Идея разливки металла в непрерывном режиме принадлежит Г. Бессемеру. Им в 1856 г. была запатентована схема разливки металла между двумя вращающимися роликами. В дальнейшем большинство исследователей стремилось создать МНЛЗ с медным водоохлаждаемым кристаллизатором коробчатого типа, расположенным вертикально. Наибольший технологический рывок был обеспечен при этом З. Юнгхансом, сформулировавшим концепцию возвратно-поступательного движения кристаллизатора, с целью сообщения ему некоторого перемещения относительно поверхности заготовки и предотвращения прилипания твердой корочки заготовки к стенкам кристаллизатора (патент 1936 г.).

История развития, сущность, преимущества и особенности непрерывной разливки стали

Под непрерывной разливкой стали обычно принято подразумевать систему технологий и операций, которые обеспечивают квазинепрерывный перевод жидкой стали, находящейся в сталеразливочном ковше, в твердое состояние в виде заготовок определенной геометрической формы.

Процесс непрерывной разливки металла обеспечивает последовательную (без остановок) разливку определенного количества ковшей, подаваемых от сталеплавильных агрегатов, а получаемая заготовка при этом разрезается на мерные длины в соответствии с требованиями потребителей и затем отправляется на перекат в соответствующие прокатные цехи. При этом выход годной заготовки составляет 98,5-99,5% от массы разлитой жидкой стали. Разливку стали непрерывным способом осуществляют на специальных машинах, называемых машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) , которые имеют определенную конструкционную архитектуру (рисунок 1.1), включающую поворотный стенд для замены сталеразливочных ковшей, промежуточный ковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения заготовки, тянуще правильный механизм и пр.

Рисунок 3.1 - Общая схема непрерывной разливки стали: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - жидкая сталь; 3 - промежуточный ковш; 4 - кристаллизатор; 5 - заготовка; 6 - зона вторичного охлаждения

Существо процесса непрерывной разливки заключается в том, что жидкая сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а далее в интенсивно охлаждаемую сквозную форму прямоугольного, квадратного, круглого или специального фасонного сечения - кристаллизатор, где происходит частичное затвердевание непрерывно вытягиваемого слитка и образуется твердая оболочка, заполненная жидкой сталью по форме и сечению, соответствующая готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы (тянущей клети) поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит ее полное затвердевание. Полученный слиток режется на мерные длины, охлаждается и с помощью рольганга или других транспортных средств направляется в соответствующий прокатный цех или на склад.

При подготовке МНЛЗ к разливке в каждом кристаллизаторе с помощью специального устройства - затравки устраивается сплошное подвижное "дно". Верхний конец затравки, имеющий пазы, вводится в кристаллизатор, ее противоположный конец находится в зацеплении с тянущим устройством.

По мере наполнения кристаллизатора металл затекает в пазы и, быстро затвердевая, образует прочное сцепление с затравкой. Затем включается тянущее устройство, и твердая оболочка с жидкой сердцевиной вытягивается в зону вторичного охлаждения.

Для образования прочной твердой оболочки (корочки металла) стенки кристаллизатора изготавливаются из материала, обладающего высокой теплопроводностью, и интенсивно охлаждаются водой. Для уменьшения трения между коркой (оболочкой) твердого металла и стенками кристаллизатора, предотвращения смачивания стенок кристаллизатора жидкой сталью и создания нейтральной или восстановительной атмосферы на поверхность металла в кристаллизаторе подают жидкую или твердую смазку в виде различных масел, углеводородов, а также экзотермических теплоизолирующих шлаковых смесей. Наряду с этим для предотвращения разрыва оболочки и прилипания корочки металла к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение (качание) с помощью специальных механизмов.

Из кристаллизатора, как уже указывалось, частично затвердевший слиток попадает в зону вторичного охлаждения, которая состоит из опорных элементов (роликов) и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка. Опорные элементы должны, прежде всего, предотвращать деформацию оболочки слитка и искажение ее формы под действием ферростатического давления. Охлаждение осуществляется обычно орошением поверхности слитка водой, расход которой зависит от разливаемой марки стали и скорости вытягивания слитка.

