книги / Металлургия черных и цветных металлов

полузаводских испытаний в 50-х годах процесс переходит в про­ мышленное внедрение в ряде сталеплавильных цехов машино­ строительных заводов и металлургических комбинатов как оте­ чественных, так и зарубежных. Быстрое развитие непрерывной разливки стали является следствием современности способа, его необходимости и подготовленности развитием самого стале­ варения, смежных отраслей и всем развитием науки и техники. Первоначальный вариант быстро совершенствуется, появляются новые разновидности, растет их производительность, и все боль­ шее число марок стали становится возможным разливать на МНЛЗ. Непрерывная разливка овладевает все более производ­ ством, так что в наше время в ряде стран становится домини­ рующим способом разливки стали (до 80 %).

Рассмотрим непрерывную разливку стали на примере ма­ шины вертикального типа (рис. 1Х.23).

§ 2. Основы технологии и конструкции машин непрерывной разливки стали

Расплав непрерывно заливается из сталеразливочного ковша 1 через промежуточный ковш 2 в интенсивно охлаждаемую форму — кристаллизатор 3. Заливка в кристаллизатор произво­ дится после введения в его нижнюю часть затравки, попереч­ ное сечение которой равно сечению отливаемого слитка. Верх­ ний конец затравки образует на первый момент заливки дно кристаллизатора и, кроме того, имеет вырез в форме ласточ­ кина хвоста. При интенсивном охлаждении и кристаллизации быстро образуется корочка слитка. Формирующийся слиток снизу сцепляется через ласточкин хвост с затравкой. Начав­ шаяся заливка не прерывается, при достижении,уровня металла над затравкой 300—400 мм включается механизм вытягивания заготовки. При разливке расплав занимает уровень 100—120 мм ниже верхней кромки кристаллизатора. Непрерывное вытяги­ вание слитка из кристаллизатора производится со скоростью 0,5—1,5 м/мин для крупных сечений (шириной 150—300 мм) и 4—8 м/мин для заготовок мелкого сечения. Из кристаллизатора слиток 4 с еще жидкой сердцевиной поступает в зону вторич­ ного охлаждения 5, состоящую из брусьев или роликов и группы мощных форсунок, подающих воду непосредственно на поверх­ ность слитка. Брусья или холостые ролики предохраняют по­ верхность слитка от выпучивания корочки, особенно по широ­ ким граням, что может происходить от внутреннего давления столба жидкой стали. В результате интенсивного охлаждения быстро растет твердая корочка слитка. Степень охлаждения и скорость вытягивания слитка подбирают так, чтобы жидкая сердцевина слитка затвердевала перед входом слитка в зону действия тянущих роликов 6. Сформировавшийся слиток разре­

зается газовой резкой 7 на заготовки заданной длины. Резка происходит при движении резака вместе со слитком вниз. Отре­ занная заготовка самоукладывается в кантователь, а резак воз­ вращается в исходное .положение. Под действием массы заго­ товки кантователь опрокидывает заготовку на подъемник 8, передающий на рольганг 9, и заготовка отправляется на кон­ троль, удаление дефектов и далее на склад или дальнейшую переработку в прокатных цехах.

Кристаллизатор — важнейшая часть МНЛЗ, основное техно­ логическое звено непрерывной разливки. В значительной мере кристаллизатором создается качество слитка. Его основное на­ значение— сформировать профиль заготовки, положить начало формированию стенок слитка. Конструкция кристаллизатора должна обеспечить безопасность эксплуатации машины, создать интенсивный теплоотвод и иметь высокую стойкость. Кристал­ лизатор работает в тяжелых условиях и особенно в экстремаль­ ных условиях — его внутренняя часть. Внутренняя стенка по­ стоянно в контакте с расплавом, образующаяся корка слитка производит истирающее действие, расплав создает на стенку ферростатическое давление. В зоне контакта с расплавом стенка имеет температуру 250—300 °С. Опытом определился наилучший материал для кристаллизатора — медь, которую иногда легируют хромом или серебром для повышения темпе­ ратуры разупорядочения. Медь дает возможность создать через стенку кристаллизатора тепловой поток, достигающий 2,0^ 2,5 МВт/м2. Охлаждение обеспечивается водой, которая должна быть тщательно очищена и для предупреждения выпадения не­ растворимого осадка не должна нагреваться выше чем на 10— 15 °С. Для этого скорость потока воды должна быть равна 5— 10 м/с, а общий расход воды на кристаллизатор достигает 500—600 м3/ч для слитка сечением 250x1850 мм.

