1.2 Безперервне розливання сталі

Спосіб безперервного розливання сталі має значні техніко-економічні переваги порівняно з розливанням сталі у виливниці. Тому майже в усіх побудованих та реконструйованих сталеплавильних цехах застосовують цей спосіб розливання сталі. Основна ідея безперервного розливання сталі полягає в тому, що з рідкого металу треба одержати заготівку, а потім готовий виріб - лист, сортовий профіль, труби тощо.

Труднощі, що виникають при розливанні сталі, змушують поки що одержувати заготовки для виробництва готового прокату шляхом безперервного розливання. Установки для безперервного розливання сталі (УБРС) називають ще машинами безперервного лиття заготовок.

При розливанні сталі на МБЛЗ метал безпосередньо з сталерозливного ковша або через проміжну ємкість, безперервно надходить в охолоджену форму - кристалізатор. У кристалізаторі (початковій зоні охолодження) відбувається тверднення оболонки заготовки. Заготовку з рідкою серцевиною витягують із кристалізатора і подають у зону вторинного охолодження, де вона повністю твердіє по всьому перерізу. Потім заготовку ріжуть на куски необхідної довжини.

Вперше думку про безперервне розливання сталі висловив ще Г. Бесемер. З моменту, коли з'явилися перші патенти на спосіб безперервного розливання сталі, і до моменту, коли його було впроваджено у виробництво, минуло майже сто років. Це насамперед пов'язано з теплофізичними властивостями сталі при високій температурі: низькою теплопровідністю, високою температурою плавлення тощо.

Спочатку безперервне розливання застосовували при розливанні міді та алюмінію і тільки пізніше його почали використовувати в чорній металургії. Це пояснюється тим, що мідь та алюміній мають вищу тепло­провідність, порівняно низьку температуру плавлення і меншу теплоємність, ніж залізо та його сплави. Висока теплопровідність міді та алюмінію підвищує швидкість відведення теплоти від заготовки, а отже й продуктивність процесу. Низька температура плавлення збільшує стійкість агрегатів і спрощує їх конструкцію. Менша теплоємність міді та алюмінію дає змогу швидше відвести теплоту від металу, що затвердів, і зменшити габаритні розміри ливарних машин.

Незважаючи на значні труднощі у розробці процесу безперервного розливання сталі, він успішно застосовується для переважної біль­шості її марок. Освоєння цього способу розливання сталі - одне з найвидатніших досягнень сучасної металургії. У вивчення проблем і явищ процесу (тепло- і масообмін, механіка деформування кірки заготівки, що твердіє, розробка раціональної конструкції МБЛЗ, створення основ технології тощо) значний внесок зробили вітчизняні вчені та інженери.

Застосування безперервного розливання в промисловості дає значний економічний ефект. Тому в 1990 р. понад 80 % виплавленої в усьому світі сталі, розливалося безперервним способом, а в окремих промислово розвинутих країнах (Японії, Німеччині та ін.) – 90…95 %.

1.3 Устаткування для розливання сталі

Для розливання сталі використовують наступне устаткування:

- жолоб, по якому сталь з конвертера або пла­вильного агрегату (електричних або мартенівських печей) потрапляє в ківш;

- сталерозливний ківш;

- проміжний ківш або проміжний розливний пристрій;

- виливниці;

- піддони;

- маши­ни безперервного лиття заготовок.

Випускний жолоб складається з металевого зварного або литого кожуха, який футерований, як правило, шамотною цеглою. Жолоб встановлюють з нахилом 0,10…0,12 до горизонталі (для забезпечення повноти стікання металу). На мартенівських печах садкою >300т плавку одночасно випускають в два ковші. Такі печі називають двохжолобними печами.

Сталерозливний ківш (рис. 1.3) виконує декілька функцій: служить місткістю для транспортування металу від сталеплавильного агрегату до місця розливання; є пристроєм, за допомогою якого сталь розподіляється по виливницях або кристалізаторах установки безперервного розливання; є агрегатом, в якому здійснюють ряд металургійних процесів (розкислювання, легування, обробку вакуумом, продування інертним газом, обробку рідкими синтетичними шлаками або твердими шлаковими сумішами і т. п.); служить ємкістю, в якій метал витримують при заданій температурі в процесі розливання плавки.

