Непрерывное литье стали
Огурцов А.П., Гресс А.В.
Днепропетровск: "Системные технологии", 2002 г.
Металлургия стали относится к прикладным наукам. Это одна из самых древнейших наук. Тысячелетиям накапливался опыт получения металлопродукции, отрабатывались наиболее эффективные приемы производства и соответствующего оборудования. Непрерывная разливка стали, хотя и является одной из самых молодых технологий, также предполагает использование накопленных знаний, в частности, по используемому при этом оборудованию [1, 3, 5, 6, 12–22]. Следовательно, прежде чем изучить технологию непрерывной разливки, необходимо ознакомиться с устройствами, обеспечивающими правильное ведение данного процесса, и с планировкой отделений для непрерывной разливки.
В настоящее время понятие МНЛЗ охватывает несколько принципиальных типов конструкций установок, каждая из которых в силу своих достоинств и недостатков получила соответствующее развитие на данном этапе научно-технического прогресса.
1.Машины конвейерного типа (Рис. 2.1, а) состоят из двух бесконечных звеньев, в промежуток между которыми подается жидкий металл. Недостатком такого способа является трудность обеспечения плотного примыкания отдельных звеньев каждой из бесконечной ленты друг к другу. В результате этого металл может заливаться в щели между секциями и образовывать на заготовке вследствие затрудненной усадки поперечные трещины.
2.Машина бесслитковой прокатки, состоящая из двух вращающихся валков (Рис. 2.1, б). Недостаток – ограниченная толщина прокатываемой заготовки.
3. Машина роторного типа. Этому типу МНЛЗ свойственны недостатки и машины конвейерного типа и машины бесслитковой прокатки.
К положительным сторонам вышеперечисленных типов машин следует отнести отсутствие скольжения между телом заготовки и кристаллизатором. Это снижает вероятность разрыва оболочки заготовки и обеспечивает возможность значительного увеличения скорости разливки.
Наибольшее распространение получили машины вертикального, радиального и криволинейного типов, имеющие водоохлаждаемый кристаллизатор.
4. Машина вертикального типа характерна следующими особенностями (Рис. 2.1, в):1) вертикальным расположением технологической оси, непрерывным вытягиванием заготовки со скольжением корки при постоянном уровне металла в кристаллизаторе в процессе всей разливки;
2) размещением части оборудования в подземном помещении с выносом разливочной площадки выше уровня заводского пола, что позволяет осуществлять транспортировку ковшей к машине обычными мостовыми кранами;
3) разливкой через промежуточные разливочные устройства, имеющие сталеразливочные стаканы;
4) применением для отливки водоохлаждаемых кристаллизаторов;
5) наличием специальной зоны вторичного охлаждения (форсуночно-роликовой или роликово-бесфорсуночной системы);
6) полной механизацией и максимальной автоматизацией работы установки.
Вертикальные МНЛЗ могут применяться для отливки сплошных и полых заготовок большого диаметра и слитков специальной стали, не допускающих деформаций в процессе затвердевания. В вертикальных без изгиба слитках наиболее благоприятны условия формирования качественных заготовок широкого диапазона профилей, размеров и марок стали. Во время разливки облегчается всплывание неметаллических включений и газов, которое происходит симметрично относительно технологической оси МНЛЗ, поэтому распределение включений по сечению и высоте отливаемой заготовки более равномерно, чем на любой другой машине непрерывного литья.
Однако в настоящее время вертикальные МНЛЗ применяют лишь для отливки заготовки с большим поперечным сечением (круглых заготовок большого диаметра) и специальных марок стали, склонных к образованию трещин при разгибании заготовок в процессе непрерывной разливки.
Фактором, ограничивающем применение вертикальных МНЛЗ, является также невозможность достижения высоких скоростей литья, поскольку в этом случае значительно возрастает глубина жидкой лунки. Так, например, высота такой МНЛЗ при отливке заготовок толщиной 200–300 мм может достигнуть 45–50 м, что делает установку вертикальных МНЛЗ, особенно в условиях реконструкции действующих металлургических предприятий Украины, технически и экономически нецелесообразным.
С целью снижения высоты вертикальных машин были предложены установки с изгибом слитка после его затвердевания, имеющие вертикальный или выполненный по дуге большого круга кристаллизатор. Вертикальные МНЛЗ с изгибом могут применяться для отливки тонких слитков при совмещении их со станом горячей прокатки. В МНЛЗ с вертикальным кристаллизатором слиток после прохождения тянущих валков изгибают на 90°, а затем выпрямляют в горизонтальном или слегка наклонном положении. Однако значительно уменьшить высоту машины по сравнению с вертикальной можно только в том случае, когда она предназначена для отливки слитка небольшой толщины. МНЛЗ данного типа требуют для своего размещения большей площади, чем вертикальные.
