Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Факультет/Институт ОЧНЫЙ/МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Реконструкция отделения непрерывной разливки стали конвертерного цеха

Гусев Н.Е.

Липецк 2022 г.

АННОТАЦИЯ

конвертерный цех механизм dуnаflех

С. Ил. Литература назв.

В выпускной квалификационной работе приведен комплекс механического оборудования отделений конвертерного цеха № 2 ПАО «НЛМК».

Рассмотрено типы и конструкции машин непрерывного литья заготовок и их составных частей. Описаны механизмы качания кристаллизатора, отмечены особенности механизм Dуnаflех.

Предложена модернизация механизма качания, направленная на повышение надежности и долговечности работы кристаллизатора.

Произведены силовые и прочностные расчеты механизма качания Dуnаflех.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Комплекс механического оборудования конвертерного цеха №2 ПАО «НЛМК»

1.1 Установка дусульфурации чугуна

1.2 Конвертерное отделение

1.3 Отделение непрерывной разливки стали

1.4 Приемно-транспортный участок и склад слябов

1.5 Основное технологическое и крановое оборудование

2. Установки непрерывной разливки стали

2.1 Типы машин непрерывного литья заготовок

2.2 Общая схема компоновки машин непрерывной разливки стали

2.3 Конструкция зоны вторичного охлаждения

2.4 Конструкция поддерживающих устройств

2.5 Роликовые проводки

2.6 Технология непрерывной разливки в КЦ-2

2.7 Конструкция кристаллизатора

2.8 Механизмы качания кристаллизатора

2.9 Автоколебания в процессе разливки стали

2.10 Механизм качания Dуnаflех

3. Модернизация элементов привода качания кристаллизатора

4. Расчет на прочность элементов привода качания кристаллизатора

4.1 Определение усилий, действующих на привод механизма качания

4.2 Расчет на прочность штока привода

4.3 Расчет соединения штока привода и стола кристаллизатора

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие металлургического производства характеризуется стремлением повысить производительность плавильных агрегатов и технико-экономические показатели процесса, улучшить качество выплавляемого металла и облегчить условия труда обслуживающего персонала.

Современная технология выплавки характеризуется высокопроизводительными, энергосберегающими плавильными средствами, наличием развитой технологии внепечной (ковшевой) обработки жидкого металла и разливкой его на машинах непрерывного литья заготовок. Повышение качества и свойств металлопродукции средствами внепечной обработки позволяется металлургическим предприятия сертифицировать металлопродукцию, получать от потребляющих фирм и предприятий соответствующие доплаты, что существенно улучшает экономические показатели производства.

В настоящее время около 80% всей производимой стали в мире разливается на установках непрерывной разливки стали (вертикальных, радиальных и криволинейных). В современных условиях для увеличения производства слябов различного сортамента при постоянно повышающихся требований к их качеству строятся как новые металлургические агрегаты с высокой степенью надежности, так модернизируется действующее оборудование кислородно-конвертерных цехов.

Программа технического перевооружение и развития ПАО «НЛМК», предусматривается увеличение выплавки стали с 3,8 млн. тонн до 5 млн. тонн в год. В связи с этим устаревшая конструкция вертикальной установки непрерывной разливки стали (УРНС) с низкой степенью автоматизации заменяется на высокопроизводительную криволинейную двузручьевую УНРС. В одном блоке отделения непрерывной разливки стали будут работать две криволинейные УНРС с более высокой скоростью разливки. Производительность каждой криволинейной УНРС составит около 2 млн. тонн стали в год.

Анализ работы механизмов и узлов УНРС показал, что с точки зрения надежности, слабым звеном в установке является привод механизма качания кристаллизатора.

Целью выпускной квалификационной работы является модернизация механизма качания кристаллизатора установки непрерывной разливки стали №6, действующей в конвертерном цехе №2 ПАО «НЛМК».

1. КОМПЛЕКС МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ЦЕХА №2 ПАО «НЛКМ»

В последние годы кислородно-конверторный способ получения стали стал ведущим, вытеснив ранее господствовавшим мартеновский способ, и в этой связи обеспечивает выплавку большей части мирового производства стали.

Первоначально предполагалось выплавлять в кислородных конверторах рядовые углеродистые стали, в основном низкоуглеродистые для производства тонкого листа. Теперь этим способом выплавляют высокоуглеродистые и легированные стали, не уступающие мартеновской соответствующих марок. Кислородно-конвертерный способ развивается прогрессирующими темпами.

Увеличение производства стали будет происходить и дальше благодаря строительству новых мощных кислородно-конверторных цехов при полном прекращении строительства мартеновских печей.

Такое изменение структуры сталеплавильного производства диктуется значительными технико-экономическими преимуществами кислородно-конвертерного способа выплавки стали по сравнению с мартеновским: более высокая производительность на единицу выплавляемой стали , меньшие капитальные затраты, более благоприятные условия для механизации и автоматизации производственных процессов и совмещения процесса выплавки стали с её непрерывной разливкой.

Производительность большегрузного кислородного конвертора в несколько раз превышает производительность самых мощных мартеновских печей. Кислородно-конверторный цех № 2 НЛМК с двумя конвертерами емкостью по 350 т каждый, при автоматизации и механизации производства выдает плавки с циклом 35…40 мин, что соответствует производительности 5 млн. т. в год.

В технологическом процессе кислородно-конвертерное производство является одним из звеньев полного металлургического цикла.

Сырьем для работы кислородно-конвертерного комплекса является продукция алгодоменного передела. Продукцией являются слябы различного сортамента, которые в свою очередь либо продаются, как готовая продукция, либо используются, как сырье в прокатном переделе[1].

В настоящее время в ПАО «НЛМК» сталь получают в двух конвертерных цехах (КЦ-1 и КЦ-2) (рис. 1.1).

