НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

23.2.1. Преимущества непрерывной раз­ливки.Предложение об организации непрерывной разливки стали было сделано еще Г. Бессемером. Однако в промышленности непрерывную раз­ливку металлов и сплавов начали при­менять лишь в 30-х годах XXв., а ши­рокое распространение метод получил после 40-х годов. Процесс непрерыв­ного получения слитков или заготовок основан на кристаллизации слитка в период непрерывного перемещения металла относительно зон заливки и кристаллизации. В зависимости от формирующих отливку устройств при­нято различать два типа непрерывного литья: 1) в желоб (ручей) между дви­жущимися лентами или другими дви­жущимися формами (кристаллизато­рами) либо непосредственно в валки; 2) в неподвижный или качающийся кристаллизатор скольжения, из кото­рого непрерывно вытягивается закри­сталлизовавшийся слиток (заготовка). В сталеплавильном производстве наи­большее распространение получили установки второго типа (литье в крис­таллизатор). Получаемый при непре­рывной разливке продукт в техничес­кой литературе имеет два названия: 1) непрерывнолитой слиток; 2) непрерывнолитая заготовка (имея в виду, что получаемый продукт является за­готовкой для последующей прокатки). На предприятиях тяжелого маши­ностроения, занятых проектировани­ем и изготовлением установок для не­прерывной разливки, агрегат в целом получил название «машина ' непрерыв­ного литья заготовок» (МНЛЗ). Одна­ко у технологов в практике металлур­гических заводов распространено на­звание «установка непрерывной разлив­ки стали» (УНРС), более полно отражающее суть процесса. Современ­ная УНРС включает не только меха­низмы, но и такие устройства, как промежуточный ковш, устройства для ввода реагентов и защиты от вторич­ного окисления, устройства для элект­ромагнитного перемешивания крис­таллизующегося металла и т. д. Кроме того, современная техника все в боль­шей мере позволяет получать непре­рывным способом не только заготов­ки, но и уже готовые изделия (напри­мер, трубы, швеллеры, проволоку, ленту и т. п.).

¹ Название связано с англ, machine continuous casting. Необходимо, однако, иметь в виду, что значение англ, machine гораздо шире, чем русское понятие «машина» (меха­низм, совершающий работу); оно означает также «установка», «агрегат» и т. п.

Широкое распространение метода непрерывной разливки обусловлено ее преимуществами.

1. Уменьшение (на 10—20 %) расхо­да металла на 1 т годного проката вследствие снижения обрези головной и донной (хвостовой) частей слитка (получают один слиток вместо мно­гих; соответственно головную и хвос­товую части отрезают один раз, а не много). Уменьшение обрези при про­катке связано также с тем, что рас­крою подвергается как бы одна длин­ная заготовка, а не много слитков, ко­торые могут различаться по массе, ве­личине усадочной раковины и т. п.

2. Оптимальное сочетание особен­ностей работы современных прокат­ных станов и возможностей УНРС. Например, для достижения высоких технико-экономических результатов современный листопрокатный стан должен получать слябовые заготовки массой до 50—60 т; отливать слитки та­кой массы традиционным способом затруднительно по ряду причин, прежде всего потому, что слитки та­кой массы характеризуются развиты­ми ликвационными явлениями; для получения таких слитков необходимы соответствующее крановое оборудова­ние в разливочных пролетах, строи­тельство глубоких нагревательных ко­лодцев и прочие приспособления.

3. Снижение капитальных затрат на сооружение металлургического за­вода (из структуры завода исключены парк изложниц, отделение для их подготовки и извлечения из них слит­ков, крупные дорогостоящие прокат­ные станы — блюминги и слябинги, на которых обычно слитки обжима­ются на заготовки для последующей прокатки).

4. Уменьшение энергетических зат­рат (как для нагрева металла под про-

катку, так и для работы обжимных станов).

5. Повышение производительности и улучшение условий труда (исключа­ется ряд тяжелых и трудоемких опера­ций по установке изложниц, уборке и т. п.), создание предпосылок для полной автоматизации и механизации процесса разливки, уменьшение числа обслуживающего персонала.

6. Увеличение степени однородно­сти металла, улучшение его качества благодаря ускорению затвердевания.

Эти преимущества определили со­временную ситуацию в металлургии: в промышленно развитых странах основ­ная масса выплавляемой стали разлива­ется только непрерывным способом.

В свое время, в 30-е годы XX в., не­прерывное литье во многих странах мира начало только развиваться: через водоохлаждаемую изложницу-крис­таллизатор получали заготовки из цветных металлов и сплавов (главным образом алюминиевых и медных). В 40-е годы эти технологии получили широкое распространение. Успешные опыты по разливке стали таким мето­дом были предприняты в 1939 г. в Гер­мании 3. Юнгансом. Наша страна яви­лась пионером использования данного метода разливки стали в промышлен­ных масштабах — опытные работы по освоению метода непрерывной раз­ливки стали были начаты в 1944г., а первые крупные установки начали ра­ботать уже в 1953 г. на Новотульском металлургическом заводе и в 1955 г. на заводе «Красное Сормово». Переход на непрерывную разливку стали свя­зан с проектированием и изготовлени­ем весьма сложного оборудования. В настоящее время на многих заводах страны устанавливается новое обору­дование (для непрерывной разливки) как отечественного, так и зарубежного производства.

