88Основы технологии непрерывной разливки

Для этого необходимо произвести вначале визуальный осмотр внутренней полости кристаллизатора и при наличии на его стенках остатков шлака, металла, шлаковой смеси произвести их очистку. При этом следует избегать попадания таких остатков на детали роликовой проводки и зоны вторичного охлаждения. Если на рабочей поверхности имеются заусеницы, задиры или царапины, их необходимо зачистить.

Не допускаются к работе кристаллизаторы с покоробленными стенками, с зазорами между плитами выше допустимых, при наличии течи воды в их рабочую полость, засорении каналов для охлаждающей воды, с нарушением конусности рабочего пространства.

После подачи воды в кристаллизатор и проверки отсутствия его подтекания в рабочую полость вводится затравка, предварительно очищенная от продуктов предыдущей плавки. Затравку устанавливают, как правило, несколько выше середины высоты кристаллизатора, соблюдая при этом постоянный зазор между ней и рабочими стенками. Далее производится уплотнение зазора, чаще всего, с помощью асбестовых шнуров. Для ускорения затвердевания первых порций металла на затравку задаётся некоторое количество твёрдого металла с близким к отливаемому химическим составом в виде сечки, пластин, прутков и т. п. Часто для облегчения запуска ручья на затравку задают некоторое количество штатной шлаковой смеси.

После заполнения промежуточного ковша металлом до нужной высоты производят подачу металла в кристаллизатор. При наличии на промежуточном ковше нескольких ручьёв запуск их начинают последовательно с крайних. Это объясняется тем, что в дальних торцах промежуточного ковша металл более холодный, чем в зоне подачи струи. Перепад температуры может достигать 30–40^оС. Поэтому, если при запуске открывать вначале центральные ручьи, в промежуточном ковше возникают застойные зоны, температура металла в которых ещё более понизится и вероятность замораживания сталевыпускных отверстий значительно возрастет. В этом случае (на практике) производят прожигание замороженного в отверстиях металла с помощью кислорода, подаваемого через кислородные трубки.

При заполнении кристаллизатора для обеспечения ускоренного затвердевания металла на его поверхность задаются инокуляторы (охладители) в виде металлической сечки. По достижении уровня металла в кристаллизаторе 100–200 мм от его верхнего среза включается механизм движения затравки и ручей считается запущенным.

Затравка отделяется от заготовки по выходе из тянуще-правильных устройств и переводится в резервное положение, а передний конец заготовки отрезается и убирается в металлоотходы.

Скорость разливки в дальнейшем определяется температурой металла в ковше и условиями охлаждения заготовки в ЗВО.

Температурно-скоростной режим разливки

Несоблюдение выбранных для каждой марки стали и сечения отливаемой заготовки оптимальных температурно-скоростных режимов является причиной нарушения качества разлитой стали. В некоторых случаях это может привести к аварийным ситуациям.

Низкая температура разливки способствует образованию ила, поясов, скоплений шлаковых включений, образование настылей в канале коллектора. Высокая же температура металла способствует образованию трещин, повышенному износу огнеупоров в промежуточном ковше, повышенной ликвации примесей.

Колебания температуры подаваемого на разливку металла в обязательном порядке необходимо корректировать соответствующим уменьшением скорости литья.

Качество слитка, полученного при непрерывном литье, во многом определяется характером образования тонкой твердой корочки (оболочки) в пределах кристаллизатора. Значительная часть дефектов непрерывного слитка появляется в кристаллизаторах из-за нерациональных условий теплоотвода. Тепловой режим кристаллизатора следует организовывать таким образом, чтобы на выходе из него твердая оболочка слитка была достаточной по толщине и прочности для предотвращения возможности прорыва металла.

При охлаждении заготовки в ЗВО следует добиваться как можно меньших колебаний температуры ее поверхности, имеющих место при прохождении слитка зон чередования орошения и его отсутствия, поскольку это может привести к образованию подповерхностных сетчатых трещин. Разогрев поверхности непосредственно в ЗВО зачастую приводит к образованию внутренних поперечных трещин. Следует избегать разогрева поверхности слитка к моменту окончания затвердевания, поскольку это может привести к образованию осевых трещин. Температура поверхности слитка в конце зоны затвердевания должна составлять не менее 800°С . В работе отмечается, что при температуре поверхности по широкой стороне сляба на участке разгиба 960–1000С повысилось качество металлопродукции.

