87. Кристаллизатор. Назначение и основные типы кристаллизаторов

В процессе формирования твердой корочки достаточно часто наблюдается явление ее прилипания к поверхности кристаллизатора. В этом случае в ней возникают растягивающие напряжения, которые вызываются вытягиванием заготовки из кристаллизатора. В конечном счете, в твердой корочке могут возникать разрывы, которые затем приводят к прорывам и вытеканию стали под кристаллизатором.

Снижение вероятности прилипания корочки к стенкам кристаллизатора достигается путем придания кристаллизатору возвратно-поступательных движений с определенной частотой и амплитудой [97, 105, 106, 109, 386, 387]. Технология разливки металла с использованием качаний (возвратно-поступательных движений) кристаллизатора предложена З. Юнгхансом (Германия) в начале 30-х годов прошлого столетия. Однако основной эффект от качания кристаллизатора был достигнут только в 50-е годы прошлого века за счет выбора таких параметров осцилляции, при которых в определенные периоды времени кристаллизатор, двигаясь в том же направлении, что и заготовка, обгоняет ее. Этот отрезок времени называется периодом отрицательного раздевания слитка (negativestriptime) или временем опережения. На сегодняшний день наиболее распространенным режимом движения кристаллизатора для сортовых МНЛЗ является синусоидальный.

Механизм качания кристаллизатора сообщает ему возвратно-поступательное движение с целью предотвращения разрывов и зависания корки слитка на стенках кристаллизатора. Вращаемые электродвигателями эксцентрики или кулачки через систему рычагов обеспечивают качание рамы, на которую устанавливают кристаллизатор. Скорость перемещения кристаллизатора вверх и вниз изменяется в следующей последовательности: вниз он опускается со скоростью движения слитка, а вверх — с втрое большей скоростью. Амплитуда качания изменяется в пределах от 1 до 40 мм, частота — от 10 до 600 циклов в минуту.

Известны устройства для генерирования возвратно-поступательных движений, которые с помощью стальных листовых пружин шарнирно присоединены к установленной неподвижно раме. Листовые пружины рассчитаны на долгий срок службы. Как правило, работают такие шарниры из листовых пружин длительное время без ухода. Кристаллизаторы направляются в установленной неподвижно раме двумя листовыми пружинами на сторону. Листовые пружины поддерживают кристаллизатор непрерывной разливки своей пружинящей силой. Эта конструкция образует подвеску без зазора и также не нуждается ни в каких требующих интенсивного ухода опорах. Направление кристаллизатора непрерывного литья по заданной траектории и положению не имеет недостатков. Листовые пружины оказывают, однако, большое влияние на форму возвратно-поступательного движения, так как значения жесткости пружин должны быть очень большими, чтобы выдерживать вес кристаллизатора непрерывной разливки. В простом случае может реализовываться синусоидальная форма возвратно-поступательного движения с частотой внутреннего резонанса системы пружина-масса. Предпочтительным является определенное направление кристаллизатора непрерывной разливки с помощью очень жестких пружин. При изменениях частоты возвратно-поступательного движения или при очень длительном использовании это может привести к большим, при некоторых обстоятельствах больше не управляемым реакциям опор, которые перегрузят систему. Кроме того, такие системы стальных пружин подвержены значительной коррозии, и это имеет решающее значение. До настоящего времени использовались лишь пружины из стали и с различными защищающими от коррозии покрытиями. Покрытие же всегда в механическом отношении более чувствительно, чем материал основы. Применение нержавеющих сталей не приводит, однако, к устранению недостатков. Удовлетворительного объяснения возникающих разрушений до настоящего времени не смогли найти, что не позволяет обеспечить действенные меры для предотвращения отказов.

В основе изобретения лежит задача при исключении описанных недостатков предложить устойчивое в течение длительного времени устройство для генерирования возвратно-поступательного движения с помощью листовых пружин, которое более пригодно для разливки расплавленной стали при соответствующих формах возвратно-поступательного движения в том отношении, что улучшается коррозионная стойкость, длительная прочность и механическая устойчивость по сравнению со стальными пружинами.