Рис. 1.3. Сталерозливний ківш:

1- кожух; 2 - футерівка; 3 - пояс; 4 – цапфи.

До сталерозливного ковша пред'являють наступні вимоги. Ківш (без металу) має бути якомога легшим, компактнішим та обладнаний простими і надійними пристроями що забезпечують видачу металу необхідними порціями і з необхідною інтенсивністю. Футерівка ковша повинна забезпечувати можливо тривалішу його компанію (від ремонту до ремонту). Конструкція і футерівка ковша повинні забезпечувати мінімальні втрати тепла (мінімальне охолоджування металу) протягом періоду розливання. Кожух ковша зварний, форма ковша - зрізаний конус зі сферичним днищем. Перетин ковша круглий, в деяких випадках трішки овальне (щоб при тому ж розмірі траверси розливного крана використовувати ковші більшої місткості). Об'єм ковша розраховують, виходячи з об'єму маси металу і певного (5…10 %) шару шлаку.

Вітчизняна промисловість випускає стандартні ковші місткістю від 50 до 480 т. Маса порож­нього футерованого ковша місткістю 300т складає 72,5 т, а маса порожнього 480т ковша складає 136т. Розливний ківш переміщається за допомогою розливного крана. Ковші футерують шамотом або іншими вогнетривкими матеріалами. Футеровку ковша виконують з цегли або монолітною.

Для виготовлення монолітної футеровки потрібне відповідне устаткування, проте при цьому помітно знижуються витрати праці. Існує декілька способів виконання монолітної футерівки ковшів: лиття, |трамбування (у тому числі автоматичне без шаблону), торкретування, піскометне набивання. Вибір способу футерівки ковша визначається наявністю і вартістю відповідного устаткування та матеріалів.

Стійкість футерівки ковшів, виготовлених із звичайної шамотної цегли, всього 15…25 плавок (наливів). Футеровка зношується безперервно; найбільший знос відбувається в місці падіння струменя металу і в районі шлакового поясу. У тих випадках|, коли метал у ковші піддається різним методам обробки, включаючи методи, пов'язані з інтенсивним перемішуванням металу, стійкість шамотної футерівки різко знижується; тоді для футерівки ковша використовують високовогнетривкі матеріали, стійкість при цьому зростає до 100 і більш плавок. Залежно від якості вогнетривких матеріалів і технології обробки сталі у ковші витрата вогнетривів коливається в межах від 2 до 5 кг/т сталі.

Устаткування для випуску сталі з ковша складається із стопорного устаткування і розливного стакана. Зазвичай в кожному ковші установлюють один комплект такого обладнання, проте в ковшах великої місткості для прискорення розливання вмонтовують два таких комплекти.

Розливний стакан встановлюють в гніздо, передбачене в днищі ковша (у найнижчій його частині, з тим щоб в стакан зливався з ковша весь метал, без залишку). Після розливання кожної плавки стакан замінюють новим.

Розрізняють два типи види стопорних пристроїв:

1. Вертикальні стопорні пристрої (або просто стопори). Устрій включає вертикальний стопор, що проходить усередині ковша через масу металу. За допомогою механізму типу важеля стопор піднімається| та опускається. При підйомі нижній кінець стопора (пробка стопора) відходить від розливного стакану та через отвір, що відкрився, метал із з ковша виливається у виливницю. Стопор складається із суцільного або полого металевого стержня, на який надівають серію котушок з вогнетривкого матеріалу (зазвичай з шамоту).

2. Стопорні пристрої ковзаючого типа. Пристрій закріплюють до кожуха ковша знизу зовні. Отвір розливного стакана перекривається (і відкривається) горизонтальним відсікаючим рухом ковзаючої вогнетривкої плити. Залежно від виду руху відсікала (прямолінійного або обертального) ковзаючі затвори ділять на шиберні (рис. 1.4б) і поворотні або дискові (рис. 1.4в) з декількома отворами різного діаметру. Дискові затвори дозволяють змінювати по ходу розливання швидкість виділення металу з ковша або зберігати її в процесі спорожнення ковша (у міру опускання рівня металу в ковші вести розливання через отвори все більшого діаметру). При розташуванні пристрою затвора поза ковшем всі необхідні операції з металом (перемішування та т.д.), що знаходиться в ковші, проводяться без побоювання пошкодити стопор і викликати цим аварійний вихід металу з ковша. Надійність шиберного затвора залежить від вогнетривкості та зносостійкості шиберних плит, від точності їх виготовлення і притирання.

