4.4.1.1. Типы установок.
Наиболее распространенные УНРС работают по следующей схеме: жидкая сталь поступает в сквозную водоохлаждаемую изложницу-кристаллизатор. Предварительно до начала разливки в кристаллизатор вводят искусственное подвижное дно (так называемую «затравку») (рис. 94). Жидкий металл, соприкоснувшись с холодными затравкой и кристаллизатором, начинает кристаллизоваться; затравку вместе с застывшим на ней металлом медленно опускают из кристаллизатора; вместе с затравкой тянется и получающийся таким образом слиток. Закристаллизовавшиеся грани слитка (средняя часть слитка еще жидкая) скользят при этом по стенкам кристаллизатора. Для уменьшения усилий вытягивания и исключения случаев разрыва корочки слитка, из-за приваривания ее к стыкам кристаллизатора последнему придают возвратно-поступательное движение. на стенки кристаллизатора подают смазку, для чего на поверхности жидкого металла в кристаллизаторе наводят шлак, тонкая пленка которого между кристаллизатором и слитком уменьшает трение.
Рис.94. Затравка: 1 – кристаллизатор; 2 – головка затравки
Выходящую из кристаллизатора заготовку (слиток) с жидкой сердцевиной подвергают интенсивному охлаждению (обычно тонкораспыленными струями воды, подаваемой через специальные форсунки). Это охлаждение называют вторичным (первичным называют охлаждение в кристаллизаторе). После затвердевания по всему сечению заготовка поступает на участок резки, где ее разрезают на мерные длины (части заданной длины).
Такого рода установки непрерывной разливки стали условно можно разделить на шесть основных типов:
– с вертикальным кристаллизатором (рис. 95), установки 1–3;
– с криволинейным кристаллизатором (рис 95), установки 4, 5;
– горизонтального типа (рис. 95), установка 6.
Если из металла одной плавки получают один слиток (одну заготовку), который затем извлекают, то разливку принято называть полунепрерывной. Такого типа агрегаты устанавливают в цехах, где в печах небольшой емкости выплавляют сложнолегированные стали или сплавы, электроды для последующего ВДП или ЭШП.
Рис. 95. Принципиальные схемы установок непрерывной разливки стали: 1 – вертикального типа; 2 – вертикального типа с изгибом; 3 – с вертикальным кристаллизатором, с короткой вертикальной частью и последующим изгибом по определенному радиусу; 4 – радиального типа; 5 – с изогнутым кристаллизатором и возрастающим радиусом изгиба (криволинейного типа); 6 – горизонтального типа; С – зона порезки заготовки; S – конец затвердевания
4.4.1.2. Работа современных установок
На первом этапе в промышленном масштабе применяли установки в основном вертикального типа (рис. 96). При получении на таких установках заготовок относительно большой толщины зона полного затвердевания и соответственно участок резки заготовки на мерные длины находятся на большом удалении от кристаллизатора. В результате установка должна быть или очень высокой (> 40 м) и на такую высоту необходимо поднимать ковш со сталью, или при размещении ковша на небольшой высоте (над уровнем пола цеха) всю установку располагать на очень большой глубине, а порезанные заготовки выдавать затем наверх. Как правило, для уменьшения высоты здания и упрощения системы подачи сталеразливочных ковшей к месту разливки УНРС вертикального типа располагали на небольшой высоте над уровнем цеха, а основное оборудование размешали в глубоком железобетонном колодце. Помимо повышения стоимости строительства это приводило к необходимости применения сложных систем выдачи из колодца порезанных заготовок, создавало серьезные затруднения в случае прорыва корки слитка и при аварийной разливке и т. д.
Рис. 96. Схема УНРС вертикального типа: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – промежуточный ковш; 3 – кристаллизатор; 4 – опорная рама кристаллизатора; 5 – механизм качания кристаллизатора; 6 – секции опорных брусьев; 7 – механизмы прижатия и перемещения брусьев и роликов; 8 – опорная колонна; 9 – секции опорных роликов; 10 – тянущая клеть; 11 – газорезка; 12 – путь подъемной тележки; 13 – тележка для подъема слитка
Принципиальная схема затвердевания непрерывного слитка приведена на (рис. 97). Технология и организация непрерывной разливки определяются в числе прочих таким показателем, как глубина (высота, длина) столба жидкой фазы (или так называемой жидкой лунки). Глубина жидкой фазы L (м) пропорциональна скорости разливки v (м/мин) и квадрату условного радиуса сечения слитка (заготовки) Rсл (м), т.е. L=kR2сл., где k – коэффициент, зависящий от условий разливки и охлаждения, формы сечения слитка и т.д. Таким образом, скорость разливки при прочих равных условиях определяет длину зоны кристаллизации.