23.2.2. Типы установок.Наиболее распространенные УНРС работают по следующей схеме: жидкая сталь посту­пает в сквозную водоохлаждаемую из­ложницу-кристаллизатор. Предвари­тельно до начала разливки в кристал­лизатор вводят искусственное под­вижное дно (так называемую «затравку») (рис. 23.12). Жидкий ме­талл, соприкоснувшись с холодными

Рис. 23.12.Затравка:

/ — кристаллизатор; 2 — головка затравки

затравкой и кристаллизатором, начи­нает кристаллизоваться; затравку вме­сте с застывшим на ней металлом мед­ленно опускают из кристаллизатора; вместе с затравкой тянется и получа­ющийся таким образом слиток. За­кристаллизовавшиеся грани слитка (средняя часть слитка еще жидкая) скользят при этом по стенкам крис­таллизатора. Для уменьшения усилий вытягивания и исключения случаев разрыва корочки из-за приваривания корочки к стыкам кристаллизатора последнему придают возвратно-посту­пательное движение, на его стенки подают смазку, на поверхности жид­кого металла в кристаллизаторе наво­дят шлак, тонкая пленка которого между кристаллизатором и слитком уменьшает трение. Выходящую из кристаллизатора заготовку (слиток) с жидкой сердцевиной подвергают ин­тенсивному охлаждению (обычно тон­кораспыленными струями воды, пода­ваемой через специальные форсунки). Это охлаждение называют вторичным (первичным называют охлаждение в кристаллизаторе). После затвердева­ния по всему сечению заготовка по­ступает на участок резки, где ее разре­зают на мерные длины (части задан­ной длины).

Такого рода установки непрерыв­ной разливки стали условно можно разделить на шесть основных типов: с вертикальным кристаллизатором (рис. 23.13, установки 1—3) и с криво­линейным кристаллизатором (уста­новки 4, 5).

Если из металла одной плавки по­лучают один слиток (одну заготовку), который затем извлекают, то разливку принято называть полунепрерывной. Такого типа агрегаты устанавливают в цехах, где в печах небольшой емкости выплавляют сложнолегированные ста­ли или сплавы, электроды для после­дующего ВДП или ЭШП.

23.2.3. Работа современных устано­вок.На первом этапе в промышлен­ном масштабе применяли установки в основном вертикального типа (рис. 23.14). При получении на таких установках заготовок относительно большой толщины зона полного за­твердевания и соответственно участок резки заготовки на мерные длины на­ходятся на большом удалении от крис­таллизатора. В результате установка должна быть или очень высокой (>40 м) и на такую высоту необходимо поднимать ковш со сталью, или при размещении ковша на небольшой вы­соте (над уровнем пола цеха) всю уста­новку располагать на очень большой глубине, а порезанные заготовки вы­давать затем наверх. Как правило, для уменьшения высоты здания и упроще­ния системы подачи сталеразливоч-ных ковшей к месту разливки УНРС вертикального типа располагали на небольшой высоте над уровнем цеха, а основное оборудование размещали в глубоком железобетонном колодце. Помимо повышения стоимости строи­тельства это приводило к необходимости применения сложных систем выдачи из колодца порезанных заготовок, создавало серьезные затруднения в случее прорыва корки слитка и при аварийной разливке и т.д.

Принципиальная схема затвердева­ния непрерывного слитка приведена на рис. 23.15. Технология и организа­ция непрерывной разливки определя­ются в числе прочих таким показате­лем, как глубина (высота, длина) стол­ба жидкой фазы (или так называемой жидкой лунки). Глубина жидкой фазы L (м) пропорциональна скорости раз­ливки v (м/мин) и квадрату условного радиуса сечения слитка (заготовки) R_сл (м), т.е. L=kR²_сл , где k —коэффи­циент, зависящий от условий разлив­ки и охлаждения, формы сечения слитка и т.д. Полная продолжитель­ность кристаллизации (затвердевания) слитка составляет _кр = kR²_сл Таким образом, скорость разливки при про­чих равных условиях определяет длину зоны кристаллизации.

Рис. 23.13.Принципиальные схемы устано­вок непрерывной разливки стали:

/ — вертикального типа; 2—вертикального типа с изгибом; 3— с вертикальным кристаллизатором с короткой вертикальной частью и последующим из­гибом по определенному радиусу; 4— радиального типа; 5— с изогнутым кристаллизатором и возраста­ющим радиусом изгиба (криволинейного типа); 6 — горизонтального типа; С — зона порезки заготовки; S — конец затвердевания

Рис. 23.14.Схема УНРС вертикаль­ного типа:

/ — промежуточный ковш; 2—кристалли­затор; .3—вторичное охлаждение; 4 — тя­нущие валки; 5—га­зорезка

Повышение скорости разливки пу­тем увеличения длины зоны кристал­лизации на установках вертикального типа осуществить трудно, так как с увеличением высоты незакристалли­зовавшегося столба металла растет и ферростатическое давление, что мо­жет привести к выпучиванию корочки слитка и ее разрушению. Нежелатель­но также и увеличение высоты уста­новки .В настоящее время УНРС вер­тикального типа почти не строят. Ис­ключение составляют установки для разливки специальных сталей, слит­ков специальных профилей, пустоте­лых трубных заготовок и т. п. Стрем­ление уменьшить высоту привело к созданию УНРС вначале радиального, затем криволинейного и горизонталь­ного типов.

Использование УНРС радиального и криволинейного типов (т. е. с изги­бом заготовки в процессе кристалли­зации), у которых неполностью за­твердевшая заготовка выходит на го­ризонтальный участок, позволяет зна­чительно повысить скорость разливки при крупных сечениях слитка, так как участок резки заготовки на мерные длины может быть расположен на дос таточно большом расстоянии от крис­таллизатора (30—40м и более).