В состав цеха входят следующие производственные отделения:

- установка доводки чугуна (УДЧ);

- миксерное, с двумя миксерами емкостью по 2500 т (в настоящее время миксеры не работают);

- конвертерное, с двумя конверторами емкостью по 350т;

- отделение непрерывной разливки стали (ОНРС) с пятью машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) криволинейного типа для отливки слябов;

- приемно-травильный участок и склад слябов.

Производительность первой очереди конвертерного цеха 4 млн. годных слябов в год.

1.1 Установка десульфурации чугуна

Чугун поступает из доменных цехов ДЦ-1 и ДЦ-2 в конвертерный цех и попадает на установку десульфурации чугуна. На этой установкепроисходит процесс понижения содержания серы в чугуне. Сера придает стали красноломкость, то есть при высоких температурах сталь становится более хрупкой.

1.2 Конвертерное отделение

Конвертерное отделение располагается в 4-х пролетном здании с двумя шихтовыми открылками.

В соответствии с назначением пролеты имеют следующие названия: конвертерный, загрузочный, шлаковый и ковшевой.

В конвертерном пролете шириной 30 м и высотой (до верха кровли) 64,7 м устанавливаются: два конвертера емкостью по 350 т, установки кислородных конвертерных фурм, котлы-охладители конвертерных газов, оборудование системы тракта подачи сыпучих, электропомещения, венткамеры и мелкие служебные помещения.

Для обслуживания конвертеров в пролете установлены два 80-ти тонных мостовых крана. Для расположения и обслуживания оборудования пролеты на отметках + 11,5 м; + 23,4 м; + 36,6 м; + 42,0 м; +52,5 м; + 54,0 м и +56,4 м перекрыты площадками.

В загрузочном пролете шириной 30 м и высотой (до верха головки подкранового рельса) 30 м, устанавливаются два заливочных крана грузоподъемностью по 400-100/16 т и одна полупортальная машина грузоподъемностью по 325…300 т со специальном траверсой для захвата шлаковых ковшей емкостью по 16 . В торце пролета уложены два тупиковых железнодорожных пути для подачи в цех шлаковозов. В ковшевом пролете шириной 24 м и высотой (до верха головки подкранового рельса) 20 м располагается оборудование для ремонта и подготовки к плавке сталеразливочных ковшей. Обслуживается пролет двумя кранами грузоподъемностью по 125…300 т и двумя консольными кранами грузоподъемностью по 5 т.

В каждом из шихтовых открылках сооружено по одной яме, для хранения скрапа, вдоль которых уложен железнодорожный путь для приема совков со скрапом и железнодорожный думпкар. Каждый открылок оборудован двумя мостовыми кранами; Магнитно-грейферным грузоподъемностью 15 + 15 т и краном с поворотной тележкой (для разворота совков со скрапом) грузоподъемностью 130 т.

Конвертер емкостью 350 т симметричной конструкции, глуходонный, с опорным кольцом и двухсторонним навесным приводом мощностью 720 кВт. Привод рассчитан на выпуск плавок весом до 350 т (по жидкому). Конвертер снабжен литой горловиной и водоохлаждаемыми цапфами. Вес конвертеров с приводом и футеровкой 1914 т. Вес футеровки - 710 т.

Рабочий объем конвертера - 268 . Диаметр корпуса (снаружи) - 8814 мм, высота корпуса - 10770 мм. Диаметр горловины (внутри) - 3430 мм, глубина ванны - 1897 мм.

Скорость поворота конвертера - 0,1…1,0 об/мин. Смазка механизмов централизованная от двух маслостанций. Цикл плавки в конвертере - 36 мин.

Для каждого конвертера предусмотрено две кислородные фурмы (рабочая и резервная), механизмы подъема которых установлены на общей передвижной платформе. Фурмы рассчитаны на подачу кислорода с расходом до 1500 /мин. Скорость подъема фурм - 0,2…0,73 м/мин, скорость перемещения платформы при замене рабочей фурмы резервной - 0,12 м/мин. Ход фурмы - 17250 мм.

1.3 Отделение непрерывной разливки стали

Отделение непрерывной разливки стали (ОРНС) размещается в отдельном здании, расположенном параллельно конвертерному отделению, с которым оно соединено крытой галереей и тремя железнодорожными путями, из которых два - широколинейный сталевозные пути и один вспомогательный с нормальной колеей.

Здание ОНРС состоит из семи пролетов, в пяти из которых (шириной по 30 метров каждый) расположены УНРС, в одном пролете - шириной 24 м расположен участок ремонта и подготовки промежуточных ковшей, в другом - шириной 36 м расположен участок подготовки технологического оборудования и приемно-сдаточный участок.

В 12-ти метровой вставке, отделяющей полет ремонта промежуточных ковшей от разливочных, расположено оборудование энергосистем и КИП. Ширина здания 223 метра, длина первой очереди строительства 234 метра.

Сталеразливочные ковши с металлом из конвертерного отделения в ОНРС подаются сталевозами по железнодорожным путям, проходящим через все разливочные пролеты.

В разливочных пролетах принято двухярусное расположение кранов. Передача ковша с металлом со сталевоза на установку для продувки стали аргоном, транспортировка и установка его на передвижной сталеразливочный стенд УНРС, а также слив шлака и установка отработавшего ковша на сталевоз осуществляется литейным краном грузоподъемностью 450-100/20 т со скоростью главного подъема 10м/мин.

Отметка головного подкранового рельса +35,5 м. Передача на УНРС промежуточных ковшей, аварийных емкостей, шлаковых смесей, ремонт оборудования УНРС, а также операции по перестановке шлаковых чаш, контейнеров с сечкой и др. производится краном грузоподъемностью 80/20 т, отметка головки подкранового рельса которого +24 метра.

Принятая схема разливочных пролетов и УНРС обеспечивает возможность независимой подачи сталеразливочных ковшей от каждого конвертера к любой УНРС. Пять УНРС первой очереди цеха расположены по одну сторону от сталевозных путей в одном блоке.