После того, как полностью затвердевший слиток в месте соединения с затравкой выходит из тянущего устройства, затравка отсоединяется от слитка и убирается специальным механизмом, а слиток поступает в устройство для резки.

По окончании разливки остатки слитка выводятся из машины, убирается промежуточный ковш, проводится контроль и настройка действия механизмов и системы охлаждения, затем вновь вводится затравка.

Общие принципы системы технологий непрерывного литья, архитектура МНЛЗ и ее основные функциональные узлы

Основной технологической функцией любой МНЛЗ является перевод стали из жидкого состояния в твердое с приданием получаемой заготовке определенной геометрической формы и обеспечением качественных показателей ее поверхности и внутренней структуры, регламентируемых соответствующими техническими условиями.

Для достижения твердого состояния заготовки необходимо отвести некоторое количество тепла в окружающую среду в течение определенного времени. Для нормального процесса охлаждения необходимо обеспечить движение заготовки с определенной скоростью при регламентированном отводе тепла (охлаждение водой).

Общая схема разливки стали с обозначением основных функциональных узлов и механизмов представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.2 - Сравнение технологических схем производства сортовой заготовки с непрерывной разливкой (а) и с разливкой в слитки и последующей прокаткой (б)

Рисунок 3.3 - Общая схема разливки стали на МНЛЗ

К основным функциональным элементам МНЛЗ можно отнести:

· сталеразливочный стенд (1) - предназначен для размещения на нем сталеразливочных ковшей (2), передачу их из резервного положения в положение разливки и обратно, обеспечения серийной разливки, подъема и опускания ковшей при разливке, а также для непрерывного взвешивания ковшей с металлом;

· тележка промежуточного ковша - служит для удержания его при разливке и перемещения из резервной позиции в рабочую;

· промежуточный ковш (3) - обеспечивает поступление металла в кристаллизатор с определенным расходом хорошо организованной струей, позволяет разливать сталь в несколько кристаллизаторов одновременно и осуществлять серийную разливку методом "плавка на плавку" при смене сталеразливочных ковшей без прекращения и снижения скорости разливки; промежуточный ковш является буферной емкостью, так как с его помощью согласовывается поступление металла из сталеразливочного ковша в кристаллизатор;

· кристаллизатор (4) - предназначен для приема жидкого металла, формирования слитка заданного сечения и первичного его охлаждения (выполняется из меди и охлаждается в процессе разливки водой);

· механизм возвратно-поступательного движения кристаллизатора (5) - создает условия, снижающие вероятность возникновения прорывов корки слитка на выходе из него, а также обеспечивает полное "залечивание" места разрыва, возникшего при движении слитка в кристаллизаторе;

· зона вторичного охлаждения (ЗВО) - позволяет создать оптимальные условия для полного затвердевания непрерывно отливаемого слитка, обеспечивающие равномерное охлаждение заготовки (распыления воды форсунками (6), поддержание ее геометрической формы роликами (7) (предотвращение выпучивания) и требуемое качество металла;

· тянуще - правильная машина (ТПМ) - предназначена для вытягивания литой заготовки из кристаллизатора, выпрямления ее на радиальных и криволинейных устройствах и подачи к машине (механизму) для резки; ТПМ обеспечивает подачу затравки в кристаллизатор, удержание ее в кристаллизаторе на время уплотнения зазоров, вытягивание с непрерывнолитой заготовкой из кристаллизатора, отделение головки затравки от заготовки и т.п.;

· машина (механизм) для резки заготовок (8) - обеспечивает разделение непрерывнолитого металла на мерные длины в соответствии с требованиями потребителей;

· затравка (9) - предназначена для образования временного "дна" в кристаллизаторе перед началом разливки и последующего вытягивания со сцепленной заготовкой ТПМ;

· устройство для электромагнитного перемешивания (10) - позволяет повысить качество заготовки.

