Кристаллизатор

Кристаллизатор служит для обеспечения начальной кристаллизации и формирования слитка стали. Наибольшее распространение получили сборные кристаллизаторы, состоящие из попарно скрепленных винтами стальных 3 и медных 2 (внутренних) пластин (рисунок 2). По зазору 4 между пластинами протекает охлаждающая вода. Толщина медных пластин кристаллизатора обычно составляет 12-20 мм, однако применяют и более тонкие пластины толщиной 5-6 мм.

Рисунок 2. Кристаллизатор МНЛЗ

Иногда применяют кристаллизаторы МНЛЗ из цельного литого или кованого медного блока с толщиной стенки 150-175 мм, в которой просверливают отверстия для обеспечения водяного охлаждения.

Как правило, в одном корпусе собирают все типы кристаллизаторов МНЛЗ - по числу ручьев в машине (1-6). Вода для охлаждения медных стенок кристаллизатора проходит в каналах со скоростью 6-10 м/с, 1 нагреваясь на 2-10 С. Общий расход воды зависит от сечения заготовки и составляет примерно для заготовок сечением 150x640, 150x800 и 170x1030 мм соответственно 180, 240 и 280 м3/ч.

Стенки кристаллизатора выполняют прямыми или волнистыми. По высоте кристаллизатора стенки обычно располагают параллельно друг другу. При отливке плоских заготовок большого сечения стенкам придается часто обратная конусность до 1 %, учитывая, что в результате усадки заготовка отходит от стенок и отвод тепла в этих зонах заметно уменьшается.

Высота кристаллизатора МНЛЗ должна обеспечивать образование достаточно толстой корки в заготовке при выходе, исключающей возможность ее прорывания. Для отливки квадратных заготовок сечением менее 200x200 мм применяют кристаллизаторы длиной 500-800 мм. Длина кристаллизаторов, предназначенных для отливки квадратных и круглых заготовок большого сечения, достигает 1000-1100 мм. Наконец, для отливки заготовок прямоугольного сечения толщиной до 200 мм и шириной до 1200 мм применяют кристаллизаторы длиной от 500-800 до 1500 мм.

С целью предотвратить подвисание заготовки кристаллизатору МНЛЗ придают возвратно-поступательное движение (качание) с шагом 10-50 мм. Синхронизация режима работы механизма качания кристаллизатора МНЛЗ и тянущей клети обеспечивается применением соответствующей электросхемы, или рычагов и эксцентриков, или, наконец, гидравлической системы качания кристаллизатора.

Для уменьшения трения между стенками кристаллизатора МНЛЗ и поверхностью заготовки в процессе разливки кристаллизатор смазывается, как правило, автоматически и реже вручную из масленок.

Смазка подается либо через каналы, просверленные в стенке кристаллизатора несколько выше мениска металла, либо в верхнюю часть кристаллизатора, откуда она стекает ровным слоем по стенке. В качестве смазки используют парафин, сурепное, репейное и рапсовое масло. Расход смазки составляет 50-150 г на 1 т металла.

Основной причиной выхода из строя кристаллизатора является износ и деформация медных стенок, раскрытие стыков между стенками и выработка меди в местах стыков. Для восстановления медных стенок часто прибегают к их переточке.

Зона вторичного охлаждения

зона вторичного охлаждения (ЗВО) заготовки начинается непосредственно под кристаллизатором. Это обусловливается тем фактом, что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллизаторе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная и требует дальнейшего ее наращивания. В современных МНЛЗ протяженность зоны вторичного охлаждения в зависимости от сечения заготовки и скорости литья может составлять от 8-10 м до нескольких десятков метров. При этом она может продолжаться вплоть до тянуще-правильной клети.

Конструкция ЗВО состоит из системы опорных элементов (роликов), поддерживающих и направляющих заготовку, и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка за счет впрыскивания охлаждающей воды, расположенных между роликами. Точность расположения опорных роликов является весьма важным элементом в системе обеспечения качества непрерывнолитой заготовки, поскольку любые отклонения положения роликов от номинальной позиции приводят к дополнительной деформации заготовки в процессе ее движения по ЗВО.

Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО обычно разбивается на несколько секций. Как правило, их число колеблется от 3 до 5 для сортовых и блюмовых МНЛЗ и от 8 до 15 для слябовых. Разбивка ЗВО на сегменты упрощает монтажные работы на МНЛЗ, а также позволяет выполнять настройку сегментов за ее пределами. В конструкционном плане сегменты представляют собой две сварные рамы с роликами, которые жестко стянуты между собой специальными стяжками.

