4.1.2 Непрерывная разливка стали на мнлз

Непрерывная разливка стали на МНЛЗ состоит в том, что жидкий металл непосредственно из ковша или через промежуточное устройство непрерывно заливается в верхнюю часть водо охлаждаемого кристаллизатора, в который предварительно вводят затравку того же поперечного сечения, что и слиток. Верхний торец затравки служит дном для первых порций металла. По мере затвердевания отливаемая заготовка с помощью тянущих механизмов вытягивается вниз.

Непрерывная разливка стали для отливки сортовых и листовых заготовок характеризуется следующими технико-экономическими преимуществами по сравнению с производством заготовок из слитков:

• Значительно сокращается расход металла на тонну готовой продукции (с 12-25 до 3-5%) в результате уменьшения отходов донной и головной частей слитков.

• Улучшаются условия труда в разливочном пролете, поскольку отпадает выполнение тяжелых работ по подготовке изложниц к разливке, раздеванию слитков и др. Процесс подготовки и разливки на машинах непрерывной литья заготовок (МНЛЗ) является механизированным и в значительной степени автоматизированным вплоть до резки и уборки заготовок.

• При непрерывной разливке стали уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты в связи с отсутствием надобности в обжимных станах.

• Механизация и автоматизация процесса на МНЛЗ обеспечивает постоянство условий производства и повышение производительности труда примерно на 20-25% по сравнению с цехами, где сталь разливают в слитки.

В связи с этими преимуществами непрерывная разливка стали интенсивно развивается и внедряется во всех странах мира.

Рисунок 1.14. Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

а - вертикальная; б - с изгибом слитка; в - радиальная; 1 - сталеразливочный ковш; 2 - промежуточный ковш; 3 - кристаллизатор; 4 - зона вторичного охлаждения; 5 - тянущие валки; 6 - автоматический резак; 7 - подъемник; 8 - рольганг; 9 - изгибающий механизм

Наибольшее распространение получили машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) вертикального типа (рис. 1). Жидкий металл, подаваемый на МНЛЗ в сталеразливочных ковшах емкостью 10-200 т, через промежуточное устройство поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Промежуточное устройство (ковш) предотвращает попадание жидкого шлака в кристаллизатор, обеспечивает возможность более плавного и точного регулирования скорости разливки. Для регулирования скорости разливки промежуточный ковш оборудуют стопорными механизмами, число которых определяется количеством одновременно заполняемых кристаллизаторов (1-6). Соответственно машина непрерывного литья заготовок может быть одно-, двух ручьевой и т. д.

Конструкция и режим зоны вторичного охлаждения МНЛЗ должны обеспечивать, с одной стороны, достаточно быстрое затвердевание слитка, с другой - охлаждение, которое протекает достаточно медленно, чтобы избежать образования трещин. Наиболее широкое распространение получила конструкция ролико форсуночного охлаждения, в которой предусмотрены форсунки для механического распыления воды с регулированием ее подачи и ролики в зоне вторичного охлаждения, обеспечивающие равномерное распределение воды по поверхности слитка и предохраняющие в то же время грани слитка от распирания, что особенно важно при непрерывной разливке слитков большого сечения.

Обычно зону вторичного охлаждения МНЛЗ делят на несколько секций с различным расходом воды. Общий расход воды на вторичное охлаждение заготовок сечением 150 x640 мм составляет 45-65 м³/ч, сечением 170x1050 мм 65-80 м³/ч.

Продвижение слитка, при непрерывной разливке стали, через машину непрерывного литья заготовок осуществляется с помощью тянущих валков, расположенных в одной или двух клетях. Обжатия слитка в тянущих клетях не происходит.

По мере опускания нижнего полностью затвердевшего конца слитка от него периодически отрезаются заготовки заданной длины с помощью кислородно-газовых резаков. Заготовки подаются на уровень пола цеха либо по наклонному транспортеру, либо вертикальным лифтом.

МНЛЗ вертикального типа наилучшим образом обеспечивает оптимальные условия кристаллизации и вытягивания слитка. Однако такая установка требует значительной высоты несущих конструкций при расположении машины непрерывного литья заготовок на уровне пола цеха. Возрастают, естественно, и капитальные затраты на строительство разливочного отделения.

Высота МНЛЗ с изгибом слитка и радиальных меньше, чем вертикальных машин непрерывного литья заготовок. Изгиб слитка с переводом его в горизонтальное направление осуществляется на установке вертикального типа после тянущих клетей (рис. 1, б). Резка слитка на заданные длины осуществляется на горизонтальном участке. Известны также установки с изгибом слитка по дуге окружности, начинающейся непосредственно за кристаллизатором.

В машины непрерывного литья заготовок (их еще называют УНРС) радиального типа сам кристаллизатор имеет форму дуги определенного радиуса закругления (рис. 1, в). При выходе из кристаллизатора слиток попадает в жесткие клети вторичного охлаждения, составленные из роликовых секций, охлаждаемых системой водяных форсунок.

Величина радиуса закругления кристаллизатора МНЛЗ определяет в основном высоту установки. Радиус закругления кристаллизатора и клетей вторичного охлаждения рассчитывают таким образом, чтобы при выходе в горизонтальное положение заготовка полностью затвердела. Минимально допустимый радиус закругления, найденный по опытным данным, составляет 30-35 б, где б - толщина слитка, мм.

Из зоны вторичного охлаждения заготовка попадает в правильнотянущие клети, где одновременно с вытягиванием заготовки происходит ее выпрямление.

Меньшая высота МНЛЗ с изгибом слитка стали и радиальных, обеспечивающая лучшие возможности вписаться в габариты разливочных пролетов сталеплавильных цехов, является причиной преимущественного строительства таких машин непрерывного литья заготовок

Типы кристаллизаторов МНЛЗ УНРС. 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 (рис. 1). 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.

