаканов-дозаторов освоено всеми ведущими фирмами, специализирующимися на изготовлении такого рода оборудования.

Применение устройства для быстрой замены стакана-дозатора обеспечивает повышение стабильности процесса литья за счет хорошей организации истечения струи и квазипостоянного мгновенного расхода стали, а также минимизации вторичного окисления металла на участке промежуточный ковш – кристаллизатор за счет уменьшения участка открытой струи. Кроме того, такое устройство позволяет оперативно менять диаметр стакана-дозатора и, соответственно, регулировать скорость вытяжки заготовки. В определенных случаях это создает благоприятные условия для синхронизации работы плавильного агрегата и МНЛЗ.

Рабочий слой футеровки промковша выполняется путем торкретирования с использованием огнеупорных масс на основе высококачественного магнезитового порошка. Толщина рабочего слоя футеровки обычно составляет 60-80 мм. Основной зоной износа рабочего слоя футеровки промковша, лимитирующей длительность разливки, является область, прилегающая к месту падения струи стали, вытекающей из сталеразливочного ковша. Кроме того, повышенный износ футеровки промковша наблюдается, как правило, по всему периметру шлакового пояса, что объясняется химической активностью покровного шлака по отношению к рабочему слою футеровки [70-72]. Важную роль в стабильности работы футеровки промковша играет организация движения потоков стали в момент начала разливки и по ее ходу. Металл, попадающий в промковш из сталеразливочного ковша, движется в виде компактной струи вертикально вниз со скоростью несколько метров в секунду. При падении такой струи может происходить вовлечение в перемешивание покровной теплоизолирующей смеси, а также удар струи о днище промковша, что приводит к изменению направления движения потоков: вверх под наклоном или горизонтально. При этом днище ковша в месте удара более интенсивно разрушается и имеет повышенный износ.

В зоне падения струи также создается высокотурбулентная область, которая закручивает поверхностный шлак, тем самым уменьшая эрозионную стойкость футеровки в шлаковом поясе. Обычно эта зона футеровки промковша выполняется из более прочных огнеупоров. Для торможения струи в области ее контакта с днищем используются дополнительные приемные устройства, которые выполняются из специальных высокопрочных огнеупорных материалов [73, 74].

Анализируя работу промковша многоручьевой сортовой МНЛЗ при разливке длинными и сверхдлинными сериями [72, 75-79], следует выделить следующие функциональные особенности:

  • постоянный контакт определенной части днища промежуточного ковша с падающей струей металла приводит к размыванию огнеупорного слоя в месте падения струи;
  • периодическое многократное изменение уровня металла в промковше (во время замены сталеразливочных ковшей) изменяет динамику движения потоков стали в нем;
  • бурление и активное перемешивание металла с покровным шлаком в зоне падения струи обусловливают повышенный износ рабочего слоя футеровки;
  • попадание шлака из сталеразливочного ковша существенно влияет на свойства и толщину покровного шлака в промковше по ходу разливки;
  • разность температуры стали, вытекающей из центральных и крайних ручьев промежуточного ковша, должна быть минимальной, что обеспечивает стабильность процесса литья.

Учет всех особенностей работы промковша для обеспечения разливки сверхдлинными сериями невозможен без применения специальных устройств (металлоприемников и порогов), оказывающих влияние на гидродинамику в его жидкой ванне в течение всего цикла разливки.

Внедрение в практику разливки различных порогов, шлаковых и фильтрационных перегородок совместно с бойной плитой позволило решить ряд проблем организации движения потоков. Однако подобные устройства обладают несколькими существенными недостатками, связанными с точностью установки перегородок и порогов в промковше. Так, вследствие неправильного монтажа таких изделий, происходит их быстрое разрушение (или зарастание), что приводит к дисбалансу процесса разливки, вплоть до остановки МНЛЗ.

