Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 371

Существенное увеличение срока службы стакана-дозатора и

погружного стакана может также быть достигнуто в случае ис-

пользования изделий со специальным (так называемым «анти-

клоггинговым») покрытием внутренней полости, которое препят-

ствует осаждению оксидов алюминия. При этом уменьшение

скорости зарастания достигается, например, за счет образования

легкоплавких соединений при взаимодействии оксидов алюми-

ния с

материалом покрытия, либо за счет предварительного уда-

ления углерода с поверхности контакта со сталью [342 - 345].

Исследования, выполненные авторами, показали, что такие

изделия работают достаточно эффективно в случае их примене-

ния в совокупности с другими мероприятиями, препятствующи-

ми вторичному окислению стали. При этом удается достигнуть

повышения эксплуатационной стойкости (по зарастанию) при-

мерно

в 1,5 - 2,0 раза. Менее эффективно «антиклоггинговое» по-

крытие работает для стали с повышенным содержанием алюми-

ния, что, видимо, объясняется большим количеством глинозема,

образующегося при вторичном окислении. Это наиболее харак-

терно проявляется в нижней части погружного стакана, что, ви-

димо, объясняется влиянием на зарастание всей совокупности

факторов, рассмотренных в настоящей главе. Вероятно, в

этом

случае необходимо использовать погружные стаканы с плазмен-

ным напылением чистого Al

4.4. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ

СОРТОВОЙ ЗАГОТОВКИ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ

При выборе оптимальных параметров технологии непре-

рывной разливки стали главными проблемами получения качест-

372 Металлургические мини-заводы

венной заготовки являются: получение бездефектной поверхно-

сти и обеспечение гарантированной плотной, здоровой макро-

структуры литья. Решение этих проблем определяется, прежде

всего, условиями теплоотвода и другими свойствами материала

кристаллизатора и гидродинамическими процессами, происхо-

дящими ниже уровня мениска жидкой стали. Они вызывают не-

равномерное распределение температуры и тепловых потоков

расплава в объеме кристаллизатора

, размыв и подплавление за-

твердевшей корочки непрерывной заготовки и являются причи-

ной образования как поверхностных, так и подповерхностных

дефектов заготовки.

Кристаллизатор является одним из наиболее важных функ-

циональных узлов, определяющих рациональную работу МНЛЗ и

оптимальное качество непрерывнолитой заготовки. Кристаллиза-

тор выполняет функцию приема жидкого металла, попадающего

в него из промковша,

а также перевода части жидкой стали в

твердое состояние посредством отвода тепла охлаждающей во-

дой. При этом в кристаллизаторе происходит формообразование

геометрии заготовки. В ходе пребывания металла в кристаллиза-

торе от заготовки отводится от 10 % до 30 % всего тепла, которое

аккумулировано металлом. Усовершенствование конструкции

кристаллизаторов охватывает методы оптимизации теплоотвода и

управления однородностью толщины

затвердевшей оболочки

слитка, формирующейся в кристаллизаторе; предотвращение де-

формации кристаллизатора в процессе эксплуатации; удлинение

срока службы; оперативное изменения сечения заготовки и пр.

При разливке сортовой квадратной или прямоугольной за-

готовки кристаллизатор, как правило, представляет собой водо-

охлаждаемую проточную гильзу, которая выполнена из меди,

сплава меди с серебром или сплавов меди

с хромом и цирконием,

которые обеспечивают высокую интенсивность отвода тепла от

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 373

поверхности заготовки. В настоящее время на внутреннюю по-

верхность кристаллизатора наносятся специальные покрытия, ко-

торые значительно повышают его стойкость. Длина кристаллиза-

тора обычно составляет 0,8-1,1 м.

Определение закономерностей теплообмена между заго-

товкой и кристаллизатором является актуальной задачей. Ее важ-

ность остается весьма высокой, поскольку от условий теплообме-

на в кристаллизаторе зависит скорость

вытяжки (а, следователь-

но, и производительность МНЛЗ) и качество поверхностных и

подповерхностных слоев заготовки. Знание закономерностей те-

плообмена между заготовкой и кристаллизатором позволяет оп-

тимизировать конструкцию кристаллизатора для каждого кон-

кретного случая.