Рис. 97. Схема затвердевания непрерывного слитка: 1 – кристаллизатор (первичное охлаждение); 2 – подвод и отвод воды для охлаждения кристаллизатора; 3 – система вторичного охлаждения (форсунки для подачи воды на поверхность слитка); 4 – уровень жидкого металла в кристаллизаторе; 5 – закристаллизовавшаяся часть слитка
Повышение скорости разливки путем увеличения длины зоны кристаллизации на установках вертикального типа осуществить трудно, так как с увеличением высоты незакристаллизовавшегося столба металла растет и ферростатическое давление, что может привести к выпучиванию корочки слитка и ее разрушению. Нежелательно также и увеличение высоты установки. В настоящее время УНРС вертикального типа почти не строят. Исключение составляют установки для разливки специальных сталей, слитков специальных профилей, пустотелых трубных заготовок и т. п. Стремление уменьшить высоту привело к созданию УНРС вначале радиального, затем криволинейного и горизонтального типов.
Использование УНРС радиального и криволинейного типов (т. е. с изгибом заготовки в процессе кристаллизации), у которых неполностью затвердевшая заготовка выходит на горизонтальный участок, позволяет значительно повысить скорость разливки при крупных сечениях слитка, так как участок резки заготовки на мерные длины может быть расположен на достаточно большом расстоянии от кристаллизатора (30–40 м и более).
Организация равномерного затвердевания непрерывнолитого слитка, изгибаемого в процессе кристаллизации, связана с решением ряда сложных проблем. Главной является то, что одновременно одна (внешняя) часть изгибаемой заготовки испытывает растягивающие напряжения, а другая (внутренняя) – сжимающие. Решением этой проблемы являются:
– рафинирование металла от вредных примесей (прежде всего примесей, снижающих прочность тонкой корочки кристаллизующегося слитка);
– разливка металла в строго определенном температурном интервале;
– соответствующий выбор оборудования.
Современная УНРС представляет собой сложный комплекс (рис. 98) технологического, механического, гидравлического и электронного оборудования. УНРС может включать в себя:
– промежуточный ковш с приспособлениями (например, разделительными стенками) для исключения влияния подачи металла из большого ковша;
– скользящий затвор;
– удлиненный, опускаемый под уровень металла разливочный стакан;
– оборудование для продувки металла инертным газом;
– устройства для подачи шлаковых смесей на поверхность металла в кристаллизатор, алюминиевой проволоки в глубь металла, защитных газовых струй для предотвращения вторичного окисления;
– оборудование для электромагнитного перемешивания жидкого металла в кристаллизующейся заготовке;
– оборудование для обжатия и порезки затвердевшей заготовки;
– устройства для контроля процесса разливки и т.д.
Для вытягивания заготовки служит система роликов (роликовая проводка) (рис. 96); ролики прижимаются к вытягиваемой заготовке посредством гидравлических механизмов. Прижатие роликов может осуществляться также при помощи пружинных механизмов. Помимо роликовой системы вытягивания слитка существует также система шагающих балок, при которой вытягивание (и одновременно вторичное охлаждение) осуществляется при помощи плоских кристаллизаторов, попеременно прижимающих выходящую из кристаллизатора заготовку и перемещающих ее вниз.
Наибольшее распространение получили УНРС с роликовой системой проводки. Ролики, предназначенные для организации направления движения заготовки и предотвращения ее выпучивания, называют направляющими; те, которые предназначены для вытягивания заготовки из кристаллизатора, называют тянущими (иногда тянущими валками). УНРС, на которых одновременно вытягивается только одна заготовка, называют одноручьевыми. Если на установке одновременно вытягивается несколько заготовок (обычно меньшего сечения), то УНРС называют многоручьевой (одновременно на установке можно получать от двух до восьми заготовок).
Современные УНРС обеспечивают непрерывную разливку тысяч тонн стали, получая непрерывнолитые заготовки общей длиной несколько тысяч метров. Для проведения непрерывной разливки металла нескольких плавок подряд важна организация процесса: после опорожнения большого разливочного ковша в промежуточном ковше должно оставаться некоторое количество металла. За время его выпуска в кристаллизатор опорожненный сталеразливочный ковш необходимо заменить полным ковшом с металлом следующей очередной плавки. Так обеспечивается непрерывность разливки.