У нас более распространены сборные кристаллизаторы из че­ тырех медных рабочих стенок, отдельно крепящихся шпильками к стальной плите. Охлаждающая вода протекает между рабо­ чими стенками и стальной плитой или непосредственно в кана­ лах толстых медных пластин. При промежуточном ремонте из­ ношенный слой рабочих пластин в несколько миллиметров сни­ мается. Конструкция, материал и уход позволяют обеспечить стойкость кристаллизатора, при которой разливают 100— 150 большегрузных плавок или десятки тысяч тонн стали между ремонтами. Сборные кристаллизаторы проще в изготовлении, дешевле, более универсальны — применимы для вертикальной, криволинейной и радиальной разливки и позволяют менять се­ чение заготовки. Существуют кристаллизаторы блочные и гиль­ зовые, более трудные и дорогие в изготовлении, более пригод­ ные для отливки мелких профилей.

Непрерывной разливкой стали можно получить слитки раз­

ного сечения для последующего проката на лист, сорт, трубы и т. д. Круглый слиток характеризуется наименьшей поверхно­ стью охлаждения и склонностью к образованию внутренних

инаружных трещин. Для круглого слитка характерно накоп­ ление всех дефектов в центре слитка, обусловленных ликвацией

иусадкой. В слитках квадратного и прямоугольноо профиля те же пороки проявляются меньше, так как при большей удель­ ной поверхности достигается повышенная скорость охлаждения.

Качество слитка непрерывной разливки в значительной сте­ пени определяется прочностью первичной корочки. Слабая ко­ рочка может разорваться при вытягивании из-за трения стенки кристаллизатора; может происходить выпучивание между бло­

ками или роликами, особенно по широкой грани, под действием ферростатического давления. Обычная толщина корочки при выходе слитка из кристаллизатора 15—25 мм.

Для уменьшения трения между слитком и стенкой кристал­ лизатора в зазор между ними автоматически подается смазка из масел или парафина. Эффективно пользование при разливке шлаком: он легко и быстро проникает в зазор между стенкой кристаллизатора и корочкой слитка и создает на стенке гарнисаж. Кроме этого, шлак прикрывает зеркало металла, умень­ шает вторичное окисление, поглощает неметаллические вклю­ чения.

Прилипание корочки слитка к стенке кристаллизатора, воз­ никновение коробления создают условия для зависания слитка в кристаллизаторе и образования по этой причине разрывов ко­ рочки. Разрывы портят качество слитка и могут дать начало аварийному состоянию. Чтобы предотвратить зависание, обес­ печить смазку между слитком и кристаллизатором, а главное обеспечить залечивание разрывов самозавариванием корочки, кристаллизатор находится в состоянии постоянного возвратно­ поступательного движения. Механизм качания рамного типа с электрическим или гидравлическим приводом обеспечивает движение кристаллизатора вдоль его же оси. Амплитуда кача­ ния 5—50 мм с частотой Ю до 150 циклов в минуту.

Для ускорения затвердевания, сокращения протяженности жидкой фазы внутри слитка, создания условий ускорения вы­ тягивания за кристаллизатором всегда следует зона вторичного охлаждения, после которой слиток оказывается окончательно затвердевшим. Интенсивное охлаждение не должно создавать опасных термических напряжений с образованием трещин или искажения профиля. В последнем направлении особенно дейст­ вует ферростатическое давление жидкого металла, которое вы­ пучивает стенку слитка по граням, особенно широким. Для предотвращения этого в зоне вторичного охлаждения устанав­ ливают рймы с поддерживающими роликами или брусьями. Слиток охлаждается непосредственно водой, особенно эффек­

тивно охлаждение водо-воздушными форсунками. Коробление, вздутие слитка может быть и от неравномерного охлаждения.

Тянущую клеть вертикальной МНЛЗ составляют массивные приводные ролики с механическим или гидравлическим поджи­ мом. Клеть обеспечивает постоянство заданной скорости вытя­ гивания слитка. Усилие вытягивания слитка, равное силе тре­ ния между поверхностью слитка и рабочей стенкой кристалли­ затора, приближенно определяется по формуле

Р =pS/>cp,

где ц — коэффициент трения; S — площадь контакта слитка и стенки; рср — средняя величина ферростатического давления на стенку. Так как коэффициент трения сравнительно невелик, то потребляемая мощность на вытягивание неизмеримо (на по­ рядки) меньше мощности, необходимой для обжатия слитка до профиля получаемой заготовки. Понятно, что это уже огромный технико-экономический эффект и положительная сторона МНЛЗ.

