Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 4.3

Особенности разливки сортовых заготовок с использованием шиберного затвора в промковше

Рассмотренная выше система дозирования металла из промковша с использованием стопорных механизмов имеет определенные системные недостатки, существо которых сводится к [336]:

  • возможности износа или механического разрушения головки стопора и нарушения стабильности процесса литья;
  • налипанию частиц глинозема в виде наростов в области контакта головки стопора с поверхностью стакана-дозатора, что препятствует работе автоматической системы в момент срыва этих наростов;
  • проявлению эффекта запаздывания работы системы управления в силу инерционности срабатывания привода механизма подъема-опускания стопора. Данные недостатки отчасти затрудняют эффективное дозирование стали и, как следствие, приводят к сбоям в работе системы автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе [338, 339].

Альтернативным решением, которое получило широкое распространение на ряде металлургических заводов мира, следует считать использование трехплитного шиберного затвора (рисунок 4.13), установленного в днище промежуточного ковша [146, 340-342].

Схема подачи стали из промковша через трехплитный шиберный затвор

Рисунок 4.13 – Схема подачи стали из промковша через трехплитный шиберный затвор: 1 – стартовая труба; 2 – гнездовой блок; 3 – стакан-дозатор; 4 – кожух промковша; 5 – верхняя плита шиберного затвора; 6 – средняя плита шиберного затвора; 7 – нижняя плита шиберного затвора; 8 – погружной стакан

Дозирование стали осуществляется за счет частичного перекрытия разливочного канала при изменении положения средней плиты. При этом выполненные промышленные исследования позволили обосновать ряд позитивных моментов применения шиберных затворов для непрерывной разливки сортовой заготовки [343-345]. В частности, использование технологии разливки через трехплитный шиберный затвор обеспечивает плавность и точность регулирования протока стали ввиду их меньшего износа (рисунок 4.14), а также обеспечивает широкие возможности для реализации комплексного автоматического управления всем процессом разливки.

В электросталеплавильном комплексе ООО «Электросталь» выполнена реконструкция трехручьевой сортовой МНЛЗ с целью обеспечения разливки закрытой струей и дозирования стали, вытекающей из промковша с помощью шиберного затвора [346]. При этом для управления механизмом быстрой замены стаканов-дозаторов и приводом шиберного затвора используется одна и та же маслостанция, что позволило исключить дополнительные затраты.

Сравнительная схема плавности и точности регулирования протока стали при использовании стопора и шиберного затвора

Рисунок 4.14 – Сравнительная схема плавности и точности регулирования протока стали при использовании стопора и шиберного затвора

Первичное опробование системы подачи стали из промковша через трехплитный шиберный затвор (рисунок 4.14) показало, что он в функциональном плане обеспечивает эффективное дозирование металла в течение всего цикла разливки. При этом зарастания разливочного канала не наблюдалось. Между тем, при разливке углеродистых сталей с повышенным содержанием кремния достаточно часто имело место постепенное (в течение нескольких десятков минут) зарастание отверстия разливочного стакана, что в дальнейшем приводило к прекращению процесса подачи стали в кристаллизатор. При этом весьма характерным моментом являлось то, что эффект зарастания наблюдался даже при достаточно высоких значениях температуры перегрева металла в промковше над температурой ликвидус (45-50 oС и выше).

Для установления возможных причин зарастания разливочного канала в качестве базовой была взята сталь 55С2, при разливке которой наблюдалось наибольшее число случаев зарастания (остаточное содержание алюминия в стали составляло 0,009-0,015 %). Для исследования было отобрано 10 стаканов-дозаторов с остатками металла, образовавшимися после остановки процесса разливки. В дальнейшем стаканы механически разрушались и выполнялась комплексная оценка состояния рабочей поверхности разливочного канала.

