Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 3.1

Основные тенденции развития конструкции промковшей современных сортовых МНЛЗ

В последнее время в области технологий разливки стали наблюдаются существенные изменения, направленные на увеличение производительности МНЛЗ и повышение качества разливаемых сталей. Это обусловило развитие исследований, связанных с металлургическими и гидродинамическими процессами, происходящими в промковше в ходе разливки. Результаты таких исследований изложены в многочисленных публикациях, в которых основное внимание уделяется исследованию влияния различных конструкций перегородок, порогов, приемных устройств и т.п. на рафинирование стали от неметаллических включений [31, 50, 51, 54-59, 62, 96, 241-245].

Промковш сортовой МНЛЗ выполняет следующие основные функции:

  • принимает сталь, выливающуюся из сталеразливочного ковша;
  • накапливает металл в объемах, необходимых для стабильного процесса литья (высота налива h = 700-1000 мм) и замены сталеразливочного ковша (до 3-5 мин разливки без подачи металла из сталеразливочного ковша, уровень стали при этом падает до 400-350 мм);
  • распределяет и дозирует сталь при переливе из промковша в кристаллизаторы МНЛЗ;
  • усредняет сталь по температуре и химическому составу в ходе разливки;
  • минимизирует потери тепла металла в промковше;
  • обеспечивает рафинирование металла за счет всплытия неметаллических включений.

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). Для удобства эксплуатации также выполняются технологические уклоны стенок промковша сверху вниз. Для более эффективного приема струи металла из сталеразливочного ковша в конструкции промковша может предусматриваться специальная полость в виде «кармана».

Оптимальная емкость промковша определяется сечением отливаемых заготовок, числом ручьев и расстоянием между ними, скоростью разливки, требованиями к возможности всплытия неметаллических включений и ассимиляции их шлакообразующим покрытием. На величину емкости промковша влияет также и режим разливки: в случае серийной разливки емкость промковша увеличивается с целью обеспечения запаса металла, необходимого для замены сталеразливочного ковша.

Как показывает практика, для высокоскоростных сортовых 6-ти ручьевых МНЛЗ, например, емкость промковша составляет, как правило, 25-30 т при высоте налива металла не менее 0,7-0,8 м.

Обобщая данные известных исследований, следует отметить, что для повышения чистоты стали в промковше необходимо контролировать процесс течения жидкого металла и устанавливать оптимальный уровень симметричности и динамики перемещения потоков в жидкой ванне. Решение таких задач требует усовершенствования внутренней конфигурации промковша, что позволяет интенсифицировать трансформацию турбулентной кинетической энергии в зоне притока металла. Как следствие, в жидкой ванне промковша увеличивается объем зон с квазиламинарным движением потоков и уменьшается доля так называемых «мертвых» зон, что способствует флотации неметаллических включений, а также усреднению стали по химическому составу и температуре. При формировании в промковше зон с турбулентным характером движения потоков (например, область шлакового пояса, прилегающая к зоне падения струи) в этом месте наблюдается опережающий износ слоя футеровки и интенсивное перемешивание стали с покровным шлаком вследствие возникающего бурления (рисунок 3.1).

При разливке сверхдлинными сериями (30-40 плавок и более) активный контакт торкрет-слоя промковша с покровным шлаком составляет несколько десятков часов (при периодическом изменении уровня металла), что практически исключает возможность эффективного применения высокостойких огнеупоров без дополнительных мероприятий по их защите. Достижение высоких показателей длительности разливки стали из одного промковша следует, прежде всего, связывать с рациональной организацией движения потоков стали, исключающих дополнительное разрушение рабочего слоя футеровки.

Характер турбулентных потоков в зоне падения струи из сталеразливочного ковша

Рисунок 3.1 – Характер турбулентных потоков в зоне падения струи из сталеразливочного ковша

В целом можно выделить следующие общие конструктивные подходы по оптимизации течений металла в жидкой ванне промковша (рисунок 3.2):

  • применение металлоприемников специальной геометрической формы, обеспечивающих торможение струи, падающей из сталеразливочного ковша;
  • использование специальных порогов и перегородок, обеспечивающих направленное движение потоков стали от металлоприемника к стакану-дозатору;
  • установка фильтрационных перегородок, обеспечивающих направленное движение потоков жидкой стали и улавливание неметаллических включений;
  • оснащение промковша продувочными блоками, которые обеспечивают вдувание аргона, что способствует флотации неметаллических включений.

