Основные типы МНЛЗ и их классификация

Конструкционное оформление МНЛЗ постоянно разви­вается и совершенствуется в течение всего периода их при­менения в промышленности. Основные конструктивные и технологические решения обычно направлены на повышение производительности МНЛЗ, ее компактности, обеспечение высокого качества заготовки, снижение трудоемкости про­цесса, уменьшение энергозатрат и повышение обеспеченно­сти автоматическими системами управления. Наиболее важ­ными вопросами при этом являются рациональная конфигу­рация, расположение и протяженность главной технологиче­ской оси, профиль поперечного сечения заготовки, совмеще­ние дискретного характера подачи стали от плавильного аг­регата с непрерывной работой МНЛЗ и т.п.

Первоначально (50-е и 60-е годы прошлого столетия) МНЛЗ имели вертикальную архитектуру (рисунок 1 а), включая участок порезки заготовки на мерные длины.

Рис.1. - Схема вертикальной (а) и вертикальной с загибом (б) МНЛЗ

Преимущества таких МНЛЗ заключаются в том, что все процессы формирования заготовки происходят в вертикаль­ной плоскости (так же, как и у слитка). Это обеспечивает по­лучение высокого качества внутренней структуры заготовки и упрощает конструкцию машины в целом.

Между тем, вертикальные МНЛЗ имеют достаточно серьезные ограничения по скорости разливки (а, следова­тельно, производительности), поскольку ее повышение пред­полагает увеличение технологической длины машины и су­щественное удорожание оборудования. Однако развитие ки­слородно-конвертерного процесса, бурно происходившее именно в 60-е и 70-е годы прошлого века, обусловило суще­ственное увеличение удельной производительности конвер­теров как за счет уменьшения цикла плавки, так и за счет по­вышения ее массы. Поэтому развитие конструкции МНЛЗ в этот период характеризуется стремлением повысить их про­изводительность за счет увеличения скорости разливки и ко­личества ручьев. Это обусловило тот факт, что более поздние конструкции вертикальных МНЛЗ предусматривали загиб за­готовки после ее затвердевания (рисунок 1 б) и порезку за­готовки при ее расположении в горизонтальной плоскости.

Загиб заготовки при этом осуществлялся как по одноточеч­ной, так и по многоточечной схемам. Существенным пре­имуществом таких машин является улучшение условий вы­дачи заготовки на холодильник. В настоящее время верти­кальные МНЛЗ используются довольно редко и в основном для получения высококачественного блюма и сляба.

В 70-е и 80-е годы прошлого столетия наибольшее рас­пространение при разливке стали получили МНЛЗ радиаль­ного типа (рисунок 2). Конструктивной особенностью та­ких машин является наличие кристаллизатора определенного радиуса (соответствует базовому радиусу МНЛЗ R₀ что обеспечивает получение радиальной технологической линии. После затвердевания заготовки осуществляется ее разгиб и выдача готовой заготовки на холодильник в горизонтальной плоскости.

Рис. 2. - Схема МНЛЗ радиального типа (R₀ - базовый радиус)

Преимущества радиальных МНЛЗ перед вертикальными заключаются в том, что металлургическая длина машины при том же ферростатическом давлении увеличивается примерно в 1,5 раза, вследствие чего уменьшается высота машины, воз­растает скорость разливки и производительность агрегата.

Кроме того, выдача заготовки на холодильник осуществляет­ся в горизонтальной плоскости. Недостатки таких МНЛЗ от­носятся, главным образом, к качеству заготовки, которое, как правило, несколько ниже, чем у заготовок, отлитых на верти­кальной машине. Это объясняется всплытием неметалличе­ских включений в кристаллизатор к стенке малого радиуса и возможным появлением внутренних трещин, возникающих при разгибе заготовки. Последний недостаток в значительной степени устраняется путем применения системы многоточеч­ного разгиба. В настоящее время радиальные МНЛЗ исполь­зуются преимущественно для получения сортовой и блюмо-вой заготовки.

Развитием концепции высокопроизводительных МНЛЗ следует считать так называемые криволинейные МНЛЗ с ра­диальным и вертикальным кристаллизатором (рисунок 3).

Рис.3 - Схема МНЛЗ криволинейного типа (L₁ L₂ -участки разгиба и загиба заготовки; R₀ - базовый радиус)

Криволинейные МНЛЗ с радиальным кристаллизатором имеют кристаллизатор и часть зоны вторичного охлаждения с постоянной кривизной (базовый радиус) и участок перемен­ной кривизны, где происходит плавное выпрямление заго­товки с жидкой сердцевиной. Такие машины при такой же общей высоте как вертикальные или радиальные могут иметь значительно большую технологическую длину (до 40 м) и, соответственно, более высокую производительность.