Помещение насосно-аккумуляторной станции, электротехнического оборудования с кабельным подвалом и тоннелями размещены в строительной части блока УНРС и непосредственной близости от энергопотребителей и не занимают в цехе дополнительных площадей.

Строящиеся УНРС оборудованы передвижными двухпозиционными стендами для сталеразливочных ковшей с устройствами для подъема.

В конструкции узлов УНРС внесен ряд таких усовершенствований как устройство для быстрой установки и выверки кристаллизаторов, безредукторный привод механизма качания кристаллизатора и балок, затравка с возвратными камерами для упрощения заведения ее в кристаллизатор: устройство для обслуживания секции зоны вторичного охлаждения, облегчающее их ремонт; устройство для грануляции шлама, образующегося при газовой резке, устройство для маркировки слябов, устройство для механизированной подачи в кристаллизатор технологических смемей и т.д.

Проектом предусматривается возможность получения на УНРС литых слябов сечениями 250…350Ч1150…2200 метров.

УНРС имеет следующие технологические параметры: технологическая длина - 31 метр, в том числе радиального участка - 13,5 м (по дуге с радиусом 12 м), длина криволинейного участка - 9,1 м и горизонтального участка - 8,4 м. Технологическая длина УНРС позволяет разливать сталь в слябы толщиной 250 мм с линейной скоростью вытягивания до 1,7 метров в минуту и в слябы толщиной 300 мм со скоростью до 1,2 метра в минуту.

Механизмами УНРС обеспечивается скорость разливки в пределах 0,1…1,6 метра в минуту.

Общий вес технологического оборудования пяти УНРС с приемными рольгангами - 37000 тонн.

Разливку стали производят методом «Плавка на плавку» крупными сериями в пределах стойкости кристаллизаторов.

Время разливки принято кратным циклу плавки и равным 72 мин. Предусматривается возможность разливки плавок за 54 и 36 минут (для ограниченного сортамента слябов). С целью выравнивания температуры жидкой стали и улучшения качества отливаемых на УНРС слябов в каждом из пяти разливочных пролетов предусмотрено по одной установке для продувки стали в ковше аргоном.

1.4 Приемно-транспортный участок и склад слябов

Для приема и транспортировки слябов от УНРС, а также для организации охлаждения, осмотра, резки, зачистки, хранения и отгрузки их железнодорожным транспортом проектом предусмотрены приемно-транспортный участок и склад слябов.

1.5 Основное технологическое и крановое оборудование

В составе приемно-транспортного участка предусмотрена установка следующего оборудования:

- Транспортных рольгангов общей длиной 96 м, предназначенных для транспортировки к уборочных устройствам слябов по одному или в стопах весом до 120 т;

- 2-х уборочных устройств с перекладчиками слябов кранового типа грузоподъемностью 60 т. Стеллажами и передаточными тележками грузоподъемностью 240 т. Устройства предназначены для набора стоп слябов и выдачи их в зоны действия мостовых кранов.

Оборудование приемно-транспортного участка рассчитано на объем производства при полном развитии КЦ-2 и позволяет транспортировать, собирать и выдавать на склад 1000 тонн слябов в час.

На складе слябов предусмотрено 3 технологических зоны. В 2-х пролетной части склада расположены зоны охлаждения, осмотра, зачистки слябов. Трехпролетная часть склада для хранения и отгрузки железнодорожным транспортом годных слябов.

Общая емкость склада слябов - 100000 тонн.

Транспортировка слябов, а также погрузка их в железнодорожный транспорт, производится с помощью 8-ми клещевых кранов грузоподъемностью 120 т. При погрузке слябов в полувагоны по одному на кран грузоподъемностью 120 т вместо клещей навешиваются магнитные траверсы. Загрузка кранов грузоподъемностью 120 т в часовом размере составляет 55…63%.

Раскладка и кантовка слябов в зонах осмотра и зачистки производится с помощью двух полукозловых кранов грузоподъемностью 40 т. Зачистка слябов и резка концов предусмотрена с помощью газовых резаков и переносных машин газовой резки, Производительность участков зачистки 500 т слябов в час.

2. УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

В последнее время развитие черной металлургии в мире характеризуется широким использованием непрерывной разливки стали, которая получила исключительно высокие темпы развития. Исходя из этого появилась возможность организовать непрерывный, высокопроизводительный процесс производства литых заготовок по профилю и размерам пригодных для непосредственного использования их на сортовых или листовых прокатных станах. При этом экономится большое количество энергии, улучшается качество заготовок и, что особенно важно, значительно повышается выход годного металла из жидкой стали.

С каждым годом в черной металлургии растет количество машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), технология непрерывного лтья и конструкция машин совершенствуются в направлении повышения качества отливаемых слитков и производительности каждой машины [1, 2 , 3].

Производительность одной слябовой МНЛЗ, кислородно-конвертерного цеха №2 ПАО «НЛМК», в среднем составляет один миллион тонн в год, а при благоприятном сортаменте достигает и одного миллиона триста тысяч тонн в год. Такая невысокая производительность достигается за счет невысокой скорости разливки, продолжительностью вспомогательного времени на обслуживание машин.

Большое внимание уделяется качественной подготовке стали к разливке. Широкое применение нашла внепечная обработка жидкого металла в сталеразливочном ковше, которая включает в себя продувку стали аргоном, корректировку химического состава стали, ее рафинирование и вакуумирование [1, 2].

Для производства непрерывных заготовок используются машины, построенные по различным принципиальным схемам. Существует многообразие в названиях принципиальных схем и типов машин.

Классификация типов МНЛЗ основана на пространственном расположении и продольной форме той части технологического канала машины, где происходит кристаллизация отливаемой заготовки, то есть, где заготовка находится в двухфазном состоянии. Исходя из этого, наиболее распространенные схемы машин непрерывного литья заготовок делятся на следующие основные четыре типа: вертикальный, радиальный, криволинейный и горизонтальный [2].