В ходе визуального осмотра внутренней поверхности гнездовых стаканов установлено, что значительных отложений частиц глинозема, которые характерны для разливки стали раскисленной алюминием, не наблюдается. В то же время, обращает на себя внимание факт образования шлакометаллического граничного слоя между огнеупорным материалом и жидкой сталью (рисунок 4.15). В большинстве случаев толщина слоя находилась в пределах 1,5-3,0 мм. По всей видимости, образование этого слоя следует связывать с пропиткой сталью пограничного слоя рабочей поверхности стакана-дозатора.

Внешний вид гнездового стакана с застывшей сталью после его разрушения

Рисунок 4.15 – Внешний вид гнездового стакана с застывшей сталью после его разрушения

Извлеченные из стакана-дозатора так называемые «корни» застывшей стали разрезались в продольном направлении и шлифовались. Макроструктура стали в отобранных образцах выявлялась методом глубокого травления в 50 % растворе соляной кислоты при температуре +70 oС в течение 50 мин по ГОСТ 10243 – 73.

Установлено, что все отобранные темплеты можно условно разделить на две группы: образцы с плотной макроструктурой без видимых следов осевой рыхлости или усадочной пористости (рисунок 4.16 а) и образцы с большим количеством инородных включений, которые имеют четко позиционируемый характер залегания в местах уменьшения проходного сечения (рисунок 4.16 б).

Макроструктура продольных темплетов из различных гнездовых стаканов

Рисунок 4.16 – Макроструктура продольных темплетов из различных гнездовых стаканов

Для первой группы образцов зарастание разливочного канала следует связывать с тем, что температура разливаемого металла в гнездовом стакане-дозаторе приближалась к значению температуры ликвидус в момент его попадания в разливочный канал. Это подтверждается плотной равноосной структурой во всем сечении и отсутствием признаков усадочной пористости, характерной для затвердевания замкнутых объемов. Более того, характерные светлотравимые области, расположенные по периферии темплета, следует рассматривать как участки, где происходили повышенный отвод тепла через стенки стакана и постепенное «намораживание» стали.

Для образцов второй группы характерным является то, что их макроструктура характеризуется ярко выраженными зонами налипания макровключений вдоль боковой поверхности гнездового стакана, которые имеют вид конусных заострений. Данный факт хорошо согласуется с данными работы [347] и, в свою очередь, свидетельствует о высокой интенсивности протекания диффузионных процессов.

Величина и взаимное расположение конусных заострений обусловливают изменение направления течения металла (показано стрелками), сопровождающегося образованием застойных зон при уменьшении «живого» сечения разливочного канала. Отсутствие на темплете светлотравимых областей позволяет предположить, что зарастание разливочного канала происходит, в первую очередь, вследствие его перекрытия отложениями неметаллических включений в так называемых «мертвых» областях, формирующихся при смещении средней плиты шиберного затвора.

Исследование особенностей гидродинамических явлений, происходящих внутри разливочного канала стакана-дозатора и трехплитного шиберного затвора при разливке стали выполнено на математической модели. Разработанная модель была реализована с помощью метода конечных элементов в прикладном пакете ANSYS [250, 293]. Результатами расчетов являлись значения векторов скорости и суммарной скорости движения стали.

Расчеты выполнены для 5 положений средней шиберной плиты, при которых открытая площадь поперечного сечения разливочного канала составляла 1,0; 0,90; 0,80; 0,70 и 0,60 от площади сечения отверстия средней плиты, соответственно. Количество итераций для сходимости решения в каждом из рассмотренных случаев составило 90. Результирующие изображения характера истечения стали через стакан-дозатор при различных положениях средней плиты шиберного затвора представлены на рисунке 4.17.

Распределение полей скоростей в струе стали в разливочном канале при различных положениях средней шиберной плиты

Рисунок 4.17 – Распределение полей скоростей (м/с) в струе стали в разливочном канале при различных положениях средней шиберной плиты

Установлено, что по мере смещения отверстия средней плиты относительно отверстий в верхней и нижней плитах наблюдается появление и развитие в движущейся струе вихрей и областей с меньшей скоростью движения. Благоприятная картина истечения металла из промковша через шиберный затвор в основном сохраняется при уменьшении величины открытой площади поперечного сечения отверстия средней плиты до 0,9 от ее номинального значения. При этом ниже средней шиберной плиты поток жидкости заполняет весь свободный объем разливочного канала и движется вниз, что обеспечивает равномерное и симметричное истечение.