Законы отвердевания непрерывного слитка остаются теми же, что для слитка, отлитого в изложницу. Но условия форми­ рования непрерывного слитка настолько отличаются, что обу­ словливают существенно лучший слиток по строению, однород­ ности и чистоте.

Почти с самого начала непрерывная разливка имеет квазистационарный характер, при котором количества подводимого и затвердевающего металла равны, а в каждом сечении слитка имеет меСто строгое соответствие скорости затвердевания коли­ честву отведенного тепла. Квазистационарный характер поддер­ живается тем, что непрерывная разливка всегда производится через промежуточное устройство. Это определяет постоянный ферростатический напор столба жидкого металла, а следова­ тельно, скорость его истечения из промежуточного ковша в кри­ сталлизатор. Этим обусловлены стабильность глубины и кон­ фигурации лунки расплава, форма и размер всей жидкой ванны и стационарность кинетический энергии струи. Это опре­ деляет постоянство изменения температуры и плотности рас­ плава, а все вместе создает постоянство гидродинамики жидкой ванны. В жидкой ванне имеются три участка: зона вынужден­ ной циркуляции, вызванной кинетической энергией струи; зона конвективного переноса из-за разности плотностей металла; застойная зона, в которой потоки затруднены наличием твердой фазы. Первая зона занимает большую часть объема расплава, иногда до вторичного охлаждения: каждая зона переходит по­ степенно в следующую. Характер и интенсивность потоков в первой зоне определяется подводом расплава, высотой паде­ ния струи, ее структурой, ферростатическим напором, формой и диаметром разливочного стакана и другими факторами. При

малом сечении кристаллизатора и особенно при плоских слит­ ках перечисленные факторы воздействуют гораздо сильнее рас­ четн ы х на условия разливки в изложницы. Особенно сильно проявляются все гидродинамические факторы при затвердева­

оболочки и неравномерность условий охлаждения. Для подав­ ления этого явления при отливке плоских слитков разливают «под уровень» через удлиненные стаканы с боковыми отвер­ стиями, направляющими струи металла параллельно широким граням и создающими циркуляцию расплава в горизонтальной плоскости с петлеобразной формой потоков. Выходные отвер­ стия в стакане-дозаторе, расположенные под углом, способст­ вуют направлению струи с усилением циркуляции в вертикаль­ ной плоскости. Стойкие дозаторы выполняют из стабилизиро­ ванного диоксида циркония. Эти стаканы улучшают разливку, имеют долгий срок службы, так как не «затягиваются» и не размываются. Установлено, что начальная осевая скорость струи при истечении в затопленное пространство может достичь 140^—170 см/с с глубиной проникновения до 120 см.

Более высокое качество непрерывного слитка по сравнению со слитком, отлитым в изложницу,— не единственное преиму­ щество. Следующее состоит в экономичности способа непрерыв­ ной разливки. Сама организация технологии непрерывной раз­ ливки предполагает высокий выход годного проката. При непре­ рывной разливке головная усадочная раковина появляется только при окончании разливки в конечной части слитка и по­ теря на обрезь металла несравнимо мала с обрезью слитков, отлитых в изложницы. Переход на непрерывную разливку уве­ личивает производство стали. Экономичность способа подтверж­ дает опыт работы Новолипецкого металлургического комбината, где всю сталь разливают на МНЛЗ. Выход годных слябов до­

и тонкого листа (до 4 мм) — 1,088. Некоторые экономисты счи­ тают, что непрерывная разливка увеличивает выход годного

на 15 %.

Высокая степень механизации технологических процессов, постоянство условий разливки и кристаллизации, отливка не­ прерывных слитков меньшего сечения, чем слитки, отливаемые в изложницы, квазистационарность условий разливки и отвер­ девания, интенсивность теплоотвода, определяющего высокую скорость кристаллизации обеспечивают в непрерывном слитке меньше загрязнений примесями и неметаллическими включе­ ниями, более однородный состав и более однородную кристал­ лическую структуру. Качество непрерывного слитка повыша­

ется, е с л и п р и м е н я т ь з а щ и т н ы е ш л а к и н а поверхности м е т а л л а

Рис. IX.25. Схема МНЛЗ горизонтального типа

металл в кристаллизатор, состоящий из металлического кор­ пуса и огнеупорной полой втулки, выполненной из нитрида бора, карбида кремния и т. п.; кристаллизатор 3 медный или комбинированный (например, медь — графит) холодильник, ох­ лаждаемый водой; вторичное охлаждение 4 с охлаждаемым рольгангом из поддерживающих и направляющих роликов и форсунками, чаще водо-воздушными; тянущее устройство 5, обеспечивающее периодическое вытягивание слитка; устрой­ ство для резки 6.