Криволинейные МНЛЗ с вертикальным кристаллизато­ром имеют небольшой вертикальный участок (длиной 1,5-2,5 м), расположенный в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) непосредственно под кристаллизатором, а затем участок мно­готочечного загиба заготовки, переходящий в радиальный участок с базовым радиусом, аналогичным как у радиальных машин. Выпрямление заготовки осуществляется после ее пол­ного или частичного затвердевания по многоточечной схеме.

Такая схема позволяет обеспечить наиболее благопри­ятные условия для формирования заготовки в начальный пе­риод затвердевания, в том числе для всплытия неметалличе­ских включений (рисунок 4).

Рис.4 - Сравнение условий формирования заго­товки в вертикальном (а) и радиальном (б) кристаллизаторе

Загиб затвердевающей заготовки осуществляется, как правило, в 5-8 и более точках, что предотвращает возмож­ность образования трещин и прорывов металла в твердой ко­рочке. Последующие участки криволинейной МНЛЗ (рису­нок 3) в целом аналогичны дизайну радиальных МНЛЗ.

Основные преимущества криволинейных МНЛЗ находятся в плоскости повышения качества заготовки (в первую очередь, поверхностных и подповерхностных слоев) и увеличения компактности машины. Между тем, определенным недостат­ком таких МНЛЗ является повышение требований к точности настройки роликов ЗВО и технологической линии в целом. Наиболее важными функциональными моментами при этом являются зона загиба и разгиба заготовки, где жестко регла­ментируется величина деформации твердой корочки. Наи­большее применение криволинейные машины получили при разливке слябовой заготовки.

В последнее десятилетие все большее распространение получают криволинейные МНЛЗ для отливки тонких слябов толщиной около 40-70 мм и менее. Отличительной особенно­стью таких машин является принципиально новая конфигу­рация внутренней полости кристаллизатора, имеющая так на­зываемую «чечевицеобразную» форму. Как видно из рисун­ка 5, конструкция такого кристаллизатора предполагает увеличение толщины заготовки в области подвода в него ме­талла.

Рис.5 - Фотография головной части кристал­лизатора тонкослябовой МНЛЗ

Среди основных преимуществ тонкослябовых МНЛЗ можно назвать возможность получения слябов шириной свыше 3000 мм, уменьшение потерь энергии и металла в ходе последующего прокатного передела, который совмещается с разливкой в едином агрегате, называемом «литейно-прокатный модуль» (ЛПМ).

На рубеже тысячелетий в сталелитейной практике поя­вились первые промышленные МНЛЗ для прямого получения листа, в которых удается исключить из технологической схе­мы цикл горячей прокатки заготовки. В агрегатах прямой от­ливки тонкого листа кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промковшом и вра­щающихся в противоположных направлениях (рисунок 6).

Рис. 6 - Схема МНЛЗ для прямой отливки листа

Жидкая сталь при разливке поступает в пространство между валками и при контакте с поверхностью валков кри­сталлизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из валков в форме листа, толщина которого определяется расстоянием между валками, а шири­на - боковыми стенками кристаллизатора. Для отвода выде­ляющегося тепла валки, изготовленные, как правило, из сплава меди с хромом, охлаждаются водой.

Технологическая схема получения тонкого листа с при­менением двухвалковых МНЛЗ имеет огромный потенциал в части экономии энергетических ресурсов (в 8 - 10 раз), сни­жения потерь с окалиной (в 40 - 50 раз), повышения произ­водительности работы персонала (в 5 — 10 раз), снижения вы­бросов парникового газа (в 10-20 раз) при существенном снижении затрат на капитальное строительство, что обеспе­чивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.

В металлургической практике известны также МНЛЗ, технологическая линия которых расположена горизонтально. Горизонтальные МНЛЗ представляются весьма перспектив­ными в части снижения затрат на строительство машины (ри­сунок 7).

Рис. 7 — Схема горизонтальной МНЛЗ

Они компактны и их удобно размещать в действующих цехах. При этом нет необходимости увеличивать высоту зда­ния или формировать глубокий колодец. Обслуживание такой машины, ремонт и замена основных узлов весьма удобны и просты. Между тем, отсутствие деформации заготовки в про­цессе затвердевания даёт возможность лить горизонтальным способом хрупкие и трещиночувствительные стали и сплавы, которые не выдерживают деформации в процессе литья.

Однако достаточно очевидным представляется и тот факт, что качество заготовки при этом будет значительно ниже, вследствие того, что неметаллические включения и пу­зырьки газа будут всплывать к верхней грани. Такая физиче­ская неоднородность существенно снижает кондиции про­дукции из заготовки. Кроме того, до настоящего времени на практике не решены полностью вопросы успешного совме­щения работы металлоприемника и кристаллизатора (для ус­ловий разливки стали). Поэтому в черной металлургии такие МНЛЗ практически не используются.

Широкое распространение горизонтальные МНЛЗ по­лучили при разливке цветных металлов и сплавов.