Общая схема использования различных решений для управления потоками металла в промковше

Рисунок 3.2 – Общая схема использования различных решений для управления потоками металла в промковше: 1 – шиберный затвор сталеразливочного ковша; 2 – защитная труба; 3 – аргонная защита; 4 – металлоприемник; 5 – рабочий слой футеровки; 6 – порог; 7 – продувочный блок; 8 – фильтрационная перегородка; 9 – теплоизолирующая смесь; 10 – стакан-дозатор; 11 – стопор-моноблок

Применение металлоприемников, обеспечивающих торможение падающей из сталеразливочного ковша струи, в настоящее время является практически обязательным элементом современного промковша. Идея создания монолитного огнеупорного изделия, выполняющего одновременно функции распределения и торможения металла в промковше, развивалась многими огнеупорными фирмами, о чем свидетельствует большое разнообразие патентов и статей. Учитывая конструкционные и технологические особенности, современные металлоприемники возможно разделить на две основные группы:

  • металлоприемник типа «turbostop» (гаситель турбулентности), который выполняет роль стабилизатора струи металла, падающей из сталеразливочного ковша, и обеспечивает максимальное ее торможение (рисунок 1.14);
  • металлоприемник типа «pailtrand», сконструированный для максимальной защиты стенок и днища промковша (рисунок 1.9).

Наиболее широкое распространение на практике получили конструкции металлоприемника типа «turbostop». Конструкция боковых стенок металлоприемника ограничивает поток таким образом, что он всегда принудительно направлен вверх. На практике известно достаточно много конструкций изделий типа «turbostop», отличающихся геометрической конфигурацией внутренней полости. Основные патенты на конструкцию такого металлоприемника и его применение в промковшах принадлежат фирме «Foseco» [246, 247]. Однако достаточно близкие по сути конструкционные решения запатентованы также и некоторыми другими фирмами.

Эффективная работа металлоприемника «turbostop» лимитируется не только его геометрическими и прочностными характеристиками, но и химическим составом огнеупорного материала, который подбирается индивидуально для каждого отдельного потребителя. Различные огнеупорные фирмы-производители поставляют на рынок металлоприемники, основным компонентом материала которых является Al2O3 или MgO.

В целом многие исследователи отмечают, что эффективность работы металлоприемника типа «turbostop» зависит от рационального выбора параметров его конструкции, учитывающей специфику конфигурации конкретного промковша и условий разливки. По мнению ряда исследователей, применение таких металлоприемников позволяет избежать использования верхнего и нижнего порогов, которые существенно усложняют конструкцию футеровки промковша. Но, несмотря на все свои многочисленные преимущества металлоприемники типа «turbostop» не могут обеспечить защиту футеровки в зоне шлакового пояса, что в значительной мере ограничивает время разливки стали из одного промковша.

Первоначально на ряде МНЛЗ задача по защите рабочего слоя футеровки промковша решалась при помощи кирпичной кладки («колодца») (рисунок 3.3).

Кладка колодца выполняется из высокопрочного муллитового или периклазографитового кирпича. Прочностные характеристики конструкции, сложность и длительность сборки колодца, физический труд рабочих – это всего лишь несколько недостатков, благодаря которым был создан монолитный прототип, обеспечивающий максимальные износостойкие индексы, позволяющие разливать сталь сверхдлинными сериями.

Колодец, изготовленный из кирпича, в промковше многоручьевой сортовой МНЛЗ

Рисунок 3.3 – Колодец, изготовленный из кирпича, в промковше многоручьевой сортовой МНЛЗ: 1 – бетонный слой промковша; 2 – колодец; 3 – выпускное отверстие

Как видно из рисунка 3.4, конструкционное разнообразие монолитных колодцев типа «pailtrand», которые успешно используется на многих предприятиях нашей страны и ближнего зарубежья, нуждается в подробном изучении и систематизации в части оценки влияния основных элементов дизайна на гидродинамические процессы, происходящие в жидкой ванне промковша.