Особенно ответственный участок горизонтальной МНЛЗ — узел сочленения металлоприемника и кристаллизатора. Наибо­ лее отработано и чаще прйменяется жесткое соединение с креплением на жесткой или подвижной плите. Для горизон­ тальных МНЛЗ характерны: компактность, простота и удоб­ ство обслуживания, низкие капитальные затраты. На этих ма­ шинах успешно разливают свинец, алюминий и его сплавы, кад­ мий, медь и сплавы на ее основе. Разливается и сталь на заготовки круглого и квадратного сечений до 130Х130 мм2. Установки могут быть многоручьевыми с производительностью до 150—200 т/ч. Горизонтальные МНЛЗ легко могут совме­ ститься с прокатным станом, образуя непрерывную технологи­ ческую линию. На этих машинах возможно и имеется опыт по­ лучения слитков для электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Положительной особенностью горизонтальных ма­ шин является то, что малое ферростатическое давление исклю­ чает вспучивание слитка по граням. Недостаток состоит в не­ симметричности условий охлаждения и кристаллизации слитка, что создает возможности трещинообразования, разрыва корки и появления внутренних трещин.

Для технологии разливки на горизонтальных МНЛЗ харак­ терно вытягивание периодичное с кратковременными останов-

нами на 0,8—3 с, при этом в сечении между металлоприемником и кристаллизатором образуются спай, рубец, возможно об­ разование трещин и брака слитка.

Последнее время получили распространение машины полу­ непрерывного литья заготовок МПНЛЗ. Эти машины распро­ странены в металлургических цехах машиностроительных заво­ дов для получения заготовок от 300 до 560 мм, заготовок для крупных поковок ряда сечений, электродов для переплавных процессов. На МПНЛЗ обычно отличают слитки длиной 10— 15 м. Это вертикальные машины без газовой резки. Зона вто­ ричного охлаждения из массивных брусков скреплена в еди­ ную раму. Слиток полностью вытягивается из кристаллизатора, после выдержки вся конструкция под кристаллизатором вместе со слитком поворачивается на 90°, и слиток выдается на роль­ ганг, где от него отделяется затравка.

Следует отметить, что в наше время машиностроение про­ изводит до 2 млн. т поковок, а значит, что при потреблении слитков, отлитых в изложницы, теряется в отходы до 0,5 млн. т металла. При полном оснащении машиностроительных заводов МПНЛЗ количество теряемой стали было бы намного сокра­ щено.

§ 4. Кристаллизация непрерывного слитка

При непрерывной разливке в любом сечении слитка сохраня­ ется постоянство тепловых потоков и распределения темпера­ тур с четкой направленностью нормально к технологической оси. В первый момент контакта жидкой стали с холодной стен­ кой кристаллизатора тепловой поток максимальный —до 2 кВт/(м2-К). Однако эта величина примерно в 5—8 раз ниже подсчитанной, что свидетельствует об отсутствии плотного кон­ такта корочки слитка и стенки кристаллизатора. Наибольший контакт возникает у только что появившейся корочки, которая, утолщаясь, сжимается и отходит от стенки кристаллизатора. Утолщенная корочка, увеличившийся зазор между коркой и стенкой и заполнение его газами ухудшают теплоотвод. Уча­ сток корки, отошедший от стенки, быстро прогревается, оплав­ ляется, становится тоньше и вновь прижимается к стенке ферростатическим напором. Возникает пульсационный характер контакта корка — стенка кристаллизатора, а следовательно, теплоотвода и роста толщины корочки слитка. Когда толщина, а следовательно, и прочность корки становятся такими, что вы­ держивают ферростатический напор между слитком и стенкой кристаллизатора, образуется постоянный зазор, что стабилизи­ рует условия и интенсивность теплоотвода. Для слитка углеро­ дистой стали сечением 150X1500 мм2 устойчивый зазор образу­ ется на расстоянии 150—200 мм от мениска по узкой и на 600—