В последнее десятилетие для обеспечения максимальной защиты стенок и днища промковша многоручьевых МНЛЗ от разрушения широко используются монолитные металлоприемники ведрообразного типа с «окнами» [80-82]. Несмотря на некоторые конструктивные отличия у разных производителей, такие металлоприемники, как правило, обеспечивают торможение струи и перемешивание металла со шлаком в зоне ее падения. Более того, благодаря специально выполненным в стенках металлоприемника «окнам» удается предотвратить прямой контакт вытекающих из него потоков со стенами промковша. На рисунке 1.9 приведен общий вид некоторых металлоприемников ведрообразного типа, используемых на различных металлургических предприятиях.

Металлоприемники ведрообразного типа различных фирм производителей

Рисунок 1.9 – Металлоприемники ведрообразного типа различных фирм производителей: а) «Dalmond»; б) «Calderys»; в) «Fematek»

В целом геометрические размеры металлоприемника требуют уточнения применительно к конкретным условиям разливки, числу ручьев и геометрической конфигурации внутренней полости промежуточного ковша.

При этом между промковшом и кристаллизатором струя может быть открытой или защищенной специальными приспособлениями (например, герметичным сильфоновым уплотнением, рисунок 1.10).

Фото перелива стали из промковша в кристаллизатор открытой струей с использованием герметичного сильфона

Рисунок 1.10 – Фото перелива стали из промковша в кристаллизатор открытой струей с использованием герметичного сильфона

Высокая производительность многоручьевых сортовых МНЛЗ достигается за счет высокой скорости вытяжки заготовки (5-6 м/мин) путем применения параболических многоконусных гильзовых кристаллизаторов, длина которых составляет 0,8-1,1 м [3, 83-88]. Вместе с тем, при использовании параболических и многоступенчатых гильз кристаллизаторов может наблюдаться повышенное трение заготовки на выходе из них. Это вызывает повышенный износ стенок гильзы при большой конусности кристаллизатора. Поэтому разливка с применением параболических кристаллизаторов требует строго регламентируемых параметров литья.

Гильзы кристаллизаторов охлаждаются водой высокого качества, часто деминерализованной, и снабжены оборотной системой. Обычно в технических условиях оговаривается, что оборотная система должна обеспечивать минимальную скорость потока воды в каналах системы охлаждения порядка 7-8 м/сек. На наш взгляд, развитием системы охлаждения гильз кристаллизаторов может стать спрейерное охлаждение (рисунок 1.11) [35].

При этом подвод воды к внешней поверхности гильзы осуществляется посредством нескольких десятков форсунок, расположенных равномерно по граням и углам гильзы. Это обеспечивает надежное и равномерное охлаждение гильзы независимо от ее конструкции и геометрической формы. При прочих равных условиях для спрейерного охлаждения требуется на 30% меньше воды, чем для кристаллизаторов с водяной рубашкой. Помимо этого стойкость гильзы кристаллизаторов повышается в 1,5-2,0 раза.

Внешний вид кристаллизатора со струйно-водяным охлаждением гильзы

Рисунок 1.11 – Внешний вид кристаллизатора со струйно-водяным охлаждением гильзы

В ходе разливки стали внутренняя поверхность гильзы находится в постоянном динамическом контакте с твердой корочкой заготовки, поскольку кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение. Для повышения экс-плуатационной стойкости внутренняя поверхность гильзы имеет специальное защитное покрытие толщиной 0,07-0,12 мм, которое обеспечивает дополнительное сопротивление износу, обусловленное трением твердой корочки заготовки о поверхность гильзы кристаллизатора [3, 39]. Наиболее рас-пространенным покрытием является хром. Кроме того, производители гильз используют различного рода трехслойные покрытия типа никель (+фосфор) – кобальт – хром, которые существенно повышают стойкость гильз, но увеличивают их стоимость.

Обеспечение устойчивого контакта внешней поверхности заготовки с внутренней поверхностью гильзы является едва ли не важнейшей задачей с точки зрения равномерного формирования твердой корочки и геометрической формы заготовки. На практике внутреннюю полость выполняют строго регламентированной геометрической формы, задавая определенную конусность от верха гильзы к низу, которая в максимальной степени учитывает усадку и траекторию движения заготовки, что позволяет минимизировать величину воздушного зазора между заготовкой и стенками гильзы кристаллизатора (особенно в нижней ее части). Эта концепция в целом обеспечила на практике рост скорости вытяжки заготовки в среднем в 2,0-2,5 раза в сравнении с одноконусной и двухконусными гильзами [39, 83, 86, 89]. Видимо, дальнейший рост скорости вытяжки заготовки может быть достигнут за счет оптимизации геометрической формы внутренней полости гильзы применительно к конкретным условиям литья (маркам сталей, требованиям к качеству поверхности и макроструктуры, условиям охлаждения гильзы водой и т.п.).