Рис. 23.15.Схема за­твердевания непрерыв­ного слитка:

1 — кристаллизатор (пер­вичное охлаждение); 2 — подвод и отвод воды для охлаждения кристаллиза­тора; 3 — система вторич­ного охлаждения (форсун­ки для подачи воды на по­верхность слитка); 4 — уровень жидкого металла в кристаллизаторе; 5—за­кристаллизовавшаяся часть слитка

Организация равномерного затвер­девания непрерывнолитого слитка, изгибаемого в процессе кристаллиза­ции, связана с решением ряда слож­ных проблем. Главной является то, что одновременно одна (внешняя) часть изгибаемой заготовки испытывает рас­тягивающие напряжения, а другая (внутренняя) — сжимающие. Решени­ем этой проблемы являются: а) рафи­нирование металла от вредных приме­сей (прежде всего примесей, снижаю­щих прочность тонкой корочки крис­таллизующегося слитка); б) разливка металла в строго определенном темпе­ратурном интервале; в) соответствую­щий выбор оборудования.

Современная УНРС представляет собой сложный комплекс (рис. 23.16) технологического, механического, гидравлического и электронного обо­рудования, включающий: промежу­точный ковш с приспособлениями (например, разделительными стенка­ми) для исключения влияния подачи металла из большого ковша; скользя­щий затвор; удлиненный, опускаемый под уровень металла разливочный ста­кан; оборудование для продувки ме­талла инертным газом; устройства для подачи шлаковых смесей на поверх­ность металла в кристаллизатор, алю­миниевой проволоки в глубь метал­ла, защитных газовых струй для пред­отвращения вторичного окисления; оборудование для электромагнитно­го перемешивания жидкого металла в кристаллизующейся заготовке, для обжатия и порезки затвердевшей за­готовки; устройства для контроля про­цесса разливки и т. д.

Для вытягивания заготовки служит система роликов (роликовая провод­ка); ролики прижимаются к вытягива­емой заготовке посредством гидравли­ческих механизмов. Прижатие роли­ков может осуществляться также при помощи пружинных механизмов. По­мимо роликовой системы вытягива­ния слитка существует также система шагающих балок, при которой вытя­гивание (и одновременно вторичное охлаждение) осуществляется при по­мощи плоских кристаллизаторов, по­переменно прижимающих выходящую из кристаллизатора заготовку и пере­мещающих ее вниз.

Наибольшее распространение по­лучили УНРС с роликовой системой межуточный ковш — разливочный стакан требуются высококачествен­ные огнеупоры разного состава (рис. 23.17). Особое качество огнеупо­ров необходимо для футеровки зоны падения струи (например, муллит). В зависимости от используемых огне­упорных материалов промежуточные ковши делят на три типа:

1. Нагреваемые перед разливкой до 1100 °С (теплые). На рабочую футе­ровку наносят слой магнезитовой за­щитной массы (в зонах максимально­го износа).

2. Нагреваемые газокислородной горелкой до >1500°С (горячие). Проме­жуточные ковши применяют при оп­ределенных технологических и метал­лургических условиях и футеруют вы­сококачественным (~96 % MgO) маг­незитовым кирпичом.

3. Неподогреваемые перед разлив­кой (холодные). В зоне контакта с рас­плавом в таких ковшах укладывают плиты из основных или кислых огне­упоров (рис. 23.18).

Высококачественные огнеупорные плиты (~85 % SiO₂) имеют малую ка­жущуюся пористость (1,0—1,1 г/см³) и соответственно малую теплопровод­ность (0,20-0,25 Вт/(м • К)). Толщина плиты ~30мм. Использование арми­рующих волокон (например, асбеста) при изготовлении плит обеспечивает достаточную прочность. Соединитель­ные грани плит выполняют уступами, которые при укладке двух соседних плит перекрываются. Швы дополни­тельно уплотняют быстротвердеющей обмазкой. Для подогрева металла ис­пользуют электродуговые или плаз­менные установки.

На рис. 23.19 показаны другие ва­рианты использования промежуточ­ного ковша для подогрева металла в процессе разливки.

В современных конструкциях ком­плекса сталеразливочный ковш — промежуточный ковш — кристалли­затор предусмотрено исключение контакта металла с атмосферным воз­духом. На рис. 23.20 показан один из

Рис. 23.17.Огнеупорные изделия, применяемые при непрерыв­ной разливке стали:

/— сталеразливочный ковш; If— промежуточный ковш; III— кристалли­затор; 1 — шлаковая зона (например, магнезит); 2— пористый блок; 3 — изоляция; 4 — арматурный слой футеровки (например, доломит на смоля­ной связке); 5, 6— слои футеровки; 7—шиберный затвор с защитной трубкой; 8— перегородка; 9— защитное покрытие; 10— плиты холодного промежуточного ковша; 11— стопор-моноблок; 12— погружной стакан (цельный); 13 — то же, составной (из двух частей); 14— отбойная плита; )5 — шиберный затвор промежуточного ковша; 16— дозатор для разливки открытой струей

Рис. 23.18.Конструкция холодного промежуточ­ного ковша:

I — футеровка; 2 — изоляци­онная плита; 3— кожух; 4 — изоляционный конус для за­щиты гнездового кирпича; 5—гнездовой кирпич; 6— дозатор

Рис. 23.19.Промежуточный ковш с системой подогрева:

а —с индуктором (/ — индуктор; 2— обмотка; 3 — жидкая сталь; 4— промежуточный ковш; 5—ста­кан; 6— футеровка); б — керамическое устройство с индукционными катушками, погружаемое в металл в ковше

простых (и наиболее распространен­ных) вариантов системы подачи ме­талла в кристаллизатор. Хороших ре­зультатов достигают при аргонной за­щите струи. Важно так организовать эту защиту, чтобы получить желаемый результат при минимальном расходе аргона и обеспечить при этом ровную (без колебаний и всплесков) поверх­ность металла в кристаллизаторе.