В металлургической практике предпочтение отдается цельнокованым толстостенным роликам, имеющим различные системы внутреннего водяного охлаждения. Ролики без внутреннего охлаждения водой используются, как правило, в сортовых и блюмовых МНЛЗ. Их охлаждение достигается путем орошения водой, разбрызгиваемой для охлаждения заготовки.

В целом опорные ролики МНЛЗ работают в достаточно сложных условиях, поскольку находятся в зоне повышенных температур и испытывают высокие нагрузки, связанные с поддержкой заготовки. Температурный режим охлаждения опорных роликов представляется достаточно важным фактором, обеспечивающим их эксплуатационную стойкость. При этом рабочая поверхность роликов постоянно контактирует с горячей поверхностью заготовки, и ролики соответственно подвергаются сильному температурному воздействию.

Если интенсивность водяного охлаждения оказывается недостаточной, то термические нагрузки на поверхность роликов приводят к появлению на их рабочей поверхности трещин (так называемый «разгар»), которые отрицательно влияют на качество поверхности заготовки, а также приводят к поломке роликов. Дополнительным фактором, влияющим на качество поверхности заготовки в случае недостаточного охлаждения роликов, является развитие явления «налипания» окалины на их рабочую поверхность. Налипшие куски окалины травмируют поверхность сляба, оставляя в нем соответствующие вмятины.

Между тем, функции поддерживающих устройств не ограничиваются только сохранением геометрической формы заготовки. Кроме того, заготовку необходимо непрерывно вытягивать из кристаллизатора, перемещать ее вдоль технологической линии МНЛЗ одновременно с ее выпрямлением (а для криволинейных МНЛЗ еще и загибом).

Для равномерного вытягивания заготовки необходимо создать определенное усилие между роликами и формирующимся слитком. Усилие прижима, передаваемое роликами на слиток, должно быть равно или несколько превышать (10-15%) ферростатическое давление жидкой фазы слитка на ролики. Оно обеспечивается с помощью гидравлических или пружинных устройств, расположенных на верхней раме. Для предотвращения большой деформации слитка от давления роликов между верхней и нижней рамами устанавливаются специальные упоры. При этом для того, чтобы уменьшить растягивающие усилия, действующие во время вытягивания на его оболочку, целесообразно распределить приводные ролики по всей длине технологической линии. В большинстве случаев делают приводными часть нижних роликов, распределяя приводы равномерно по длине машины.

Равномерное охлаждение непрерывнолитой заготовки является наиболее важной задачей, решаемой в зоне вторичного охлаждения. При этом заготовка, выходящая из кристаллизатора, имеет твердую корочку толщиной 15-35 мм, а также жидко-твердую зону и внутреннюю зону с жидкой фазой, имеющую температуру стали на уровне температуры ликвидус.

Отвод тепла от поверхности заготовки в ЗВО достигается путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам с внутренним охлаждением, вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду (рисунок 3).

Рисунок 3. Характер отвода тепла от заготовки в ЗВО

Обычно струйное охлаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной под кристаллизатором, а также в следующей после нее зоне. В зоне подбоя форсунки расположены таким образом, что струи направлены под углом к днищу кристаллизатора. При этом вода не попадает в проем кристаллизатора, а направляется на опорные ролики, обеспечивая этим дополнительное их охлаждение. В зонах 1 и 2 форсунки располагаются аналогичным образом, то есть часть струи омывает ролики при любых расходах воды, дополнительно их охлаждая.

Для слябовых МНЛЗ устанавливаются несколько форсунок в растворе роликов (рисунок 4). При этом предварительно необходимо определить участки перекрытия струй, что позволяет обеспечить равномерное распределение воды по всей ширине охлаждения. Дополнительные технические затруднения вызывает расположение форсунок в ЗВО современных слябовых МНЛЗ, которые имеют возможность изменения ширины сляба в процессе разливки.

Большим недостатком системы водяного охлаждения при подаче охладителя через форсунки является также высокая неравномерность охлаждения поверхности слитка даже на сравнительно небольших ее участках в пределах одной секции по ее длине. Это объясняется схемой подачи воды в зазор между роликами. Поэтому участки слитка, перекрытые роликами, не получая необходимого охлаждения, перегреваются, а открытые участки, имеющие небольшую ширину, переохлаждаются. В результате разница температур на сравнительно небольших участках достигает 120-150 С. Такое циклическое изменение режима нагрев-охлаждение происходит по всей зоне водяного охлаждения и, многократно повторяясь, приводит к возникновению дополнительных напряжений в корке слитка и, как правило, к появлению трещин.

Рисунок 4. Схема расположения форсунок в растворе роликов