2.1 Типы машин непрерывного литья заготовок

В настоящее время в эксплуатации находятся различные типы машин для непрерывного литья заготовок. Это обусловлено требованиями к сортаменту и качеству заготовок и производительности МНЛЗ. По типу заготовки МНЛЗ различаются на слябовые, блюмовые и сортовые [1, 2, 3].

Заготовки, отливаемые на слябовых машинах, имеют форму поперечного сечения в виде прямоугольника с соотношением длинной стороны к короткой >3…4. На блюмовых и сортовых МНЛЗ отливают заготовки в виде круга, квадрата или прямоугольника с малым отношением сторон. Заготовки с размером стороны >200 мм обычно называются блюмами, с меньшим размером - сортовыми заготовками [1].

По принципу работы различают установки непрерывной разливки и полунепрерывного литья. На машинах непрерывной разливки слиток режется на заготовки мерной длины, что позволяет разливать плавки сериями методом плавка на плавку. При полунепрерывном литье длина заготовки обусловлена конструктивными особенностями - ходом механизма вытягивания, который выбирается из соображения упрощения и удешевления машины в данных условиях производства. Порезка слитка, если это необходимо, осуществляется вне машины [1].

По составу различают одно- и многоручьевые МНЛЗ. Увеличение производительности установки достигается разливкой металла из сталеразливочного ковша в несколько кристаллизаторов. Обычно сортовые машины образуются четырьмя-восемью ручьями, а слябовые - двумя. В последнее время изготавливаются слябовые машины с четырьмя ручьями [1].

Непрерывные слитки из разных ручьев могут вытягиваться с помощью тянущих клетей с общим приводом или установкой привода на каждый ручей. Недостатком машин с общим приводом является возможность выхода ручт=ья из строя в процессе разливки при неполадках. Поэтому в современных машинах каждый ручей, как правило, оборудуется собственным приводом.

По характеру движения кристаллизатора различаются следующие типы МНЛЗ [1]:

а) с неподвижным кристаллизатором; к ним относится горизонтальная МНЛЗ;

б) С возвратно-поступательным движением; здесь кристаллизатор определенный период движется одновременно со слитком или опережая его, а затем возвращается в начальное положение; к этому типу машин относятся основное количество установок непрерывной разливки стали;

в) с кристаллизатором, двигающимся со скоростью слитка; это обеспечивает отсутствие скольжения оболочки слитка относительно кристаллизатора и, следовательно, трения между ними, что снижает вероятность разрыва оболочки при высоких скоростях разливки; к этому типу МНЛЗ относится так называемая роторная МНЛЗ (рис. 2.1, з), где скорость разливки в 2…3 раза выше, чем скорость на обычных установках.

По расположению технологической оси установки непрерывной разливки стали делятся на машины с постоянной кривизной оси до окончания затвердевания слитка и машины с технологической осью на участке затвердевания слитка переменной кривизны (рис. 2.1) [1].



К машинам с постоянной кривизной технологической оси относятся [1]:

1) Вертикальные и вертикальные с изгибом (рис. 2.1, а, б). Изгиб слитка осуществляется после полного затвердевания для вывода технологической оси в горизонтальное положение.

Началу промышленного применения непрерывного литься положили машины вертикального типа, у которых кристаллизатор, роликовая проводка, тянущее и режущее устройства расположены по вертикали. Общая высота машины достигает высоты 23-25 м, а в ряде случаев и более. Машины вертикального типа позволяют получать слитка высокого качества, однако их широкому использованию препятствуют присущие им недостатки - большая высота и низкая скорость литья [2].

Ограничением для эксплуатации вертикальных МНЛЗ являются малые скорости разливки и соответственно, производительность установок. Это обусловлено тем, что с ростом скорости литья возрастает металлургическая длина (глубина лунки жидкого металла), а увеличение металлургической длины вертикальных машин ведет к росту ферростатического давления жидкой фазы и нагрузок на опорные элементы системы зоны вторичного охлаждения.

Все это приводит к значительному росту массы всего оборудования, строительству глубоких колодцев или высоких башен. Опыт эксплуатации вертикальных МНЛЗ показывает что их целесообразно применять при металлургической длине установки не превышающей 12…14 м [1].

2) С целью уменьшения высоты производственного здания и возможности подачи сталеразливочных ковшей к рабочей площадке вертикальные МНЛЗ выполняют с расположением концевой части машины в железобетонном колодце. Помимо удорожания строительства, это приводит к необходимости применения сложных систем выдачи заготовок из колодца. Повышение скорости литья путем увеличения длины зоны кристаллизации слитка на вертикальных машинах не может быть реализовано, так как с увеличением высоты возникает большое ферростатическое давление, приводящее к выпучиванию корки слитка и ее возможному разрушению с прорывом наружу жидкой фазы.Радиальные, имеющие постоянный радиус кривизны на участке затвердевания металла (рис. 2.1, в). В этом случае металлургическая длина МНЛЗ при том же ферростатическом давлении увеличивается в и соответственно возрастает скорость разливки и производительность машины.

3) Наклонно-прямолинейные и наклонно-радиальные (рис. 2.1, г) [1].

Значительное снижение высоты машины и следовательно ферростатического давления позволяет значительно уменьшить массу оборудования МНЛЗ и соответственно его стоимость.

4) Горизонтальные МНЛЗ (рис. 2.1, д). Технологическая ось машины располагается под углом 7…12 градусов к горизонтали. Имеет те же преимущества, что и наклонные машины [1].

К машинам с технологической осью переменного радиуса относятся:

1) Криволинейные МНЛЗ с радиальным кристаллизатором (рис. 2.1, е), имеющие кристаллизатор и часть зоны вторичного охлаждения с постоянной кривизной и участок переменной кривизны, где происходит плавное выпрямление с жидкой сердцевиной. Такие машины при общей высоте (как вертикальные, так и радиальные) могут иметь значительно большую длину (до 40 и) и соответственно более высокую производительность [1].