Основные типы МНЛЗ и их классификация

Конструкционное оформление МНЛЗ постоянно развивается и совершенствуется в течение всего периода их применения в промышленности. Основные конструктивные и технологические решения обычно направлены на повышение производительности МНЛЗ, ее компактности, обеспечение высокого качества заготовки, снижение трудоемкости процесса, уменьшение энергозатрат и повышение обеспеченности автоматическими системами управления. Наиболее важными вопросами при этом являются рациональная конфигурация, расположение и протяженность главной технологической оси, профиль поперечного сечения заготовки, совмещение дискретного характера подачи стали от плавильного агрегата с непрерывной работой МНЛЗ и т.п.

Первоначально (50-е и 60-е годы прошлого столетия) МНЛЗ имели вертикальную архитектуру (рисунок 1.8 а), включая участок порезки заготовки на мерные длины.

Рисунок 3.4 - Схема вертикальной (а) и вертикальной с загибом (б) МНЛЗ

Преимущества таких МНЛЗ заключаются в том, что все процессы формирования заготовки происходят в вертикальной плоскости (так же, как и у слитка). Это обеспечивает получение высокого качества внутренней структуры заготовки и упрощает конструкцию машины в целом.

Между тем вертикальные МНЛЗ имеют достаточно серьезные ограничения по скорости разливки (а, следовательно, производительности), поскольку ее повышение предполагает увеличение технологической длины машины и существенное удорожание оборудования. Однако развитие кислородно-конвертерного процесса, бурно происходившее именно в 60-е и 70-е годы прошлого века, обусловило существенное увеличение удельной производительности конвертеров как за счет уменьшения цикла плавки, так и за счет повышения ее массы. Поэтому развитие конструкции МНЛЗ в этот период характеризуется стремлением повысить их производительность за счет увеличения скорости разливки и количества ручьев. Это обусловило тот факт, что более поздние конструкции вертикальных МНЛЗ предусматривали загиб заготовки после ее затвердевания (рисунок 3.4 б) и порезку заготовки при ее расположении в горизонтальной плоскости. Загиб заготовки при этом осуществлялся как по одноточечной, так и по многоточечной схемам. Существенным преимуществом таких машин является улучшение условий выдачи заготовки на холодильник. В настоящее время вертикальные МНЛЗ используются довольно редко и в основном для получения высококачественного блюма и сляба.

В 70-е и 80-е годы прошлого столетия наибольшее распространение при разливке стали получили МНЛЗ радиального типа (рисунок 3.5). Конструктивной особенностью таких машин является наличие кристаллизатора определенного радиуса (соответствует базовому радиусу МНЛЗ R_o), что обеспечивает получение радиальной технологической линии. После затвердевания заготовки осуществляется ее разгиб и выдача готовой заготовки на холодильник в горизонтальной плоскости.

Рисунок 3.5 - Схема МНЛЗ радиального типа (Ro - базовый радиус)

Преимущества радиальных МНЛЗ перед вертикальными заключаются в том, что металлургическая длина машины при том же ферростатическом давлении увеличивается примерно в 1,5 раза, вследствие чего уменьшается высота машины, возрастает скорость разливки и производительность агрегата. Кроме того, выдача заготовки на холодильник осуществляется в горизонтальной плоскости. Недостатки таких МНЛЗ относятся, главным образом, к качеству заготовки, которое, как правило, несколько ниже, чем у заготовок, отлитых на вертикальной машине. Это объясняется всплытием неметаллических включений в кристаллизатор к стенке малого радиуса и возможным появлением внутренних трещин, возникающих при разгибе заготовки. Последний недостаток в значительной степени устраняется путем применения системы многоточечного разгиба. В настоящее время радиальные МНЛЗ используются преимущественно для получения сортовой и блюмовой заготовки.

Заключение