а - принцип дії (зліва - вхідний 1 та випускний 2 стакани поєднані під час розливання; справа - випускний стакан і ковзаюча плита переміщені в положення ”зачинено”); б - затвор шиберного типа; в - затвор, що обертається

Рис. 1.4. Ковзаючий затвор:

1 - розливний стакан ковша; 2 - плити; 3 - гніздова цеглина; 4 - зовнішній розливний стакан; 5 - металевий захисний кожух); 6 - верхній стакан; 7 - нерухома плита; 8 - плита, що обертається; 9 - колектор; 10 - ротор; 11 – пружина; 12 - редуктор; 13 - електродвигун; 14 - запобіжний кожух; 15 - футерівка проміжного ковша).

В процесі розливання перетин розливного стакана| змінюється. Безпечним вважається випадок так званого заростання стакана.

Таке явище спостерігається, зокрема, при розливанні сталі, що розкислюють алюмінієм. Частки корунду А1₂О₃, що утворюються при розкислюванні, осідають на внутрішніх стінках стакана, утворюючи тугоплавкий і міцний настил; внутрішній діаметр стакана починає зменшуватися, і, якщо не прийняти необхідних заходів, розливання може взагалі припинитися. Для запобігання таким явищам, а також щоб уникнути застигання металу (особливо перших його порцій) в порожнині стакана за час від випуску плавки до початку розливання в розливний стакан подають (з невеликою інтенсивністю) інертний газ.

Падіння струменя сталі із ковша у виливницю або кристалізатор супроводжується низкою явищами, що негативно впливають на якість металу. Великий натиск металу, що витікає з великого ковша, викликає інтенсивне розбризкування струменя при ударі об дно виливниці або об поверхню рідкого металу. Розрахунки і результати моделювання показують, що при розливанні з ковшів великої місткості критерій Рейнольдса для струменя може досягати значень >106, що свідчить про високий ступінь турбулентності струменя. Виділення таких турбулентних потоків супроводжується захопленням атмосферного повітря, а також розвитком кавітаційних явищ, що, у свою чергу, приводить до різких місцевих коливань тиску металу в зливку. При великому натиску металу струмінь перестає бути безперервним, що приводить до інжектуванню навколишнього повітря, інтенсивному розвитку вторинного окислення сталі, збільшенню вмісту азоту і т.д.

Діаметри розливних стаканів можуть коливатися від 50 до 120 мм. При виході металу через отвір в днищі ковша створюється положення, при якому основне переміщення рідкого металу відбувається по осі стакана, тобто насамперед з ковша виходить стовп металу, що розташовується над отвором стакана, а об'єми металу, що знаходяться поблизу стінок ковша, не переміщаються і по­ступають на розливання в останню чергу.

Створюється відмінність по температурі і властивостях цих об'ємів метала (порівняно з температурою і властивостями внутрішніх шарів), що приводить до нестабільності якості зливківзливків, відлитих за час розливання. При вході рідкого металу в стакан відбувається стиснення (звуження) струменя, яке зберігається до деякої глибини, після чого потік знову розширюється, заповнюючи весь поперечний перетин стакана, тобто в стакані є зона зниженого статичного тиску (відрив потоку від стінок ка­налу та пов'язане з ним вихроутворення і є основною причиною збільшення опору руху рідині в струмені, а також захва­та струменем повітря). Додаткові труднощі при вирішенні проблеми організації витікання струменя металу із ковша пов'язані з тим, що у міру спорожнення ковша змінюється рівень напірметалу (висота металу в ковші зменшується). Може статися, що задовільний характер витікання струменя на початку розливання (невелике відношення діаметру струменя до висоти стовпа металу в ковші) зміниться незадовільною наприкінці розливкою (при незмінному діаметрі струменя напір металу різко зменшиться). На характер руху металу в ковші та стакані впливає також місце розташування стакана відносно відносно стін ковша. На практиці для організації, нормального розливання використовують наступнінизку прийоми:

- перетин, розміри і форму розливного стакана та його місце розташування в ковші вибирають за результатами попереднього моделювання з урахуванням розмірів ковша, складу сталі та необхідній швидкості розливання. Перетин стаканів може бути круглим, еліптичним, хрестоподібним i т.д.;

- застосовують подовжені стака­ни, з тим щоб метал проходив по розливному стакану, не торкаючись з навколишнім повітрям;

- захищають струмінь металу, який витікає із ковша, інертним газом, що подається з кільцеподібного пристрою, який оточує струмінь;

- інертний газ подають безпосередньо в розливний стакан;

- перемішують метал в ковші;

- застосовують проміжні роз­ливні пристрої (воронки, проміжні ковші та т.п.), які дозволяють розливати метал майже до кінця розливання всієї плавки з незмінною і необхідною швидкістю випуску.

Проміжні розливні пристрої сприяють зменшенню розбризкування при ударі струменя об дно виливниці або об поверхню розливного металу. Вживання таких проміжних розливних пристроїв, як воронки, коритоподібні футеровані ємкості з декількома отворами у днищі та т. п., обмежено окремими випадками (наприклад, розливання одиничних крупних зливків для поковок). Вживання проміжних ковшів отримало широке поширення при безперервному розливанні, коли характер дії струменя на метал, що кристалізується, має особливий вплив на якість заготовки.

Проміжний ківш є додатковою ланкою в технологі­чному ланцюжку сталеплавильний агрегат - сталерозливний ківш - зливок. Проте, незважаючи на незважаючи на значні витратизатрати, пов'язані з виготовленням проміжних ковшів та їх обслуговуванням, застосування застосування цієї додаткової ланки доцільне. Отримувані від використання проміжних ковшів переваги зводяться до:

- забезпечується розливання практично всієї плавки з однаковою швидкістю і характером витікання струменя металу;

- суттєво зменшується удар струменя метала при розливанні;

- можна вести розливання зверху одночасно на декілька зливків;

- у необхідних випадках можна здійснювати додаткові операції по виправленню складу і підвищенню якості метала;

- при безперервному розливанні є можливість розливати декілька плавок без переривання струменя металу, який витікає з проміжного ковша (так названий метод “плавка на плавку”).

Деякий запас металу в проміжному ковші дозволяє продовжувати розливання у той час, поки один спорожнений великий розливний ківш замінюють іншим.

До недоліків вживання проміжних ковшів відносять:

- додаткова поверхня кон­такту струменя металу з навколишнім повітрям між великим розливним і проміжним ковшем приводить до вторинного окислення металу та взаємодія його з повітрям;

- додаткова операція перепустка металу через проміжний ківш приводить до посилення охолодження металу.

Приведені недоліки при використані проміжних ковшів усуваються шляхом удосконале­ння| їх конструкцій: застосовують про­міжні ковші, що безпосередньо прикріплюються до великих розливних (для зменшення контакту струменя з повітрям), використовують ковші з кришкою для зменшення втрат тепла, ковші з вогнетривкими перегородками для поліпшення умов спливання неметалічних включень та т.д.

Виливниці відливають зазвичай з чавуну, отриманого у вагранці, або інколи із чавуну безпосередньо з доменної печі, оскільки чавун має відносно невисоку вартість, володіє хорошими ливарними властивостями і відливання з нього при нагріві майже не коробляться. Розміри та форма виливниці, що визначають форму зливка, залежать від наступних чинників:

- виду продукції (прокатні зливки надходять в прокатний цех, ковальські - в ковальсько-пресовий);

- призначення (для отримання сор­тової заготовки використовують зазвичай зливки квадратного перетину, для прокатки на лист - прямокутного, для отримання труб, коліс, бандажів - круглого або багатогранного);

- потужності прокатних станів (від цього залежать маса і розміризливка);

- ступеня розкислення (форма зливків спокійної та киплячої сталі зазвичай неоднакова і відповідно різну форму мають також і виливниці);

- способу розливання (зверху або сифоном);

- вимог до якості металу та його однорідності (чим більше масазливка, тим довше він застигає, тим більшою мірою розвиваються в нім лікваційні явища і відповідно неоднорідність властивостей).

Для підвищення продуктивності прокатних| станів (блюмінгів і слябінгів) доцільно мати крупнізливки, проте у ряді випадків при відливанні крупних зливків не забезпечується потрібна якість сталі.