2) Криволинейные МНЛЗ с вертикальным кристаллизатором (рис. 2.1, ж), в которых после небольшого вертикального участка зона вторичного охлаждения (ЗВО) имеет участок изгиба слитка, радиальный участок и участок выпрямления слитка. Выпрямление слитка может проводиться после его полного или частичного затвердевания [1].

Следует отметить, что в нашей стране в настоящее время преимущественно эксплуатируются радиальные и криволинейные МНЛЗ.

В конвертерных цехах, как правило, устанавливаются криволинейные МНЛЗ, а в электросталеплавительных цехах, выплавляющих стали более сложных марок, - радиальные [1].

Создание машин с изгибом слитка роликами на выходе из тянущего устройства и переводом его в горизонтальную плоскость не дало ощутимого уменьшения высоты машины, но усложнило ее конструкцию.

В настоящее время МНЛЗ вертикального типа с изгибом слитка не устанавливают. Исключение составляют вертикальные машины для литья пустотелых трубных заготовок и слитков специальных профилей, которые применяются в силу специфических условий кристаллизации металла в этих заготовках [2].

Машины горизонтального типа из-за недостаточной отработки узлов и технологического процесса не получили широкого распространения, однако неоспоримые преимущества - минимальная высота машины и отсутствие деформаций слитка при литые - делают их перспективными [2].

Наиболее широкое применение получили радиальные машины, отличающиеся изгибом слитка меньшей высоты и повышенной скоростью литья [2].

В первый период промышленного применения способа непрерывного литья стали строились машины вертикального типа. Затем основными схемами машин стали радиальная и криволинейная.

Криволинейные машины строятся как с радиальным, так и с прямым, вертикально расположенным кристаллизатором, аналогом являются машины непрерывного литья заготовок ККЦ-2. Принципиальная схема которой показана на рис. 2.2.

Разработка таких машин была вызвана стремлением повысить скорость разливки и производительность путем увеличения технологической длины машины при одновременном сокращении ее высоты.

Применение криволинейных МНЛЗ стало важным этапом в развитии непрерывного литья заготовок и позволило осуществить строительство крупного кислородно-конвертерного цеха № 2 с конвертерами вместимостью 350 т и с разливкой всей выплавляемой стали в этих цехах непрерывным способом [2].

При выборе наиболее рациональной схемы машины, в первую очередь, рассматривался вопрос о возможности деформации слитка в двухфазном состоянии.

Характерными дефектами при деформации непрерывнолитой заготовки в двухфазном состоянии являются трещины, перпендикулярные ее широким граням, которые появляются в оболочке вблизи границы с жидкой фазой.

Детально изучив взаимодействие в процессе разливки элементов машины с оболочкой заготовки и деформационную способность сталей при температурах, близких к температуре плавления, получили что деформация заготовки при изгибе или правке не является определяющей в образовании внутренних трещин, а возникает в результате суммарного влияния целого ряда конструктивных и технологических параметров. Соблюдение при изгибе и правке заготовки в двухфазном состоянии определенных условий по величине и скорости деформации обеспечивает получение качественных непрерывнолитых заготовок.

Таким образом, наметились определенные направления дальнейшего совершенствования оборудования слябовых МНЛЗ с целью повышения качества непрерывнолитых заготовок, расширения марочного состава разливаемых сталей и повышения производительности.

При разработке конструкций новых машин последнее время особенно большое внимание уделяется повышению качества отливаемых слябов. Обязательная организация защиты жидкого металла от окисления на всем пути от сталеразливочного ковша до кристаллизатора. Для защиты струи металла при переливании его из сталеразливочного ковша в промежуточный широко применяются защитные огнеупорные трубы.

Получили распространение промежуточные ковши большой вместимости, что позволило заменять сталеразливочные ковши в процессе разливки без снижения скорости вытягивания слитка. С целью предотвращения попадания в выпускное отверстие вместе с металлом шлака и других неметаллических примесей рабочий уровень металла в промежуточных ковшах повышают до 1300 мм.

На Новолипецком металлургическом комбинате (ПАО «НЛМК») осуществляется вакуумирование стали в процессе непрерывной разливки. Вакуум-камера размещена между сталеразливочным и промежуточным ковшами.

Качество литых слябов во многом зависит от конструктивного дополнения и параметров роликовой проводки МНЛЗ. Особенно важное значение имеют расстояния между поддерживающими роликами вдоль всей технологической линии машины. Для определения максимально допустимых шагов между роликами проведены многочисленные исследования. С увеличением скорости разливки расстояния между роликами должны быть уменьшены. Однако, при этом уменьшается и диаметр роликов, а следовательно и их жесткость. Поэтому на вновь строящихся МНЛЗ все больше находят применение многоопорные ролики. Создание надежной конструкции роликовых секций с многоопорными роликами связано с рядом трудностей по выбору подшипников для средних опор, охлаждению роликов и подшипниковых узлов.

Установлено также, что вследствие асимметричного нагрева поддерживающих слиток роликов происходит деформация их осей и при изменении режимов разливки оболочка кристаллизующегося слитка деформируется изогнутыми роликами. Устранить это нежелательное явление может быть достигнут путем наплавки рабочей поверхности роликов [1, 2].

Раствор роликов, их положение относительно технологической оси машины, а также деформация роликов контролируются специальным измерительным устройством, которое пропускают через технологический канал. Результаты измерений фиксируются встроенным в устройство микропроцессором с последующей расшифровкой на ЭВМ. Время на контроль настройки роликовой направляющей может быть сокращено до минимума, если измерительное устройство смонтировать непосредственно на рабочей затравке, тогда данные о состоянии технологической линии будут получены перед началом разливки каждой серии плавок.

Значительное время занимает перестройка машины на другой размер слитка по толщине. Если сортамент отливаемых заготовок изменяется часто, то роликовые секции снабжаются механизмами, позволяющими осуществить перестройку с пульта управления.