Известно достаточно много экспериментальных работ по

изучению характера распределения тепловых потоков от затвер-

девающей стали к стенке кристаллизатора [346, 347].

Установле-

но, что максимальное значение его проявляется на расстоянии

150 - 170

мм от мениска, а минимальное - на выходе из кристал-

лизатора. Снижение теплового потока на расстоянии 100 мм и

менее от мениска объясняется тем, что часть тепла в этом месте

теряется на излучение через мениск жидкого металла в окру-

жающую среду. Неравномерность теплоотвода по высоте кри-

сталлизатора и связанное с ней падение скорости

кристаллизации

стали вызывано главным параметром непрерывной разливки -

образованием зазора между корочкой слитка и стенкой кристал-

лизатора. Отход заготовки и образование зазора наступает обыч-

но на высоте 170 - 200 мм от мениска жидкой стали.

На интенсивность затвердевания стали влияют не только

теплопоглощающие свойства материала стенки кристаллизатора,

но и развитие мощных турбулентных потоков перегретой

стали.

374 Металлургические мини-заводы

Известно, что струя стали, попадающая в кристаллизатор из

промковша, имеет большую кинетическую энергию, достаточную

для перемешивания больших объемов металла. Не анализируя

подробно условий перемешивания металла в кристаллизаторе па-

дающей струей, отметим лишь, что там, где эти потоки имеют

большую скорость, происходит более интенсивный прогрев стен-

ки кристаллизатора, а нарастание твердой корочки

замедляется.

Однако, наибольшее влияние на прогрев стенки кристаллизатора

и подмыв твердой корочки оказывают потоки в точках

пересечения траектории движения струи с поверхностью

кристаллизатора.

Обычно ослабление прочности корочки происходит, преж-

де всего, в местах, прилегающих к углам кристаллизатора

(рис._4.20).

Рис. 4.20. Нарушение геометрической формы квадратной

заготовки при нарушении условий разливки

стали открытой струей (сечение заготовки

125×125 мм)

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 375

Вследствие усадки корочки вдоль ее граней происходит

образование зазора, резко сокращающего теплоотвод от турбу-

лентных потоков внутри затвердевающего каркаса непрерывной

заготовки. Указанные обстоятельства также приводят к развитию

неравномерной кристаллизации в поперечном сечении затверде-

вающей заготовки (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Профиль твердой корочки непрерывнолитой заго-

товки (сечение 125×125 мм) с характерным утонь-

шением в углах

Воздушный зазор между стенкой кристаллизатора и коркой

непрерывного слитка может быть устранен или, по крайней мере,

сокращен до минимума, а теплопередача оптимизирована, если

контур кристаллизатора будет в максимальной степени соответ-

ствовать контуру корки непрерывного слитка [348]. Контур корки

376 Металлургические мини-заводы

в значительной мере определяется ее первичным формированием

на мениске и характеризуется изменением объема под влиянием

температуры во время прохода через кристаллизатор.

С повышением скорости разливки до 3-6 м/мин многими

исследователями рекомендуется делать поправку на естествен-

ную усадку непрерывнолитого слитка и выполнять внутреннюю

поверхность кристаллизатора в виде так называемого параболи-

ческого профиля

[349]. Параболический профиль достигается,

например, путем создания многоступенчатой конусности стенок

кристаллизатора (рис.4.22).

Рис. 4.22. Типичный параболический профиль внутренней по-

лости кристаллизатора высокоскоростной сор-

товой МНЛЗ

Промышленные испытания таких кристаллизаторов про-

демонстрировали, что они позволяют достичь высокой скорости

литья для заготовок малого сечения (до 5 - 6 м/мин). При этом

благодаря улучшению условий теплопередачи по всей поверхно-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 377

сти, технологическая длина кристаллизатора увеличивается до

1000 - 1200 мм. Вместе с тем, следует отметить, что при исполь-

зовании параболических кристаллизаторов может наблюдаться

повышенное трение заготовки на выходе из него, что приводит к

рывкам в движении заготовки и затрудняет работу системы авто-

матического поддержания уровня металла в кристаллизаторе.