При уменьшении величины открытой площади поперечного сечения отверстия средней плиты до 0,7-0,8 от ее номинального значения гидродинамическая картина движения струи характеризуется меньшей стабильностью. Вследствие того, что средняя шиберная плита перекрывает значительную часть поперечного сечения разливочного канала, в этой зоне образуется выступ, обусловливающий появление застойной зоны непосредственно в области отверстия средней плиты, а жидкостный поток смещается преимущественно к противоположной стенке средней плиты.

При этом в верхней и нижних плитах формируются ярко выраженные зоны со слабым движением металла, а в нижней плите поток стали не всегда может заполнить полностью все сечение отверстия. Можно предположить, что именно такое положение средней плиты является причиной появления отложений неметаллических включений, хорошо видных на рисунке 4.17.

При еще бoльшем перекрытии разливочного канала (менее 0,7) стабильность течения металла в шиберном затворе полностью нарушается, поскольку вследствие выступа средней плиты формируются зоны, в которых металл движется с малой скоростью («застойные» зоны). В этих зонах происходит отложение неметаллических включений, а также намерзание капель металла на стенки огнеупоров. Между тем в дальнейшем даже при возвращении средней плиты в номинальное положение образовавшиеся твердые наросты будут препятствовать нормальному процессу литья.

Вышеизложенные результаты хорошо согласуются с выполненными на МНЛЗ промышленными наблюдениями, согласно которым интенсивность развития процессов зарастания отверстия шиберного затвора также возрастала при увеличении величины перекрытия разливочного канала средней шиберной плитой. Это следует связывать с возрастанием роли таких факторов как загрязненность стали неметаллическими включениями, температура разливаемой стали, величина теплопроводности огнеупорных материалов шиберных плит и стакана-дозатора и т.п. Все эти обстоятельства могут значительно снижать эксплуатационный ресурс работы шиберного затвора.

На основании выполненных исследований представляется целесообразным выбор диаметра отверстия в плитах шиберного затвора осуществлять из условия, чтобы расход жидкой стали при разливке с номинальными режимами обеспечивался при положении средней плиты, соответствующем открытой площади поперечного сечения отверстия на уровне 0,95-0,90. При этом перекрытие отверстия разливочного канала до уровня 0,85-0,80 допускается в качестве штатного режима литья в случае производственной необходимости.

Применительно к условиям разливки на сортовой МНЛЗ ООО «Электросталь» рекомендуемый изготовителем шиберного затвора диаметр внутреннего отверстия шиберных плит составляет 25-28 мм в зависимости от сечения заготовки и скорости ее вытягивания. Для обеспечения стабильности литья рекомендуется увеличить диаметр примерно на 3-5 мм. Это обеспечит снижение скорости зарастания разливочного канала, поскольку отложения глинозема, формирующиеся в виде различного рода перемычек и наростов, постоянно разрушаются и смываются движущимся потоком металла. Соответственно, вероятность процесса затягивания внутренней полости разливочного канала в некоторой степени снижается.

В качестве дополнительного мероприятия для снижения эффекта зарастания разливочного канала на сортовой МНЛЗ также рекомендовано использовать огнеупорные изделия с низким содержанием Al2O3 (на уровне 35-40%), что повышает теплоизолирующую способность материала разливочного стакана в сравнении с высокоглиноземистым материалом.

В целом применение шиберного затвора на промковше обеспечило полную защиту струи стали от воздействия воздуха для производства качественных марок; стабильный автоматический старт процесса разливки; автоматическое поддержание уровня стали в кристаллизаторе (+/- 2мм); автоматическое плавное изменение уровня стали в кристаллизаторе для уменьшения износа огнеупоров; автоматическое прекращение разливки в случае возникновения критических ситуаций.

  Раздел 4.3
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