Большое внимание уделяется сокращению времени на проведение ремонтных работ. Конструкция современной машины, как правило предусматривает во время ремонтов замену целых узлов, а не отдельных

быстроизнашиваемых деталей. Подготовка отремонтированных узлов производится заранее на специальных стендах с предварительной настройкой базовых размеров. Иногда узлы объединяются в укрупненные сменные блоки, как например, кристаллизатор и примыкающая к нему роликовая секция. Для ускорения монтажа и демонтажа роликовых секций на радиальном и криволинейном участках машины предусматриваются специальные устройства и механизмы [1, 2].

Применение вторичного водовоздушное охлаждения заготовок, охлаждение водой, распыляемой воздухом, позволяет создать более равномерный отвод тепла от поверхности слитка и регулировать интенсивность охлаждения в широких пределах. В результате снижается вероятность возникновения некоторых дефектов у отливаемых слябов и появляется возможность расширения сортамента разливаемых марок сталей.

Наиболее рационально совмещение работы сталеплавильного агрегата, установки для внепечной обработки стали и МНЛЗ в едином цикле, когда продолжительности выплавки, внепечной обработки и разливки близки по величине. В этом случае длина технологической линии машины и скорость разливки должны выбираться исходя из цикла выплавки стали.

Прямое отношение к производительности машин и качеству заготовок имеет уровень автоматизации. Поддерживание многих взаимосвязанных параметров технологического процесса непрерывной разливки стали в оптимальных пределах возможно только при автоматическом управлении.

Задача, рассматриваемая при реконструкции МНЗЛ, состоит в повышении надежности работы, в следствие чего уменьшатся простои на ремонт и объем брака.

2.2 Общая схема компоновки машин непрерывной разливки стали

МНЛЗ любого типа представляет собой комплекс самых разнообразных устройств, выполняющих строго определенные функции. Все эти устройства, тесно связанные работой друг с другом, должны располагаться в определенной технологической последовательности. При этом их компоновка должна обеспечивать ряд общих требований, главными из которых являются следующие [1]:

1) стабильное положение технологической оси машины в процессе достаточно длительного периода непрерывной работы;

2) независимоефункционированиевсехэтихустройствпутем индивидуального подвода электроэнергии, воды, смазки и т. п.;

3) точную синхронизацию работы всех ее элементов;

4) максимально возможную скорость замены отдельных узлов или устройств целиком в случае аварийного выхода их из строя;

5) переналадку всей машины на отливку слитка другого сечения без замены ее составных элементов;

6) высокийуровеньмеханизациииавтоматизацииобслуживания управления;

7) требования охраны труда и защиты окружающей среды.

Обеспечение стабильности положения технологической оси МНЛЗ любого типа достигается схемой компоновки ее основных узлов [1].

Схема МНЛЗ криволинейного типа показана на рис. 2.3.

Производство слябов в КЦ-2 осуществляется путем разливки жидкой стали на установках непрерывной разливки стали (УНРС). УНРС - агрегат, который позволяет разливать жидкий металл в твердые заготовки заданного сечения [1, 2].



Основными узлами машин непрерывного литья заготовок являются: охлаждаемый кристаллизатор или формообразователь, зона вторичного охлаждения (ЗВО), поддерживающая система, тянущее устройство и механизмы для разделения и транспортировки слитков (рис. 2.3).

Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, который предназначен для снижения и стабилизации ферростатического давления и динамического напора струи, отделения шлака и стабилизации температуры перед кристаллизатором.

Промежуточный ковш распределяет металл в кристаллизаторы в зависимости от количества ручьев. Далее сталь попадает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где происходит начальное формирование непрерывного слитка. Перед началом разливки в кристаллизатор вводят затравку, которая является дном кристаллизатора на начальной стадии разливки. Сформировавшийся в кристаллизаторе слиток с затвердевшей оболочкой попадает в зону вторичного охлаждения, где проводится его дальнейшее охлаждение с помощью водяных форсунок или другими способами. Для предохранения слитка от увеличения объема, зона вторичного охлаждения оборудуется специальной поддерживающей системой в виде роликов, брусьев и других устройств. Затем слиток проходит через тянущую клеть и попадает в зону резки.

2.3 Конструкция зоны вторичного охлаждения

Основной технологической функцией зоны вторичного охлаждения (ЗВО) является создание оптимальных условий для полного затвердевания непрерывно отливаемого слитка, обеспечивающих требуемое качество металла. Протяженность жидкой фазы в слитке на современных машинах непрерывной разливки в зависимости от сечения заготовки и скорости литья составляет 15…40 м. На всем этом участке одновременно с затвердеванием металла происходит воздействие на него многочисленных силовых факторов, приводящих к различным напряжениям в слитке. Основными из них являются: термические напряжения, зависящие от условий охлаждения; растягивающие напряжения, определяемые трением и усилиями вытягивания; напряжения, возникающие под действием ферростатического давления жидкого расплава, которые вызывают выпучивание корки слитка [1].

Большое влияние оказывает сама форма технологической оси ЗВО, в соответствии с которой слиток подвергается воздействию различного рода усилий при его разгибе, загибе или правке. В результате формирование слитка в ЗВО всегда происходит в условиях одновременных, но различных по интенсивности воздействий охлаждающей среды, ферростатического давления и оборудования этой зоны, определяющих в целом напряженно- деформированное состояние литой заготовки и, как следствие, ее качество [1].

В связи с этим конструкция ЗВО должна отвечать следующим требованиям [1]:

1) обеспечивать тщательную поддержку слитка на выходе из кристаллизатора, где толщина оболочки минимальна, а ее механическая прочность низка;

2) исключать возможность выпучивания корки слитка под действием ферростатического давления;

3) уменьшать воздействие растягивающих напряжений оболочке заготовки, возникающих под действием тянущих усилии;

4) обеспечивать оптимальный теплоотвод и его регулирование в зависимости от скорости вытягивания и сортамента отливаемой стали;

5) сохранять стабильность технологической оси и прочностные характеристики поддерживающих устройств в условиях высоких температур и нагрузок в процессе длительной эксплуатации машины;

6) обеспечивать быструю замену узлов зоны вторичного охлаждения при аварийных ситуациях, а также минимальные потери времени на переналадку, связанную с изменением сечения отливаемой заготовки [1].