Оптимизация величины  _N (время опережения) осуществляется не только из соображений минимизации вероятности прорывов и обрывов заготовки, но и из условия уменьшения глубины проникновения в нее следов качания. При оптимизации параметров качания кристаллизатора с помощью индекса опережения обычно рекомендуется принимать его оптимальное значение на уровне 1,25-1,40. Важным параметром оптимизации закона качания кристаллизатора является глубина проникновения следов качания, которая может колебаться от нескольких десятых долей-миллиметра до 1,5-2,0 мм и более. Это представляется весьма важным фактором уже потому, что в кристаллизаторе корочка является непрочной и достаточно тонкой. Следовательно, следы качания еще больше уменьшают ее прочность, что может приводить к поперечным трещинам и прорывам. Другим важным шагом модификации параметров качания явился переход к синусоидальному закону движения кристаллизатора. Большое значение для уменьшения сил трения, в процессе непрерывной разливки стали имеет технологическая смазка. Смазка снижает усилие сопротивления вытягиванию заготовки в 1,5-2,5 раза. При этом имеет значение метод подвода и равномерность подачи смазки в кристаллизатор. Сила трения также зависит от величины активной поверхности трения, толщины пленки смазки между компонентами трения и от вязкости смазочного материала.

Влияние внешних динамических воздействий на формирование непрерывнолитых заготовок и их применение на МНЛЗ

Для повышения качества металла на всех стадиях формирования непрерывнолитой заготовки применяют дополнительные мероприятия, наиболее эффективными из них являются внешние динамические воздействия. Физическая основа и интенсивность используемых воздействий в зависимости от целей обработки может быть различной.

Степень эффективности обработки с использованием внешних динамических воздействий зависит от достаточно большого числа внешних факторов, к числу которых можно отнести способ наложения воздействия, его интенсивность, место приложения, длительность и пр. Большинство известных методов основаны на принудительном перемешивании жидкой ванны или ее отдельных зон, а также на проявляющихся в большей или меньшей степени эффектах виброимпульсного характера.

В результате принудительного перемешивания металлических расплавов в интервале температур кристаллизации столбчатая дендритная структура переходит в равноосную.

В зависимости от режимов воздействия и способа приложения вибрации возможны следующие основные эффекты в жидкой ванне кристаллизатора: а) стабилизация термоконвекционных течений; б) разрушение термогравитационных потоков вплоть до их полного подавления; в) формирование новых конвективных потоков как во всем, так и в отдельных частях объема жидкой ванны. Анализируя известные практические данные по исследованию эффекта перемешивания жидкости методами вибрационного воздействия, следует отметить, что во всех случаях имеется возможность интенсивного перемешивания локальных объемов жидкости при сравнительно низкой интенсивности перемешивания всего объема в целом. Причем максимальная интенсивность перемешивания наблюдается или у поверхности расплава (при наложении вибрации на расплав вместе с емкостью), или в зоне, непосредственно прилегающей к источнику вибрации.

Возникновение волн на поверхности расплава обычно связывается с проявлением эффекта резонанса: совпадением частоты вынуждающего вибрационного воздействия с какой- либо гармоникой частоты собственных колебаний поверхности жидкости в сосуде. Волны на поверхности способствуют, по меньшей мере, перемешиванию жидкой фазы непрерывнолитой заготовки у зеркала и захвату шлакообразующей смеси в металл. Глубина проникновения перемешивающего эффекта стоячих волн в расплав прямо пропорциональна длине волны (обычно высота слоя вовлекаемой в перемешивание жидкости примерно равна длине стоячей волны). Развитие стоячих волн при высоких энергетических параметрах приводит также к спонтанным всплескам (выбросам) жидкости над поверхностью.

Не менее важным источником возникновения центров кристаллизации в затвердевающем расплаве являются «осколки» матричного сплава, отделившиеся по каким-либо причинам от растущего твердого каркаса. Дополнительно такие частицы могут образовываться в расплаве благодаря следующим динамически развивающимся сопряженным процессам:

механическому разрушению твердой корочки на поверхности расплава при развитии волновых эффектов и процессов;

разрушению вторичных и третичных ветвей дендритов на фронте кристаллизации под действием конвективных потоков и ударных нагрузок;

кавитационному разрушению частиц твердой фазы при схлопывании пузырьков (эффект удара давления).