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.

Рисунок 1.15. Кристаллизатор МНЛЗ УНРС

Высота кристаллизатора МНЛЗ должна обеспечивать образование достаточно толстой корки в заготовке при выходе, исключающей возможность ее прорыва. 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.

Резка слитков стали. После зоны вторичного охлаждения заготовки выполняют резку слитков стали с помощью газокислородных горелок на куски заданной длины. При поступлении заготовки в зону резания газовый резак, смонтированный на каретке, обеспечивающей ему горизонтальное и вертикальное движение, соединяется с помощью пневматических захватов с заготовкой и двигается со скоростью вытягивания.

Для измерения общей длины заготовки и выдачи сигналов для мерной резки слитков применяют устройства различной конструкции — от простейших крупногабаритных часов с импульсным приводом для указания общей длины заготовки и шаговых искателей для выдачи команды на мерный рез до бесконтактных устройств.

В зависимости от расхода воды и способа вторичного охлаждения температура поверхности заготовки перед резкой слитка стали может колебаться в широких пределах — от 300 до 700° С. Перед резкой слитка край, в месте начала резки подогревается газокислородным пламенем той же режущей горелки. После подогрева переходят на режим резки слитка, осуществляемой при более высоком давлении кислорода [1—1,4 МПа (10—14 ат)]. При скорости резки 270—350 мм/мин общий расход кислорода составляет 90—105 м³/ч.

Скорость кристаллизации слитка стали. В кристаллизующейся заготовке при непрерывной разливке можно выделить три зоны:

• жидкого металла,

• двухфазной области

• затвердевшего металла.

Расстояние от зеркала жидкого металла в кристаллизаторе до места соприкосновения фронтов кристаллизации в центре слитка, так называемая «глубина лунки», определяет общую высоту установки. К месту разрезки заготовок слиток должен быть полностью затвердевшим.

Скорость образования корочки твердого металла в самом кристаллизаторе, как показали исследования, хорошо описывается уравнением: хорошо описывается уравнением.

Средний коэффициент затвердевания заготовок круглого сечения диаметром 170-190 мм равен для низкоуглеродистых сталей 25-26 мм/мин 0,5, для высокохромистых 22-24 мм/мин 0-5, для высоколегированных хромоникелевых и хромоникель марганцовистых сталей 18-20 мм/мин 0,5, наконец, для жаропрочных сталей на никелевой основе 11-13 мм/мин 0,5.

Для обеспечения нормальных условий разливки толщина корочки при выходе слитка из кристаллизатора должна быть не менее 2,5 мм.

При рабочей длине кристаллизатора, равной 100 см, скорость разливки для заготовок низкоуглеродистой стали разных сечений изменяется в следующих пределах:

Сечение, мм	Скорость разливки см/мин
175 х 1070	60 - 75
210 х 1090	55 - 60
280 х 950	45 - 60

Качество слитка стали. Макроструктура прокатанного металла, полученного из слитков непрерывной разливки, во многом зависит от степени развития в них усадочных пороков, а также внутренних горячих трещин и осевой ликвации. Для полного заваривания осевой пористости и внутренних горячих трещин в слитках квадратного и круглого сечения достаточно, чтобы коэффициент вытяжки при прокатке был равен 4-5, а для среднелегированной и инструментальной стали значительно выше, порядка 6-8. В то же время для получения удовлетворительных механических свойств проката достаточно проводить 4-6-кратное обжатие.

При прокатке обычных слитков степень обжатия, как правило, бывает выше 10-20, а при прокатке непрерывного слитка она часто составляет 4-6. Это обстоятельство необходимо учитывать при сравнении качества слитков стали непрерывной разливки, полученных двумя разными способами.

Макроструктура готового сортового проката, полученного из квадратных заготовок непрерывной разливки, бывает плотной, с равномерным распределением ликвирующих элементов. В прокате высоколегированных сталей отмечена более мелкая ледебуритная или цементитная сетка по сравнению с готовым прокатом из обычных слитков, что следует объяснить более быстрым охлаждением металла.

Более высокое качество слитка стали непрерывной разливки по сравнению с обычным приводит к тому, что в ряде случаев для достижения одинаковых механических свойств для непрерывного слитка требуется меньшее обжатие. Так, например, по данным завода «Красное Сормово», с увеличением степени обжатия как непрерывного слитка стали сечением 200 X 200 мм, так и обычного сечением 300 X 300 мм пластические свойства (относительное удлинение и сжатие поперечного сечения) низкоуглеродистой стали заметно возрастают с повышением степени обжатия. В то же время 10-кратное обжатие слитка стали непрерывной разливки обеспечивает такие же значения пластических свойств поперек и вдоль направления прокатки, какие достигаются у образцов из слитка стали обычной разливки только при 22,5-кратном обжатии.

Пластические свойства трансформаторного листа, прокатанного из слитка стали непрерывной разливки сечением 200 X 200 мм, по данным Верх-Исетского завода, также лучше, чем из обычного слитка, что позволило повысить содержание кремния в стали до 4,6—4,7% (вместо 4—4,3%). Относительно большая скорость кристаллизации слитка непрерывной разливки при небольших поперечных размерах обеспечивает равномерное распределение мелких включений по объему металла.

В настоящее время на отечественных заводах на МНЛЗ разливают стали большой группы марок: углеродистые, легированные, инструментальные, электротехнические, нержавеющие и др. Однако стали многих высоколегированных марок и сплавы еще не разливают на этих установках. Непрерывное совершенствование технологии непрерывной разливки (выбор оптимальной температуры разливки, характер возвратно-поступательного движения кристаллизатора, смазки и т. п.) является залогом возможности расширения сортамента сталей, отливаемых на МНЛЗ.