2.4 Конструкция поддерживающих устройств

В зоне вторичного охлаждения слиток представляет собой тонкостенную оболочку с переменной толщиной по длине, которая под действием ферростатического давления жидкой сердцевины и неравномерности охлаждения не в состоянии сохранять свою заданную форму. В результате затвердевшая корка может бесконтрольно деформироваться: выпучиваться, изменять сечение и в конечном итоге частично или полностью разрушаться. Степень деформации зависит от размера и формы поперечного сечения непрерывно литого слитка. Чем больше поперечное сечение слитка и отношение его сторон, тем больше вероятность при всех прочих равных условиях возникновения различных дефектов, вызванных этой деформацией [1].

Система поддержки по длине зоны вторичного охлаждения условно делится на два участка верхний - неприводной, и нижний, оснащенный приводом для вытягивания и транспортировки слитка. Первый участок расположен сразу под кристаллизатором и предназначен для поддержки слитка, имеющего еще очень небольшую толщину корочки, с минимальной механической прочностью. Второй участок располагается непосредственно за первым и служит для поддержки слитка, в котором непрерывно до его полного затвердевания происходит увеличение ферростатического давления, а постоянно нарастающая толщина корки подвергается целому ряду деформаций как под действием ферростатического давления, так и термических напряжений. В связи с этим конструкции поддерживающих устройств этих двух участков существенно различаются друг от друга. Первый участок, характеризующийся наиболее тяжелыми условиями работы, может быть оборудован самыми разнообразными типами оборудования. На втором, как правило, применяются роликовые проводки различных конструкций [1].

Форма слитка с большим отношением сторон (сляб) является наиболее чувствительной к действию ферростатического давления даже при сравнительно большой толщине корки. При соответствующем ферростатическом давлении возможна потеря формы слитка вследствие деформацци широких граней, поэтому все слябовые машины оборудуются поддерживающими системами до полного затвердевания слитка.

2.5 Роликовые проводки

В настоящее время оба участка зоны вторичного охлаждения всех современных УНРС оборудованы роликовыми проводками. Это объясняется целым рядом достоинств данной системы поддержки. Главными из них являются возможность регулирования интенсивности охлаждения в широких пределах при сравнительно равномерной плотности орошения поверхности слитка и минимальное трение, которое оказывают ролики на корку слитка. Сочетая расстояние между роликами и их диаметрами, удается получить достаточно надежную поддержку оболочки слитка без возникновения опасной деформации за счет выпучивания. Для сохранения прочности и жесткости всей системы поддержки диаметры роликов увеличиваются пропорционально росту давления.

Учитывая, что размеры роликов должны быть обязательно согласованы с расстояниями между ними для предотвращения чрезмерного выпучивания оболочки слитка, необходимо выдерживать шаг роликов на всем протяжении жидкой фазы в слитке. Решение этой задачи представляет собой большую сложность, так как требует учета многих таких трудно определяемых факторов, как деформационная способность материала оболочки слитка при высоких температурах, расстояния между точками опор поддерживающих роликов, интенсивности охлаждения, скорости вытягивания и др.

2.6 Технология непрерывной разливки в КЦ-2

Разливку стали производят методом «плавка на плавку». Совокупность плавок от первой, разлитой с использованием затравок, до выдачи «концов» слитка называется серией. В серии разливают сталь одной марки. Максимальная длина серии составляет 32 плавки.

После осмотра, проверки и подготовки оборудования МНЛЗ к разливке, на разливочную площадку подается промежуточный ковш.

После выпуска плавки из кислородного конвертера, металл в сталеразливочном ковше продувается инертными газами и охлаждается слябом или металлической сечкой до заданной температуры. С началом наполнения промежуточного ковша металлом в район стопоров подают шлакообразующую смесь. После наполнения промежуточного ковша не

менее чем на одну треть его высоты открывают стопор и начинают заполнение кристаллизатора металлом. Кристаллизатор заполняется через погружной стакан, используемый для безнапорной подачи металла. После заполнения металлом кристаллизатора до уровня нижних кромок выходных отверстий погружного стакана проверяют работу стопора, при этом стопор периодически открывают на полную струю.

При достижении уровня металла в кристаллизаторе до верхней кромки выходных отверстий погружного стакана подают шлакообразующую смесь. После доведения уровня металла в кристаллизаторе до уровня 80…100 мм от верхней кромки включают механизм качания кристаллизатора, задается скорость вытягивания слитка равная 0,1 м/с.

Уровень металла (покровного шлака) в кристаллизаторе в процессе разливки поддерживают в 50…70 мм (визуально) от верхней кромки кристаллизатора.

За кристаллизатором находится зона вторичного охлаждения (ЗВО), которая имеет общую длину 13,49 м. Охлаждение слитка в ЗВО осуществляется путем непосредственной подачи распыленного охладителя на поверхность слитка. При дальнейшем движении по технологической оси слябы на газорезках МНЛЗ разрезаются на мерные длины и маркируются.

2.7 Конструкция кристаллизатора

Кристаллизатор - основная часть УНРС. Он позволяет обеспечить интенсивный отвод тепла от кристаллизующейся стали и образование по периметру непрерывно формирующейся корочки, которая на выходе должна выдерживать ферростатическое давление жидкой фазы слитка [2]. Конструкция кристаллизатора в значительной мере определяется принятой системой охлаждения - петлевой или прямоточной.

Прямоточная система обеспечивает лучшее охлаждение стенок кристаллизатора и более низкую температуру воды на выходе, чем петлевая.

По этим причинам кристаллизаторы с прямоточной системой охлаждения предпочтительней кристаллизаторов петлевого охлаждения [2].

Конструкция кристаллизатора должна обеспечить перемещение стенок, необходимое для их установки в соответствии с задаваемым сечением литого сляба.