Использование кристаллизаторов с параболической конус-

ностью наибольшее распространение получило на МНЛЗ компа-

нии «Danieli» (Италия). В Украине 6-ти ручьевая высокоскорост-

ная сортовая МНЛЗ с параболическими кристаллизаторами за-

пущена в эксплуатацию в ЭСПЦ ЗАО «ММЗ «Isteel (Украина)» в

середине 1999 г. Практика последнего времени показала, что для

квадрата 100 мм скорость разливки может составлять 5,4-5,5

м/мин. Выбор скорости разливки

в большей степени определяет-

ся требованиями к качеству заготовки.

Определенные трудности при эксплуатации кристаллиза-

торов с параболической конусностью вызывает повышенный из-

нос их стенок в случае излишней конусности. Наиболее ярко это

проявляется в области ребер слитка в нижней части кристаллиза-

тора, что вызывает недопустимо большое трение при вытягива-

нии (рис. 4.23).

Вместе с тем, многие экспериментальные и расчетные дан-

ные показывают, что на расстоянии 300 - 400 мм от мениска кон-

такт углов слитка с поверхностью гильзы кристаллизатора стано-

вится нестабильным. При этом часть углов заготовки (обычно

один и реже два) полностью отходят от поверхности гильзы, а

часть углов заготовки сохраняет такой контакт еще некоторое

время. Соответственно, в нижней части кристаллизатора проис-

ходит несимметричное нарастание твердой корочки заготовки,

что в значительной степени оказывает влияние на формирование

378 Металлургические мини-заводы

в ней высокого уровня внутренних напряжений. Проявлением

внутренних напряжений является формирование ромбичности

заготовки и образование внутренних угловых трещин (рис. 4.20).

Рис. 4.23. Износ нижней части кристаллизатора после

разливки 120 плавок

В связи с этим австрийской фирмой «VAI» предложена

конструкция кристаллизатора «Daiemould» с открытыми угловы-

ми областями в нижней зоне (рис. 4.24). Это позволяет повысить

равномерность процесса формирования твердой корочки в ниж-

ней части кристаллизатора с повышенной параболической конус-

ностью [350].

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 379

Рис. 4.24. Принципиальная схема кристаллизатора

конструкции «Daiemould»

Другим достаточно эффективным способом уменьшения

влияния интенсивного охлаждения углов непрерывнолитого

слитка и повышения степени однородности охлаждения заготов-

ки в кристаллизаторе является технология «Convex» («Concast»,

Швейцария) [351]. Как видно из схематического представления

динамики образования твердой корочки в кристаллизаторе тра-

диционной геометрической формы (рис.4.25 I), при формирова-

нии твердой корочки в углах происходит

её сильная усадка и от-

деление от поверхности кристаллизатора. Появление газового за-

зора между стенкой кристаллизатора и заготовкой приводит к

уменьшению интенсивности теплоотвода и, как следствие, к ло-

380 Металлургические мини-заводы

кальному разогреву твердой корочки в углах заготовки за счет

тепла кристаллизации жидкой фазы.

б)

в)

а)

Рис. 4.25. Сравнение динамики роста корочки кристалли-

затора традиционной формы (I) и конструкции

«Convex» фирмы «Concast» (II): а – зона мени-

ска; б – середина кристаллизатора; в – выход из

кристаллизатора

Технология «Convex» предполагает применение кристалли-

затора переменного поперечного сечения (рис.4.26 II). В зоне ме-

ниска поверхность заготовки имеет ярко выраженную выпуклую

форму, что улучшает условия теплоотвода через стенки кристал-

лизатора. По мере опускания заготовки выпуклость боковых гра-

ней, которая формируется стенками кристаллизатора, плавно

уменьшается и на выходе из кристаллизатора заготовка

приобре-