На рис. 23.21 показаны другие ва­рианты подвода аргона, в том числе и такие, которые помогают предотвра­тить затягивание канала оксидами алюминия и улучшают условия всплы­тия неметаллических включений в кристаллизаторе. Кроме того, продув­ка металла аргоном оказывает рафи­нирующее действие на расплав. При производстве заготовок крупного се­чения для повышения качества заго­товок (снижение ликвации и пористо­сти в осевой зоне) может быть исполь­зован и такой прием, как продувка ме­талла аргоном непосредственно в кристаллизаторе.

23.2.5. Кристаллизаторы.Важней­шим узлом УНРС является кристалли­затор, обеспечивающий интенсивный отвод тепла от кристаллизующейся стали и образование по периметру не­прерывно формируемой корочки, ко­торая на выходе из кристаллизатора должна выдерживать ферростатичес-кое давление жидкой фазы слитка. Кроме того, поверхность стенок кри­сталлизатора должна быть устойчи­вой к истиранию. Одним из важных критериев оценки материала, приме­няемого для изготовления стенок

Рис. 23.20.Система подачи металла в крис­таллизатор с защитой от воздействия атмо­сферы на струю металла:

/ — сталеразливочный ковш; 2—шиберный затвор; 3 — соединительный стакан; 4 — удлиненный ста­кан; 5—промежуточный ковш; 6— защитные сме­си; 7—кристаллизатор; 8 — погружной стакан; 9— стопор

Рис. 23.21.Способы подачи аргона в погружной стакан

кристаллизатора, является отноше­ние коэффициента термического расширения к коэффициенту теп­лопроводности . Чем меньше это отношение / , тем более перспек­тивным для изготовления кристалли­затора является материал: для меди / = 4,8 • 10 ^-8 м/Вт, для графита (1,5-2,6) • 10 ^-8 м/Вт, для алюминия 20,8 • 10 ^-8 м/Вт, для стали 21,6 • 10 ^-8 м/Вт. Обычно в качестве материала для из­готовления кристаллизатора использу­ют медь или графит. Для повышения стойкости и сохранения стабильности размеров кристаллизаторов стороны стенки, которые соприкасаются с ме­таллом, покрывают тонким слоем ма­териала, стойкого к истиранию. Наи­более часто внутреннюю поверхность медного кристаллизатора покрывают тонкими слоями вначале никеля, за­тем хрома.

Для предотвращения прилипания корочки слитка к кристаллизатору и возможного при этом зависания слит­ка (и образования трещин) при помо­щи механизмов качания организуют непрерывное возвратно-поступатель­ное движение кристаллизатора. Чтобы избежать появления на поверхности слитка грубых складок (следов кача­ния), интенсивность качания должна быть очень высокой (на современных УНРС до 400 и более раз в минуту). Режим возвратно-поступательного движения обычно подчиняется синусоидальному закону. Хорошие резуль­таты получены также при организации вибрации кристаллизатора.

Конструкции кристаллизаторов могут быть достаточно сложными. На­пример, для повышения производи­тельности установок и уменьшения продолжительности простоев обору­дования по ходу непрерывной разлив­ки при необходимости можно изме­нять размеры отливаемой заготовки. Для этого потребуется изменить по ходу разливки сечение кристаллизато­ра. На рис. 23.22 приведены некото­рые приемы, используемые на практи­ке для изменения размеров заготовки без остановки оборудования. На рис. 23.23 показана конструкция регу­лируемого кристаллизатора, разрабо­танная в НИИтяжмаш ПО «Уралмаш». Отличительной особенностью конструкции является П - образная форма широкой базовой стенки 7. В объемных боковинах 2 ее выполнены пазы, в которые входят шипы подвиж­ной широкой стенки малого радиуса 3. Узкие стенки 4 подвешиваются на специальных скалках и шарнирно свя­заны с крючками толкателей двух червячно-винтовых механизмов, установ­ленных в боковинах. Скалки воспри­нимают поперечное усилие от массы стенок и разгружают толкатели, кото­рые работают только в тянуще-толка­ющем режиме. Сборочное усиление зажатия узких стенок между широки-

ми достигается при помощи пружин 5 на двух стяжках 6.

На внешней стороне широкой под­вижной стенки малого радиуса нахо­дятся два регулируемых винтовых упо­ра 7, через которые при помощи под­вижной балки механизма качания 8, имеющей пружинно-гидравлический привод, создаются усилие зажатия уз­ких стенок между широкими и прижа­тие всего кристаллизатора к базовым упорам механизма качания. Перед ре­гулированием положения узких сте­нок кристаллизатор «распускается» при помощи обратного (по отноше­нию к сжатию) хода подвижной балки механизма качания, имеющей захваты и оттягивающей подвижную широкую стенку малого радиуса. При этом сни­мается усилие зажатия с узких стенок, а базовая стенка остается неподвиж­ной относительно базовых поверхнос­тей механизма качания.