Показатели теплового режима в ЗВО МНЛЗ можно разделить на две группы. К первой группе относятся показатели требуемого режима охлаждения заготовки – изменение температуры поверхности непрерывнолитой заготовки в ЗВО по технологической оси МНЛЗ и по периметру слитка. Эквивалентной заменой этого показателя служит задание графика изменения плотности потока теплоты вдоль поверхности слитка в ЗВО. Ко второй группе показателей относятся средства осуществления требуемого режима охлаждения заготовки – плотность орошения водой на единицу поверхности слитка в среднем по отдельным секциям ЗВО, распределение охладителя вдоль технологической оси МНЛЗ и по периметру слитка, выбранный тип распыляющих устройств, их характеристики (угол раскрытия, зависимость расхода воды от давления) и способ размещения форсунок в ЗВО.

При выборе температурного режима процесса литья необходимо учитывать величину тепловых потерь на всех этапах от выпуска до разливки в каждом конкретном случае. Общие рекомендации, способствующие уменьшению тепловых потерь, заключаются в следующем:

Время выпуска металла необходимо максимально сокращать.

Потери тепла в сталеразливочном ковше должны быть сведены к минимуму. Это достигается в результате применения мало изношенных ковшей, накрытых огнеупорными крышками.

Нагрев сталеразливочного и промежуточного ковшей перед разливкой позволяет несколько снизить температуру перегрева металла. Нагрев ковшей производится при помощи горелок, электро- и плазменных дуг.

Весьма важным технологическим фактором является управление перегревом стали в промежуточном ковше. В настоящее время это осуществляется, например, путём вдувания стального порошка в струю металла на участке стальковш – промежуточный ковш. Эффективность охлаждения стальным порошком такова, что можно легко обеспечить температуру стали всего на 10С выше температуры ликвидус.

Наиболее широко применяют продувку стали аргоном, используя для этого погружные фурмы, пористые элементы в днище ковша или шиберные затворы специальной конструкции. Во время продувки происходит интенсивное перемешивание и усреднение температуры и химического состава металла в объёме ковша.

Скорость разливки является весьма важным технологическим параметром, от которого зависит качество заготовки, производительность МНЛЗ и другие технико-экономические показатели. Влияние повышения скорости разливки на увеличение количества заготовок с продольными трещинами объясняется тем, что с ростом скорости разливки уменьшается толщина затвердевшей в кристаллизаторе оболочки, растёт неравномерность её толщины, повышаются напряжения в тонких частях оболочки, приводящие к разрыву металла с образованием продольных трещин. С ростом скорости разливки увеличивается и количество заготовок, поражённых паукообразными и сетчатыми трещинами.

При отливке заготовок большого сечения для оптимальной скорости их кристаллизации необходимо:

На зеркале металла наводить слой шлака.

В зоне вторичного охлаждения иметь конструкции, поддерживающие оболочку слитка.

В металле иметь низкое содержание серы, фосфора и водорода.

Разливка стали методом «плавка на плавку»

Одним из основных способов повышения производительности МНЛЗ является уменьшение их простоев и увеличение машинного времени. В связи с этим, большой практический интерес представляют вопросы, связанные с освоением непрерывной разливки методом «плавка на плавку». Наиболее эффективно он используется в цехах, оснащённых кислородными конвертерами и электропечами. Такая технология позволяет увеличить производительность МНЛЗ в 1,5 раза по сравнению с разливкой одиночных плавок без дополнительных капитальных затрат. При этом методе металл предыдущей плавки сливают в промежуточный ковш и производят из него разливку во время смены сталеразливочных ковшей с уменьшенной скоростью разливки. Перед сливом новой плавки в промежуточный ковш в нём остаётся небольшое количество металла.

В настоящее время металл разливают сериями 2–20 плавок и более. Серийная разливка обусловила разработку и внедрение стендов и самоходных тележек на МНЛЗ. Стенды позволяют производить разливку с интервалом между закрытием сталевыпускного отверстия в течение времени 90 с. Перерыв струи в промковше при его замене самоходной тележкой не превышает 120 с. В условиях серийной разливки повышаются требования, предъявленные к работе промковша.

Непрерывнолитые заготовки имеют тогда высокую степень чистоты понеметаллическим включением, когда при полном освобождении ковша от металла при непрерывной разливке подряд нескольких плавок не происходит поступление шлака из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш. Кроме того, необходимо, по возможности, разливать сталь в промежуточный ковш без контакта с атмосферой.

В условиях постоянного перемешивания, вызываемого струёй поступающей стали, эмульгированный шлак отделяется от металла в промежуточном ковше очень медленно. Даже тогда, когда в промежуточном ковше наведен синтетический шлак нужного состава, в случае продолжительной разливки в наведенном шлаке может постепенно возрастать активность оксидов железа и марганца. Ситуация также может измениться в случае попадания в промежуточный ковш шлака из сталеразливочного ковша. В результате может наступить момент, кода равновесие реакции [S]+Fe_ж+(СаО)=(СаS)+(FeO) сдвинется в сторону больших концентраций S и шлак в промежуточном ковше станет не поглотителем серы из металла, а источником поступления её в металл.