Фотографии монолитных колодцев используемых на различных сортовых МНЛЗ

Рисунок 3.4 – Фотографии монолитных колодцев используемых на различных сортовых МНЛЗ

Применение специальных порогов, расположенных на днище промковша, и перегородок в верхней его части достаточно распространено в практике непрерывной разливки стали. Фактически эти перегородки располагают таким образом, чтобы обеспечивалось направленное перетекание стали к зеркалу металла для улучшения флотации неметаллических включений (рисунок 3.5).

Точные места расположения этих элементов определяются в соответствие с геометрической формой промковша. В целом, системы порогов и верхних перегородок нашли наибольшее применение в промковшах многоручьевых блюмовых и сортовых МНЛЗ при разливке сталей, не имеющих повышенных требований по содержанию неметаллических включений [248, 249].

Фильтрационные перегородки устанавливаются на пути движения турбулентных потоков, вытекающих из металлоприемника, и обеспечивают увеличение длительности пребывания стали в промковше.

Расположение перегородок (верхняя и нижняя) в промковше шестиручьевой сортовой МНЛЗ

Рисунок 3.5 – Расположение перегородок (верхняя и нижняя) в промковше шестиручьевой сортовой МНЛЗ

При длительном пребывании металла в промковше создаются благоприятные условия для выделения и всплывания неметаллических включений, перегрева стали и контроля температуры, добавки различных присадок и т.д. Особенностью конструкции фильтрационных перегородок является наличие в них определенного количества отверстий, направленных под определенным углом к зеркалу металла. При этом формируется двухуровневый многоструйный поток, в котором меньшие скорости и горизонтальное движение верхних потоков способствуют развитию зоны с благоприятными условиями для всплытия неметаллических включений. Основными проблемами при выборе конструкции фильтрационных перегородок является определение количества и сечения отверстий [250]. Это связано с тем, что между вытекающими из отверстий потоками образуются промежуточные турбулентные зоны, которые могут тормозить всплытие неметаллических включений определенных размеров. Кроме того, при наличии в стали большого количества неметаллических включений (например, при захвате поверхностного шлака в случае падения уровня металла во время замены сталеразливочного ковша) может происходить некоторое зарастание отверстий, что существенным образом турбулизирует расплав за фильтрационной перегородкой.

Применение продувочных блоков в промковшах уменьшает количество неметаллических включений в расплавленной стали. Вопросы организации рациональных режимов продувки металла аргоном в промковше требуют оптимизации процессов перемешивания с целью наиболее полного использования энергии вдуваемого газа для конкретных условий обработки металла. Продувочный блок для подачи аргона устанавливается в промковше, если требования по чистоте стали очень высокие [251-253]. Возможные принципы удаления неметаллических включений в промковше путем продувки аргоном можно классифицировать следующим образом: вдуваемый газ изменяет направление потока металла в промковше и направляет неметаллические включения к слою шлака; увеличение турбулентности способствует коагуляции неметаллических частиц; неметаллические включения адсорбируются пузырьками аргона. При использовании аргона скорость поглощения неметаллических включений среднего и малого размеров (менее 50 микрон) значительно увеличивается. Это позволяет предположить, что по мере продувки ванны аргоном направление потоков металла в ковше трансформируется, благодаря чему мелкие частицы включений поднимаются к поверхности.

Согласно выполненным исследованиям [254], турбулентность, вызванная вдуваемым в жидкую ванну промковша аргоном, приводит как к слипанию мелких частиц, так и к разрушению крупных конгломератов. Следовательно, в высокой интенсивности подачи аргона в промковш нет необходимости. Более эффективным механизмом представляется захват неметаллических включений пузырьками аргона или изменение направления потока металла продувочным газом и транспортирование неметаллических включений к слою шлака. Кроме того, установлено, что по мере удаления места расположения продувочного блока от стакана-дозатора гомогенизирующее воздействие продувки снижается.

В целом эффективность рассмотренных технологических операций гомогенизации жидкой ванны и удаления неметаллических включений в высокой степени зависит от характера развития и стабильности потоков жидкой стали в ванне промковша. Точное знание параметров потоков жидкой стали (а именно, пространственного распределения компонентов скорости, величины турбулентной кинетической энергии и т.д.) в промковше является необходимым условием для анализа или оптимизации эффективности процессов гомогенизации и рафинирования металла.

  Раздел 3.1
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