Основными производителями гильз для сортовых кристаллизаторов являются фирмы «Europa Metalli» (Италия), «KME» (Германия), «Saarmetal» (Германия), «Shinko Metal Product» (Япония), «Abax» (КНР-Германия) и АХК «ВНИИ-метмаш» (Россия). В целом гильзы этих производителей представляют собой высокотехнологичные изделия, которые выполняются с высокой размерной точностью, а на их рабочую поверхность наносится специальное износостойкое покрытие определенного состава и толщины. Применение кристаллизаторов такой конструкции обеспечивает благоприятные условия для быстрого и относительно равномерного наращивания твердой корочки заготовки. Между тем, в практике непрерывной разливки не существует консолидированного понятия, описывающего, каким образом технически реализуется «параболическая» закономерность в форме внутренней полости гильзы кристаллизатора и какие определяющие параметры закладываются в расчет этой параболической зависимости [90].

Теоретические расчеты условий затвердевания заготовки в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ показывают, что возможный ресурс повышения скорости формирования твердой корочки в медной гильзе еще далеко не исчерпан. Например, по данным Б.Томаса технологически возможная скорость вытяжки квадратной заготовки сечением 120x120 мм может составлять более 6,0 м/мин [33]. Следовательно, для дальнейшего повышения скорости вытяжки сортовой заготовки, видимо, следует обеспечивать более интенсивный и равномерный отвод тепла непосредственно от гильзы кристаллизатора. При этом необходимо также принимать во внимание тот факт, что интенсивность теплопередачи достигает максимальных значений на участке прямого контакта поверхности гильзы с жидкой сталью (то есть, на 80-150 мм под мениском) и оказывается в несколько раз меньше в нижней части кристаллизатора [91, 92].

Процессы, происходящие в кристаллизаторе МНЛЗ, во многом определяют качество поверхности и подповерхностных зон непрерывнолитой заготовки. Для обеспечения стабилизации условий вытяжки заготовки из кристаллизатора ему сообщают возвратно-поступательные движения, что минимизирует величину силы трения заготовки и кристаллизатора, а также улучшает условия подачи смазки (масла или шлакообразующей смеси) в зазор между заготовкой и стенками кристаллизатора. При этом, определенные отклонения от рациональных параметров литья и условий затвердевания могут приводить не только к образованию дефектов, но и к аварийным ситуациям типа «прорыв» и «обрыв» заготовки в процессе литья [93-95].

Несмотря на тот факт, что концепция придания кристаллизатору возвратно-поступательных движений используется уже более полувека, в практике разливки стали, по-прежнему, не существует единых теоретических критериев и методик по выбору рациональных амплитудно-частотных характеристик применительно к конкретным условиям литья [30, 96, 97]. Это, вероятно, объясняется разнообразием подходов к проблеме оптимизации параметров литья, с одной стороны, а также отсутствием единых качественных и количественных подходов, с другой. При этом особое внимание уделяется все же качеству поверхности заготовки при повышении производительности (скорости вытяжки) МНЛЗ.

На сегодняшний день наиболее распространенным режимом движения кристаллизатора является синусоидальный. Среди основных преимуществ синусоидального режима качания кристаллизатора можно выделить следующие:

  • возможность реализации как с использованием электромеханических, так и гидравлических систем привода механизма качания;
  • простота реализации на электромеханических системах качания кристаллизатора (нет необходимости изготавливать профильные кулачки).