Защита металла от вторичного окисления

Струя жидкого металла при истечении из сталеразливочного и промежуточного ковшей увлекает за собой газообразную среду. Этот процесс можно описать эмпирической зависимостью:

,

где Q_газ – объём поглощённого газа; Q_жид– объём прошедшей через сечение струи жидкости; l – длина участка струи в газообразной среде; d – диаметр струи;  – коэффициент, зависящий от физических свойств газообразной среды и конфигурации струи.

Для уменьшения степени увлечения газов струёй следует: уменьшать её длину 1; диаметр струи следует иметь большим, так как увеличение диаметра приводит к уменьшению поверхности соприкосновения струи с воздухом.

Как показали исследования, активность кислорода в стали во время вторичного окисления увеличивается.

В результате взаимодействия струи металла с воздухом в сталь поступает и азот.

Вторичное окисление значительно ухудшает качество металла. Во избежание этого, при разливке на МНЛЗ металл от вторичного окисления защищают смазками, синтетическими шлаками и газом.

Используемые для защиты от вторичного окисления смазки должны быть однородные, стабильные и хорошо смачивать стенку кристаллизатора. В качестве таких смазок применяют твёрдые и жидкие растительные масла: льняное масло, стеарин и др.

Газообразные продукты испарения и сгорания смазки препятствуют подходу к стенкам кристаллизатора плёнки окислов.

Ряд элементов, находящихся в металле (Al, Cr, Ti и др.), имеют большое химическое сродство к кислороду, сильно окисляются, даже если сталь отливать в защитной атмосфере (1–3% О₂). Благодаря этому, на поверхности образуется шлаковый слой, чему также способствуют всплывающие на поверхность неметаллические включения.

Использование специального шлака в качестве защитной среды предохраняет металл от окисления, охлаждения и, кроме того, он ассимилирует неметаллические включения, что способствует получению металла, более чистого по включениям.

Шлак должен иметь температуру плавления 1100–1350С, хорошо смачивать неметаллические включения, хорошо адсорбировать их, иметь стабильную вязкость (в пределах обычных колебаний температуры). Шлак для ответственных марок стали часто формируют из таких материалов: силикокальций, натриевая селитра, криолит, окалина, силикатная глыба, борный ангидрид, сода. Расход смеси – около 1 кг/т стали.

При отливке сталей обыкновенного качества низкоуглеродистой (для автолиста), а также с повышенным углеродом (инструментальной, рельсовой и др.) широкое распространение получили смеси из графита и шлаковых компонентов. В этих смесях графит выполняет роль смазки и теплоизолятора, а шлак ассимилирует неметаллические включения. Расход шлака составляет 0,2–0,4 кг/т стали.

Применение графита и смесей на его основе недопустимо при разливке таких сталей: нержавеющих, жаропрочных, низколегированных, трансформаторных из-за возможного их науглероживания.

Как ранее уже было указано, в настоящее время наблюдается переход к использованию гранулированных шлакообразующих смесей. Такая технология даёт возможность стабильно получать заготовки с высоким качеством поверхности, значительно улучшить условия труда (уменьшить количество пыли в 2–4 раза), механизировать подачу смесей в кристаллизатор.

При защите струи с помощью погружного стакана количество включений на единицу поверхности снижается в 2–8 раз, что убедительно показывает предпочтительность применения погружных стаканов по сравнению с другими способами защиты струи.

Наиболее эффективным способом защиты металла от вторичного окисления является разливка стали затопленными струями с покрытием зеркала металла в кристаллизаторе теплоизоляционной шлаковой смесью.

В последние годы получил распространение новый технологический приём – вдувание инертного газа в струю поступающего в кристаллизатор металла. Газ подводится через полый стопор-моноблок в промежуточный ковш или непосредственно в погружной стакан (Рис. 4.7, 4.8). Как в том, так и в другом случае обеспечивается эффективная защита металла от окисления и, кроме того, пузырьки газа, всплывая в кристаллизаторе, уменьшают глубину проникновения струи в слиток. Вдувание аргона через полый стопор в промежуточном ковше предотвращает затягивание стакана при разливке стали с высоким содержанием алюминия, снижает содержание глиноземистых включений в стали. Брак по поверхностным дефектам листов из непрерывнолитых слябов снизился на 70–80%. При таком способе использования нейтрального газа следует строго ограниваться диапазоном его оптимальных расходов. При высоких расходах (порядка 20 л/мин) стойкость погружного стакана, как уже указывалось, возрастает, но при этом за счет бурления мениска металла в кристаллизаторе поверхность стали оголяется и происходит ее вторичное окисление. На практике расход нейтрального газа зависит от сечения заготовки и колеблется в диапазоне 2–6 л/мин.