Применяют кристаллизаторы трех типов: блочные, гильзовые и составные. Наибольшее распространение получили составные (сборочные) кристаллизаторы, которые выполняют из четырех отдельных стенок, скрепленных в одно целое с помощью стяжных устройств. Общий вид одного из таких кристаллизаторов показан на рис. 2.4 (кристаллизатор для отливки слитков плоского сечения) [3].

Наибольшее распространение получили сборные кристаллизаторы, состоящие из попарно скрепленных винтами стальных и медных (внутренних) пластин. 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 [3].

Иногда применяют кристаллизаторы 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 ⁰С. Общий расход воды зависит от сечения заготовки и составляет примерно для заготовок сечением 150? 640, 150? 800 и 170? 1030 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. Высота кристаллизатора МНЛЗ должна обеспечивать образование достаточно толстой корки в заготовке при выходе, исключающей возможность ее прорывания.

Для отливки квадратных заготовок сечением менее 200ґ 200 мм применяют кристаллизаторы длиной 500…800 мм. Длина кристаллизаторов, предназначенных для отливки квадратных и круглых заготовок большого сечения, достигает 1000…1100 мм.

Для отливки заготовок прямоугольного сечения толщиной до 200 мм и шириной до 1200 мм применяют кристаллизаторы длиной от 500…800 до 1500 мм (рис. 2.5).

Важным вопросом при непрерывной разливке стали является смазка стенок кристаллизатора. Правильный выбор и равномерная подача смазки уменьшают величину силы трения, позволяя увеличить скорость вытягивания слитка, и улучшают поверхность заготовки, уменьшить вероятность появления дефектов стали.

Для уменьшения трения между стенками кристаллизатора УНРС 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.

2.8 Механизмы качания кристаллизатора

В процессе непрерывного литья корочка затвердевающего в кристаллизаторе слитка по мере своего движения вниз претерпевает усадку и отходит от стенок. Зона плотного контакта корочки со стенками находится в верхней части кристаллизатора, вблизи мениска жидкого металла. При определенных условиях в этой зоне происходит прилипание тонкой корочки в местах отхода ее от стенок. Если кристаллизатор будет неподвижным, а слиток будет вытягиваться с постоянной скоростью, то прилипшая часть корочки останется на месте (явление зависания корочки), а нижняя часть от места разрыва будет двигаться вниз. Когда разрыв достигает нижней кромки кристаллизатора, происходит прорыв - выход жидкой стали из сердцевины слитка [2].

Литье слитков с повышенной скоростью указало на необходимость создания в корочке металла знакопеременных напряжений, предупреждающих как ее зависание, так и появление поперечных трещин на слитке. С этой целью скорость опускания кристаллизатора задается несколько большей скорости движения слитка, создавая так называемое отрицательное скольжении [2].

Механизмы качания кристаллизатора МНЛЗ должны обеспечивать возвратно-качательное движение кристаллизатора по участку круговой траектории с радиусом, равным радиусу кривизны кристаллизатора, с определенным законом движения и частотой [1]. Применяемый ранее закон движения кристаллизатора - опускание со скоростью движения слитка и подъем с повышенной в три раза скоростью - в настоящее время заменен более простым, но менее эффективным синусоидальным законом движения.

Это позволило вместо кулачков сложного профиля применить более простые в изготовлении эксцентрики.

Важным требованием к конструкции механизма качания кристаллизатора является возможность получения качаний с высокой частотой, которая уменьшает шаг и глубину складок, образующихся на поверхности слитка при качательном движении, усредняет теплоотвод и снижает неравномерность в нарастании толщины корочки металла [2].

Движение кристаллизатора вверх и вниз чаще всего осуществляют по синусоидальному закону, величина шага качания изменяется в пределах 20 мм, частота от 40 до 200…300 циклов в минуту.

Существует несколько типов механизмов качания кристаллизатора. На рис. 2.6 показаны кинематические схемы различных типов качания кристаллизатора [2].

Отличительной особенностью рычажно-кулачкового и рычажно- кулисного механизмов (рис. 2.6, а, б) является расположение кристаллизаторов на несущих рамах, качающихся относительно оси, расположенной в центре кривизны кристаллизатора. Механизмы не получили широкого распространения вследствие большой длины и массы несущих рам, которые затрудняют доступ со стороны рабочей площадки к механизмам радиальной части МНЛЗ, изменяют закон движения кристаллизатора из-за недостаточной своей жесткости, не позволяют применить высокую частоту качаний [2]. В механизме рычажно-кулачкового типа (рис. 2.6, в) кристаллизатор перемещается в роликовых направляющих, что позволило уменьшить длину качающейся рамы и ее массу. Недостатки состоят в низкой стойкости роликовых направляющих и больших зазорах, отрицательно сказывающихся на процессе литья. Общим недостатком кулачковых механизмов качания кристаллизатора является их быстрый износ [2].

Рычажно-кулачковый механизм с присоединенным шарнирным четырехзвенником (рис. 2.6, г) создает в пределах малых перемещений движение кристаллизатора по участку траектории, близкой к круговой. Параметры четырехзвенного механизма выбирают с таким расчетом, чтобы отклонение траектории на участке движения кристаллизатора от круговой не превышало допустимой величины по технологическим соображениям. Недостатки заключаются в применении кулачкового механизма и расположении опор со стороны стенки кристаллизатора, что создает затруднения при ремонтах машины [2].

На криволинейных УНРС наибольшее применение получил механизм параллелограмного типа, схематически показанный на рис. 2.7.

Механизм состоит из двух соединенных между собой шарнирных четырехзвенников 9 и 10. Параметры четырехзвенного механизма ОАBС обеспечивают требуемую точность движения кристаллизатора 11 по круговой траектории при вытягивании слитка 12. Качательное движение создается четырехзвенным эксцентриковым механизмом коромыслового типа, эксцентрик (кривошип) 4 которого приводится от электродвигателя 1 [2].

...