Определенный режим движения кристаллизатора с использованием электромеханического механизма качания реализуется за счет применения различных кинематических схем механизмов качания. Наиболее распространенным среди электромеханических механизмов качания кристаллизатора для вертикальных, радиальных и криволинейных МНЛЗ является механизм параллелограммного типа, обеспечивающий синусоидальный режим движения кристаллизатора. Схема такого типа механизма представлена на рисунке 1.12.

Благодаря бурному развитию систем автоматического управления в 80-90-х годах ХХ века и ввода их в производственную среду стало возможным широкое использование гидравлических механизмов качания. Это позволило конструкторам наряду с синусоидальными режимами качания применить и триангулярные, которые позволяют достигнуть совершенно новых возможностей по управлению соотношением параметров качаний кристаллизатора в зависимости от скорости разливки [98-102]. Так триангулярные (несинусоидальные) режимы качания дают возможность осуществлять наиболее плавное регулирование параметров качания при изменениях в процессе литья, а также использовать более широкий диапазон технологических параметров, связанных с качанием кристаллизатора [103, 104].

Электромеханический привод механизма качания кристаллизатора

Рисунок 1.12 – Электромеханический привод механизма качания кристаллизатора (синусоидальные движения): 1 – привод механизма качания; 2 – система рычагов; 3 – стол качания кристаллизатора; 4 – непрерывнолитая заготовка; 5 – кристаллизатор; 6 – шатун

Данные, полученные в ходе различных промышленных испытаний, показали, что качание по триангулярному (несинусоидальному) режиму с помощью гидропривода, по крайней мере, на 30-35% уменьшает глубину следов качания по сравнению с синусоидальным режимом [105-109]. Установлено, что для несинусоидального режима качания (рисунок 1.13) в сравнении с синусоидальным, характерен меньший период сжатия, при котором образуются неглубокие следы качания глубиной около 250 мкм для одинаковых марок стали.

В целом несинусоидальный режим качания кристаллизатора обладает следующими преимуществами в сравнении с синусоидальным:

  • обеспечение минимизации времени опережения, а, следовательно, и снижение времени воздействия сжимающих нагрузок на корочку заготовки;
  • уменьшение глубины проникновения следов качания на поверхности заготовки;
  • увеличение (расширение) сортамента разливаемых марок стали, за счет расширения числа реализуемых режимов качания кристаллизатора.

Графики изменения скорости движения кристаллизатора для синусоидального и несинусоидального законов

Рисунок 1.13 – Графики изменения скорости движения кристаллизатора для синусоидального и несинусоидального законов

После выхода из кристаллизатора охлаждение заготовки осуществляется путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой, отвода тепла к поддерживающим роликам, а также вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду. Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения по ней медленно уменьшалась [3, 30].

Температура поверхности непрерывнолитой заготовки в зоне вторичного охлаждении (ЗВО) устанавливается таким образом, чтобы тепловой поток через корку слитка и теплоотвод с поверхности слитка получались примерно одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается конечным термическим сопротивлением твердой корочки заготовки. Для достижения требуемой интенсивности теплоотвода применяются следующие основные методы подачи ох-лаждающего вещества: охлаждение струями воды (струйное охлаждение) или водовоздушной смесью (водовоздушное охлаждение), подаваемой между опорными роликами через специально устанавливаемые форсунки [110-119]. Формирование водовоздушной смеси для охлаждения заготовки в этой зоне происходит в основном в результате соударения двух потоков (водяного и воздушного) внутри форсунок специальной конструкции. Характер распыления воды определяется расходом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком диапазоне параметров.

При этом температурное состояние непрерывнолитой заготовки может достаточно полно быть оценено на математических теплофизических моделях. Особо важным элементом моделирования является возможность отработки режимов ох-лаждения при нестационарных режимах литья, которые возникают при замене промковша или уменьшении скорости вытяжки заготовки.

В целом дальнейшее совершенствование технологии непрерывной разливки, качество непрерывнолитой заготовки, надежность и высокая производительность МНЛЗ в значительной мере зависят от совершенствования процессов теплопередачи и затвердевания непрерывных слитков. Применение водовоздушного охлаждения позволяет существенно расширить возможности разливки стали на сортовых МНЛЗ.

  Раздел 1.2
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