Регулирование конусности торцо­вых стенок и перенастройка их на дру­гой (по ширине) диапазон заготовок осуществляются при помощи двух червячно-винтовых механизмов руч­ной настройки, смонтированных в бо­ковинах базовой стенки. Ручные при­воды этих механизмов при помощи специального ключа 9 позволяют раз-

Рис. 23.22.Варианты схем использования составных кристаллизаторов для изменения сече­ния заготовки без перерыва в литье (завод «Хирохата», Япония):

о —погружной стакан; б—кристаллизаторы; в —заготовка; /—уменьшение ширины; Я—увеличение ши­рины; 1—4— стадии

Рис. 23.23.Кристаллизатор конструкции ПО «Уралмаш» делить перемещение верхнего и ниж­него винтов

или, наоборот, одновре­менно перемещать их. Раздельное пе­ремещение требуется для регулирова­ния конусности. Одновременное пе­ремещение верхнего и нижнего винтов позволяет настраивать крис­таллизатор на требуемый диапазон слитков по ширине. Применение ре­гулируемого кристаллизатора позво­ляет оперативно в зависимости от марки отливаемой стали и скорости разливки, а следовательно, от истин­ной усадки слитка регулировать по­ложение (конусность) торцовых сте­нок, контролируя усадку формирую­щегося слитка непосредственно в ус­тановке. Это качество конструкции регулируемого кристаллизатора спо­собствует уменьшению износа сте­нок, улучшению качества заготовок, увеличению межремонтного периода работы.

При разливке небольших серий плавок на различные по ширине сече­ния заготовки нет необходимости каждый раз менять кристаллизатор; настройку на другую ширину можно выполнять непосредственно в УНРС. В этом случае можно. уменьшить об­щее число (парк) кристаллизаторов.

На рис. 23.23 показано, что стенки кристаллизатора пронизаны отверсти­ями для его охлаждения водой. Суще­ствуют варианты организации охлаж­дения стенок, в том числе так называемое струйное охлаждение. По некото­рым данным, использование струй­ного охлаждения кристаллизаторов позволяет избежать появления про­дольных угловых трещин, увеличить скорость разливки и контролировать интенсивность отвода тепла. Совре­менные установки позволяют получать непрерывнолитые заготовки сложной конфигурации. На рис. 23.24 и 23.25 показаны схема кристаллизатора для получения балочной заготовки и схема установки форсунок вторичного ох­лаждения. Конструкторы имеют воз­можность создавать новые конструк­ции УНРС с учетом новых технологий разливки, а также их различные комби­нации для получения новых конструк­ционных материалов. Например, на рис. 23.26 показаны варианты а, б тех­нологии получения биметаллов при од­новременной разливке стали двух раз­ных марок.

Все большее распространение по­лучают агрегаты, предназначенные для получения особых видов продук­ции, например трубной заготовки (рис. 23.27). Имеются и более слож­ные установки. В качестве примера приведем так называемую центробеж­ную или роторную разливку. На уста­новках такого типа питание вращаю­щегося кристаллизатора цилиндри­ческой формы жидким металлом осу­ществляется эксцентрично под углом к вертикали. Под действием центро-

Рис. 23.24.Кристаллизатор для балочной заготовки

Рис. 23.25.Вторичное

охлаждение балочной

заготовки

Рис. 23.26.Варианты получения биметаллов методами непрерывной

разливки

Рис. 23.27.Схема непрерывного литья полых цилиндрических слитков при разной (а, 6) организации вторичного охлаждения:

/ — кристаллизатор; 2— слиток; 3— система вторичного охлаждения

бежных сил, возникающих в расплаве при его вращении, получается зат­вердевшая поверхностная корочка высокого качества; неметаллические включения (имеющие меньшую плот­ность) перемещаются при вращении к центру заготовки, откуда сравни­тельно легко удаляются. Вращение слитка обеспечивает ускоренное и равномерное охлаждение, улучшает смазку, облегчает процесс резки. Ус­коренная кристаллизация дает воз­можность использовать кристаллиза­тор меньшей высоты.

23.2.6. Горизонтальные УНРС.Со­здание установок горизонтального типа позволяет решать ряд как эконо­мических, так и организационных проблем: 1) снижение капитальных затрат; 2) возможность размещения установок в действующих цехах, так как для этого не требуется строитель­ство колодцев и башен; 3) уменьше­ние эксплуатационных затрат благода­ря удобству обслуживания, так как все оборудование расположено на уровне пола цеха; 4) возможность совмеще­ния установки непрерывной разливки с прокатным станом.

Действующие конструкции гори­зонтальных УНРС созданы трудом металлургов многих стран; в числе первых были работы советских спе­циалистов. В 70-е годы в СССР нача­ли работать УНРС горизонтального типа, разработанные УкрНИИметом (рис. 23.28). Практика работы УНРС такого типа показала, что горизонтальные УНРС лучше выполнять на­клонными. Некоторый наклон улучша­ет условия удаления газов из кристал­лизатора при заливке первой порции металла, а также улучшает процесс окончания разливки. При строго го­ризонтальном положении кристалли­затора и опускании в конце разливки уровня мениска в металлоприемнике до верхней образующей кристаллиза­тора необходим этап прекращения разливки и ожидания полного затвер­девания слитка. Не имеющие этого недостатка наклонные УНРС обычно также называют установками горизон­тального типа.

В настоящее время в мире работа­ют десятки горизонтальных УНРС различных конструкций. Наиболее распространены конструкции, у кото­рых процесс получения заготовки ос­нован на принципе периодического ее вытягивания из неподвижного крис­таллизатора, жестко соединенного че­рез торцовую стенку с металлоприем-ником. Организация управления цик­лом вытягивание—обратный ход на от­дельных установках различается. Частота цикла достигает 200 цикл/мин (иногда до 300 цикл/мин, что требует особого внимания к качеству изготов­ления оборудования).