Растущие требования к качеству заготовок приводят к разработке и усовершенствованию систем подвода металла в кристаллизатор. Используют, например, устройство, в котором струя металла из промежуточного ковша изолируется от окружающей среды поверхностью смесителя. Сбоку через отверстие в стенке смесителя вводят фурму, через которую в процессе разливки струя обдувается газопорошковым потоком. Этот способ позволяет полностью исключить подсос воздуха и значительно повысить качество стали.

Разливка стали под уровень является необходимым условием получения качественных заготовок ещё и потому, что, наряду с защитой металла от окисления, погружной стакан позволяет управлять гидродинамикой потоков в кристаллизаторе.

На заводе в Денене (Франция) при непрерывной разливке блюмов применяют погружные стаканы со специальной «чашей». При работе такого погружного стакана потоки металла проходят через стакан, затем, в результате удара о расположенную ниже торца стакана «чашу», перенаправляются к верхним слоям металла в кристаллизаторе.

Непрерывная разливка стали под давлением

Метод, позволяющий в значительной степени увеличить диаметр металлопровода, по которому металл поступает в кристаллизатор из сталеразливочной ёмкости, и ликвидировать устройство для регулирования расхода металла, состоит в следующем.

Жидкий металл поступает в кристаллизатор через огнеупорный тракт, площадь рабочего сечения которого соизмерима с площадью поперечного сечения отливаемой заготовки. Для предотвращения перелива металла кристаллизатор снабжён крышкой. Между крышкой и зеркалом металла в кристаллизаторе поддерживается слой шлака, который предотвращает сцепление металла с крышкой и служит для смазки стенок кристаллизатора, снижения теплопотерь и ассимиляции неметаллических включений, всплывающих из жидкой лунки слитка. В этом случае на формирующуюся оболочку слитка воздействует дополнительное (по сравнению с обычным процессом) ферростатическое давление, равное высоте металла от его уровня в промежуточном ковше до уровня металла в кристаллизаторе.

Как показали исследования, проведенные на горячей модели, увеличение давления на зеркале металла в кристаллизаторе приводит к увеличению толщины оболочки формирующегося слитка на выходе из кристаллизатора и уменьшает её разнотолщинность за счёт более полного контакта металла со стенками кристаллизатора. При этом эффект воздействия проявляется при избыточном давлении >0,25 кг/см².

Следующий метод состоит в использовании эжектирующего свойства струи для формирования на ней пограничного газового слоя из инертной атмосферы. Для этого необходимо создать определённые условия, при которых в попутное движение вовлекается не воздух, а инертный газ (например, аргон). Аргон должен подаваться к месту истечения струи распределённым по периметру корня струи с небольшим избыточным давлением, лишь компенсирующим разрежение, возникающее от движения потока более плотной среды в менее плотной. Количество газа, идущего на создание пограничного слоя, определяется энергией струи, то есть зависит от уровня металла в разливочном ковше, диаметра выпускаемого отверстия, длины струи, а также обусловлено и физическими свойствами используемого инертного газа.

При креплении крышки жёстко к промежуточному ковшу объём камеры избыточного давления не зависит от давления в кристаллизаторе.

В этом случае шлакообразующую смесь в камеру избыточного давления также подают с помощью пневмоцилиндра.

Внедрение метода непрерывной разливки стали под давлением позволяет: улучшить качество непрерывнолитых заготовок за счёт снижения содержания неметаллических включений и уменьшения складчатости поверхности; снизить перегрев металла над температурой ликвидус; уменьшить вероятность закупорки рабочего канала металлотракта за счёт использования стаканов с большим диаметром рабочего канала; улучшить экологическую обстановку на рабочей площадке МНЛЗ за счёт локализации газопылевыделений на участке промковш–кристаллизатор.

При разливке стали по такой технологии целесообразно организовать контроль макроструктуры отливаемых заготовок. Использование результатов контроля даёт возможность управлять процессом формирования заготовки с помощью изменения параметров разливки с учётом состояния конструктивных элементов машины.

На заводах качественной металлургии разрабатываются различные конструктивные решения для исключения таких случаев. Так, на заводе «Mannesmannrohren–Werke» в г.Дунсбурге (Германия) разработана конструкция промежуточного ковша с двумя камерами. Одна из камер (Рис. 4.14) предназначена для поступления в неё основной массы (90%) металла из сталеразливочного ковша.

После почти полного опорожнения сталеразливочный ковш передвигают ко второй камере и сливают остальные 10% металла, сюда же попадает во время слива и шлак. Поверхность металла в первой камере остаётся без шлака. В эту камеру переливают металл из следующего ковша при разливке подряд нескольких плавок.