К МНЛЗ вертикального типа следует отнести и машины полунепрерывной разливки стали (мпнрс), которые предназначены для получения слитков ограниченной длины. Такие слитки не подвергаются резке на мерные длины под прокатку в процессе разливки. Резка осуществляется вне мпнрс после полного затвердевания слитка и выдачи его из машины.
Центробежная непрерывная разливка отличается тем, что заготовка, имеющая жидкую сердцевину, вращается вокруг своей оси под действием тянущих валков синхронно с кристаллизатором. Преимуществами являются: прижимание формирующейся заготовки под действием центробежных сил к стенкам кристаллизатора по всему периметру, что обеспечивает высокое качество поверхности и равномерность толщины затвердевающей корочки металла; образующийся в процессе разливки шлак скапливается в центре вогнутого зеркала металла, что облегчает его удаление, а значит, устраняются поверхностные дефекты заготовки в виде шлаковых включений; благодаря вращению заготовки конструкция зоны вторичного охлаждения (ЗВО) значительно упрощается, а ее эффективность увеличивается.
5.Машины радиального типа (Рис. 2.1, д.).
В радиальных МНЛЗ слиток после выхода из кристаллизатора продолжает двигаться по дуге круга. Полностью затвердевший слиток выпрямляют в комбинированном тянуще-правильном механизме и режут на заготовки необходимой длины.
Это позволило увеличить металлургическую длину машины и, соответственно, скорость разливки. Радиальные установки имеют незначительную высоту, позволяют получать слитки любой мерной длины, совмещать процесс разливки с прокаткой литой заготовки. В сталях некоторых марок выпрямление слитка, имеющего жидкую сердцевину, приводит к образованию внутренних ликвационных полос, ухудшающих качество готового металлопроката. Стремление снизить величину и скорость деформации при выпрямлении заготовки привело к созданию машин криволинейного типа.
В качестве примера на рис. 2.2 приведена схема четырехручьевой радиальной машины конструкции внииметмаша и южно-уральского машиностроительного завода.
Из сталеразливочного ковша 1, находящегося на поворотном стенде 2, сталь поступает в промежуточный ковш 3, установленный на тележке 4 с прямолинейным движением. Перед разливкой в кристаллизатор 5, оборудованный механизмом качания 7, предварительно вводят затравку 11, перемещающуюся по окружности с помощью механизмов 10 и 12. по заполнении кристаллизатора до нужной отметки включают механизмы привода тянущих клетей 9 радиального участка машины. Заготовка в процессе кристаллизации проходит зону вторичного охлаждения 6 и участок роликовой проводки с соответствующими механизмами 8. После выпрямления тянуще-правильными клетями цельнолитой слиток движется по горизонтальному участку 14 и режется с помощью машины 13 на мерные заготовки. Затравка при достижении тянуще-правильного устройства телом слитка отсоединяется от последнего и переводится в положение, показанное на рис. 2.2.
6.Машины криволинейного типа (Рис. 2.1, е, ж).
В таких машинах после участка с постоянным радиусом расположен участок с постоянным выпрямлением. Чаще всего расположение технологической оси МНЛЗ криволинейного типа в пространстве цеха можно описать уравнением клотоиды.
Радиус кривизны клотоиды рассчитывается по формуле R=a/S, где S – криволинейная координата, отсчитываемая от точки конца разгиба до текущей точки в направлении к мениску жидкого металла; а – параметр клотоиды, a=2×R02×a0, где R0 – базовый радиус кривизны, a0 – угол, дополняющий величину дугового участка до p/2.
В этих машинах происходит многостадийная деформация не полностью затвердевшей оболочки. МНЛЗ такого типа имеют, как правило, радиальный кристаллизатор. Особенностью является разгиб заготовки в нескольких точках по переменному радиусу, что позволяет более плавно переводить кристаллизирующуюся заготовку из радиального в горизонтальное положение и тем самым улучшить качество ее за счет ликвидации наружных и внутренних трещин. Жидкая лунка заготовки здесь может доходить до горизонтального участка, что позволяет увеличить скорость разливки за счет повышения металлургической длины МНЛЗ без возрастания ее высоты. На машинах криволинейного типа разливают блюмы и слябы больших размеров и значительной толщины (до 400 мм).