Ответственными узлами горизон­тальной УНРС (ГУНРС) являются ме-таллоприемник, кристаллизатор и со­единение металлоприемника с крис­таллизатором. Вместимость и конст­рукция металлоприемника должны

Рис. 23.28.Схема горизонтальной УНРС конструкции УкрНИИмета:

1 — металлоприемник; 2 — пористая пробка для продувки металла инертным га­зом; ^—кристаллизатор; 4— индуктор

обеспечить: 1) стабильную подачу ме­талла в кристаллизатор; 2) условия для всплытия неметаллических включе­ний; 3) предотвращение вторичного окисления металла; 4) возможность прекращения подачи металла в крис­таллизатор в любой момент разливки (прекращение разливки, аварийная ситуация и т. п.). Для ГУНРС разных конструкций используют различные технологии, такие, например, как ин­дукционный подогрев металла, подача сверху инертного газа (и для предотв­ращения окисления поверхности ме­талла, и для повышения при необхо­димости ферростатического давле­ния), перемешивание металла (про­дувкой аргоном или при помощи индукторов), применение затворов шиберного или иного типа и т.п., уве­личение вместимости металлоприем­ника (до >10 т) и др.

На рис. 23.29 показана схема ме­таллоприемника ГУНРС, снабженно­го шиберным затвором, индуктором и крышкой. Одной из наиболее ответ­ственных деталей ГУНРС является так называемое разделительное кольцо, соединяющее металлоприемник с кристаллизатором. К материалу этой детали предъявляют особо высокие требования, поскольку кроме высокой точности размеров эта деталь должна обладать высокой термической стой­костью, стойкостью к разрушениям, налипанию металла и включений, низким температурным коэффициен­том линейного расширения и другими свойствами. Обычно для изготовления разделительных колец используют та­кие дорогостоящие и дефицитные ма­териалы, как порошки нитрида бора (BN), иногда нитрида кремния (81₃НО, испытывают новые материалы типа SIALON (81_хА1/Ж_г). Затраты на изготовление и эксплуатацию разде­лительных колец существенно влияют на экономичность работы ГУНРС. Бо­лее дорогостоящим, чем для обычных УНРС, является и кристаллизатор ГУНРС. Типы и конструкции крис­таллизаторов различны. На некоторых ГУНРС используют кристаллизаторы с несколькими (например, тремя) зо­нами теплоотвода. Первая зона — кольцо из нитрида бора, вторая (обра­зование корочки заготовки) — из мед но-бериллиевого сплава с высокой твердостью и износостойкостью, тре­тья—графитовая вставка. Поскольку теплопроводность графита ниже, чем меди, обеспечивается равномерное распределение температур по сечению заготовки. Графит уменьшает также силы трения между заготовкой и крис­таллизатором.

Рис. 23.29.Металло­приемник ГУНРС конструкции фирмы «ФЕСТ-Альпине»:

/ — корпус; 2 — крис­таллизатор; 3 — шибер­ный затвор; 4 — индук­тор для подогрева ме­талла

Схема образования корочки при кристаллизации в ГУНРС отличается от схемы, характерной для вертикаль­ных кристаллизаторов (рис. 23.30). Бо­лее высокое, чем в вертикальных кри­сталлизаторах, ферростатическое дав­ление обеспечивает лучший контакт с металлом горизонтального кристалли­затора. В связи с этим интенсивность отвода тепла от металла в горизон­тальном кристаллизаторе выше (при­мерно в 1,5 раза); соответственно длина горизонтальных кристаллиза­торов обычно меньше, чем вертикаль­ных (коэффициент затвердевания стали в горизонтальных кристаллиза­торах достигает 26—30 мм/мин^0,5).

Конструкции ГУНРС непрерывно совершенствуются. На рис. 23.31 по­казана схема ГУНРС, разработанная

Рис. 23.30.Распределение ферростатическо­го давления в вертикальном (а) и горизон­тальном (б) кристаллизаторах:

1 — кристаллизатор; 2— корочка слитка; 3— ферро­статическое давление

1/П

Рис. 23.31.Схема ГУНРС с двусторонним

вытягиванием заготовки конструкции

ВНИИметмаша

ВНИИметмашем. Особенностью уста­новки является то, что в ней фронт кристаллизации перемещается не в одном направлении, как у обычных установок, а в двух, причем противо­положных, направлениях. Такой спо­соб разливки исключает образование неравномерной структуры заготовки. Медный водоохлаждаемый кристалли­затор совершает возвратно-поступа­тельные движения. Скорость вытяги­вания заготовки регулируют таким об­разом, чтобы фронт кристаллизации начинался на некотором расстоянии от отверстия питателя. Общая длина кристаллизатора при отливке загото­вок сечением 150x150 мм составляет 1200—1500мм. После выхода из крис­таллизатора заготовка попадает в зону вторичного охлаждения душирующего типа. Установка получила название «Горизонт».

23.2.7. Разливка под давлениемзак­лючается в подаче жидкой стали вверх в кристаллизатор для получения заго­товки. Жидкий металл проталкивают (выдавливают) в этот кристаллизатор из ковша, помещаемого в камеру вы­сокого давления, через специальный патрубок. Кристаллизаторы на таких действующих установках водоохлаж-даемые графитовые. На заводе фирмы Greusot- Loire Ind. (Франция) такие ус­тановки, работающие с 1988 г., ис­пользуются для получения слябов из специальных сталей толщиной до 400 мм. Сравнительно небольшой объем производства на данном заводе (около 100 тыс. т в год) делает нерен­табельным установку обычных УНРС.