Конструкція виливниці має бути зручна в експлуатації і мати можливо вищу стійкість. Стійкість виливниць залежить від: складу і якості чавуну, з якого виливниця виготовлена; складу і температури сталі, що розливалася; умов експлуатації виливниць в даному цеху і конструкції виливниці (при даній масізливка). Для виготовлення виливниць зазвичай|звично| використовують чавун, що містить приблизно 3,8% С, 1,8% Si, 0,9% Мn, 0,2% Р і мінімальна кількість сірки. Присутність хрому в чавуні підвищує стійкість виливниць. Стійкість виливниць в значній мірі залежить від жорсткості її конструкції; навіть невелике викривлення приводить до швидкого виходу чавунної виливниці| з експлуатації. З урахуванням цього, наприклад, зовнішні грані виливниці виготовляються не плоскими, а криволіній­ними, кривизну вибирають протилежній тій, яку мали б плоскі грані після прогрівання, тобто в деформованому достатку. Для запобігання утворенню прокольних тріщин торці виливниць зміцнюють сталевими бандажами.

Для зручності витягання зливка з виливниці (або зняття виливниці із зливка) стінки виливниць завжди виконують з деякою (1…4%) конусністю. Бувають виливниці, що розширюються догори і донизу. Виливниці можуть бути з дном (глуходонні виливниці) і без дна (крізні виливниці). У першому випадку зливок витягують з виливниці, а вона залишається на місці, в другому виливницю знімають із зливка, а зливок залишається на піддоні. При розливанні металу зверху виливниця (або піддон) в місці удару струменя швидко виходить з експлуатації, тому в цій зоні встановлюють замінювані пробки. Для зменшення розбризкування струменя від удару об дно в донній частці виливниці передбачено поглиблення.

Стійкість виливниць залежить не лише від їх конструкції. Збільшення часу витримки зливків у виливницях приводить до значного нагріву їх стінок, зростання зерен чавуну і підвищення теплової напруги| в стінках виливниць. Стійкість виливниць при цьому знижується. Додаткове зниження стійкості виливниць має місце і при різких коливаннях температур при охолоджуванні (наприклад, при прискореному охолоджуванні виливниць водою). Кращі результати отримують при охолоджуванні виливниці на повітрі. Оптимальна температура виливниць перед розливанням 50…100°С; при вищій температурі час контакту із зовнішньою кіркою (що твердіє) зливка зростає і знос стає більший. Якщо температура виливниці нижча ніж та, що рекомендується, виникає небезпека утворення конденсату вологи повітря на холодних поверхнях, що може погіршити якість сталі.

Має значення також взаємне розташування виливниць з залитим металом: воно повинне забезпечувати можливість природного рівномірного охолоджування кожної виливниці з усіх боків. Стійкість виливниць залежно від перерахованих чинників складає 50…150 наливань, а витрата виливниць - від 1,5 до 2,5 % від маси відлитих зливків. У розрахунках для спрощення масу виливниці в середньому приймають рівній масі зливка. Найважливішою характеристикою виливниці є відношення висоти до умовного діаметру зливка H/D. Умовний діаметр розраховують за формулою:

(1.1)

де F- площа поперечного перетину середньої по висоті частки зливка (або F = D²).

Відношення H/D значною мірою визначає внутрішню будову зливка. Зазвичай для вуглецевої сталі це відношення дорівнює 3,0…3,5, для високоякісної легованої - 2,5…3,3. Для отримання щільнішого зливка при даному перетині воно має бути нижче (покращені умови газовиділення), проте для підвищення продуктивності прокатних станів бажано, щоб висота (довжина) зливка була більша. На практиці зазвичай приймають компромісне рішення.

Форма поперечного перерізу виливниці зумовлюється подальшою обробкою зливка. На рис. 1.5. показано найпоширеніші форми поперечного перерізу зливків. На блюмінгу, як правило, обтискують зливки з квадратною форою поперечного перерізу(див. рис. 1.5а, б, в), на слябінгу – прямокутного і овального (див. рис. 1.5г, д), зливки круглого перерізу (див. рис. 1.5е, ж) використовують для виготовлення труб.

Рис. 1.5. Форми (а-ж) поперечного перетину виливниць