23.2.8. Установки валкового, лен­точного или конвейерного типа.На ус­тановках данного типа кристаллизую­щийся металл движется вместе с кристаллизатором и скольжение оболочки слитка (заготовки) относительно кри­сталлизатора отсутствует. Начало ин­женерных изысканий в этом направ­лении положил еще Г. Бессемер, пред­ложивший 130 лет назад установку (рис. 23.32) непосредственного полу­чения стальной ленты (штрипса) тол­щиной 2,5 мм при разливке металла между двумя вращающимися водоох-лаждаемыми цилиндрами диаметром 1220мм каждый (так называемая бес­слитковая прокатка). Практические трудности реализации процессов та­кого типа оказались в то время труд­нопреодолимыми. Однако в последнее время процесс непрерывной разливки тонких слябов получил широкое рас­пространение: разработаны различные варианты конструкций подвода метал­ла к валкам (водоохлаждаемым цилин­драм)—рис. 23.33.

Рис. 23.32.Установка непрерывной разливки

(«бесслитковой прокатки») конструкции

Г. Бессемера

Рис. 23.33.Схема одновалковой (а) и двух­валковой (б) УНРС для получения тонкого листа

Рис. 23.34.Схема разливочной машины инженера М. Ф. Голдобина

Вариант такого рода установок— УНРС конвейерного или «гусенично­го» типа. Одной из первых установок конвейерного типа была установка ин­женера М. Ф. Голдобина (рис. 23.34), спроектированная в 1946 г. и построен­ная в 1950 г.

На установках ленточного типа металл из ковша через металлопри­емник непрерывно поступает в про­странство между бесконечной лен­той и колесом. Внутренняя поверх­ность ленты и внешний обод колеса представляют собой кристаллизатор, в котором непрерывно заливаемая сталь должна успеть закристаллизо­ваться. Установки такого типа ис­пользуют для получения профилей небольшого сечения (например, про­волоки или тонкой ленты). На рис. 23.35 показана схема установки для непосредственного получения тонких слябов толщиной от 20 до 80 мм, шириной 600 мм из углероди­стых и коррозионностойких сталей в конвертерном цехе одного из заводов Японии.

Металл получают в 250-т конверте­ре, затем из 250-т ковша переливают в 50-т ковш, из которого последователь­но заглубленной струей он попадает в большой (8 т) и малый (2 т) промежу­точные ковши, затем поступает на двухленточную УНРС (струю металла защищают от окисления аргоном). Металл затвердевает в зазоре между двумя бесконечными водоохлаждае-мыми лентами. Скорость выхода полу­чаемого листа составляет 4—6 м/мин (максимальная —15 м/мин). По име-

Рис. 23.35.УНРС ленточного типа системы Hazelett (завод Kashima, Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3 — металлоприемник; 4— направляющие ролики; 5 — тянущие ролики; 6— кислородная резка; 7— зона вторичного охлаждения

ни разработчика Р. В. Хазелетта схема известна как Hazelett-схема (или Hazelett/Krupp). Установка действует с 1983 г. Первый опыт эксплуатации ус­тановок такого типа¹ показал, что для их успешной работы необходимо иметь металл стандартно высокого ка­чества, высокий уровень организации контроля и автоматизации. Результаты работы современных УНРС позволили сделать дальнейший шаг — разрабо тать технологии совмещения непре­рывной разливки и прокатки

¹ За рубежом они получили название ус­тановка TSCC (от англ, thin-slab-continuous-casting)..

23.2.9. Совмещение непрерывной разливки с прокаткой.Совмещение не­прерывной разливки с обработкой давлением обеспечивает экономию электроэнергии, необходимой для по­догрева заготовок перед прокаткой, и повышение производительности бла­годаря снижению потерь. При этом оказалось, что даже небольшая сте­пень обжатия положительно влияет на качество металла: при деформации >0,5 мм/м заметны снижение ликва­ции в центре заготовки и улучшение ее качества. При совмещении непре­рывной разливки с прокаткой дости­гаются: 1) повышение производитель­ности, экономия производственных площадей и расходов на транспорти­ровку заготовок из разливочного отде­ления в прокатный цех; 2) снижение расхода топлива и энергии вследствие исключения (или уменьшения) энер­гетических затрат на нагрев заготовки перед прокаткой; 3) улучшение каче­ства стали даже при небольшом обжа­тии непрерывного слитка.

Производительность современных прокатных станов существенно выше пропускной способности установок непрерывной разливки, поэтому глав­ной проблемой, возникающей при со­вмещении непрерывной разливки с прокаткой, является изыскание такой системы охлаждения и такой конст­рукции кристаллизатора, которые обеспечивают выход непрерывного слитка со скоростью, достаточной для нормальной загрузки современного непрерывного прокатного стана. Мак­симальная скорость непрерывной раз­ливки (и соответственно скорость скольжения корочки слитка по стен­кам медного кристаллизатора), дос­тигнутая на современных установках, составляет 4—5 м/мин, что намного ниже скорости движения заготовки в прокатном стане.

Разработка совмещенного процес­са непрерывная разливка—прокатка ведется в двух направлениях:

1. Установка системы прокатных валков непосредственно на пути дви­жения заготовок (рис. 23.36).

2. Порезка заготовок на мерные длины, пропуск горячих заготовок че-

рез дополнительное нагревательное устройство (пламенный или индукци­онный нагрев) и дальнейшее движе­ние непосредственно в прокатный стан.

Крупные комплексы такого типа действуют на ряде заводов мира; их производительность колеблется от со­тен тысяч до 2 млн. т заготовок в год. Передача непрерывнолитых заготовок на прокатный стан без промежуточно­го нагрева получила название прямая прокатка. Для обеспечения надежной работы комплекса непрерывная раз­ливка—прокатка необходимо обеспе­чить получение бездефектных загото­вок, позволяющее исключить опера­ции их охлаждения, осмотра, зачистки и нагрева перед прокаткой. Для этого требуются металл высокого качества с минимальным содержанием вредных примесей и включений, прошедший комплексную внепечную обработку, а также высокий уровень организации контроля за ходом процесса разливки и прокатки. При обжатии необходимо определенное соотношение сжимаю­щих и растягивающих напряжений для обеспечения удовлетворительного качества заготовок. При организации прокатки непрерывнолитых заготовок на таких комплексах приходится учи­тывать, что в отличие от обычных ус­ловий в данном случае температура внутренней части заготовки выше, чем наружной. Она настолько высока, что сопротивление деформации внут­ренних частей заметно ниже, чем на­ружных. Это различие особенно за­метно в случае обжатия заготовки с еще жидкой сердцевиной. С одной стороны, это позволяет уменьшить мощность обжимных клетей при уменьшении числа проходов, с дру­гой — ставит ряд таких проблем обес­печения качества проката, многие из которых находятся еще в стадии реше­ния.

Одной из них является, например, проблема компенсации снижения температуры поверхности (вследствие интенсивного ее охлаждения) угловых частей заготовки и предотвращение вследствие возникающих напряжений образования трещин, в том числе уг­ловых, продольных, поперечных и т. п. Накопленный опыт свидетель-

Рис. 23.36.Схема УНРС, совмещенной с прокаткой:

1 — подъемник сталеразливочного ковша; 2 — сталеразливочный ковш; 3 — одна из двух установок вакуумирования; 4 — промежуточный ковш на те­лежке; 5—кристаллизатор; 6— тележка для транспортирования сталераз­ливочного ковша; 7—тянущие валки; 8— правильная машина; 9—подо­гревательная печь; 10— обжимной стан; 11 — газорезка; 12— разливочная

тележка

ствует о том, что для обеспечения га­рантированного высокого качества за­готовки необходимо проведение сле­дующих мероприятий:

1. Совершенствование технологии выплавки стали и предотвращение по­падания конечного шлака в ковш при выпуске.

2. Вакуумная обработка стали.

3. Продувка металла в ковше арго­ном.

4. Защита струи металла между ста-леразливочным и промежуточным

ковшами от взаимодействия с возду­хом.

5. Увеличение глубины промежу­точного ковша для улучшения условий всплытия включений.

6. Применение погружного стака­на, обеспечивающего вымывание включений с внутренней поверхности кристаллизующейся корочки.

7. Обеспечение равномерной пода­чи флюса в кристаллизатор.

8. Продувка аргоном в стакане про­межуточного ковша.

9. Контроль, автоматика и обору­дование, обеспечивающие постоян­ный уровень (±3 мм) металла в крис­таллизаторе.

10. Обеспечение строгой соосности (в пределах <0,5 мм) кристаллизатора и верхней секции направляющих ро­ликов.

11. Высокая частота качаний крис­таллизатора.

12. Обеспечение равномерного охлаждения по ширине и длине заго­товки.

13. Применение электромагнитно­го перемешивания жидкой сердцеви­ны заготовки.

14. Пропуск отлитых заготовок (например, слябов) по рольгангу че­рез теплообменник, что обеспечива­ет стандартные условия охлаждения заготовки на пути к прокатному ста­ну (одновременно утилизируется те­ряемое тепло, которое используют для получения низкотемпературного пара).

Перечисление этих мероприятий показывает, что работа методом пря­мой прокатки возможна лишь при комплексном использовании методов внепечной обработки металла, усовер­шенствовании оборудования для не­прерывной разливки, контроле про­цесса разливки и автоматизации уп­равления всеми операциями.

Одна из технических проблем, воз­никшая при совмещении разливки и прокатки, — трение корочки кристал­лизующегося слитка о стенки кристал­лизатора.

Поиски технических решений, позволяющих устранить (или существен­но уменьшить) трение при скольже­нии корочки слитка о стенки кристал­лизатора и обеспечивающих возмож­ность повышения скорости разливки, привели к созданию так называемых литейно-прокатных комплексов. Одно из технических решений было предло­жено металлургами Японии, создав­шими колесно-ленточный агрегат, на­званный ими роторным. Агрегат (рис. 23.37) включает вращающееся ленточное колесо диаметром 3 м с вы­емкой трапецеидального сечения на ободе и прижимаемую к ободу на уча­стке около 90° бесконечную стальную ленту, которые образуют таким обра­зом кристаллизатор длиной 1,8м. Бла­годаря большей (в 2,5 раза), чем обыч­но, длине кристаллизатора и относи­тельной неподвижности заготовки и кристаллизатора производительность такой установки существенно выше производительности установок тради­ционного типа. На выходе с колеса за­готовку разгибают по плавной траек­тории при помощи водоохлаждаемого клина и ряда роликов. Затем заготовка проходит через правильное устрой­ство, зону форсуночного охлаждения, устройство для выравнивания темпе­ратуры по сечению и поступает в об­жимную клеть, формирующую из тра­пецеидальной (площадь поперечного сечения 18500мм²) квадратную (се­чением 120х 120мм) заготовку. В про­цессе обжатия скорость выхода заго­товки повышается с 4,2 до 5,5 м/мин. Экономичность работы установки обеспечивается высокой ее произво-

Рис. 23.37.Колесно-ленточная УНРС, совме­щенная с прокатным станом конструкции Hitachi (Япония):

1 — сталеразливочный ковш; 2 — промежуточный ковш; 3— литейное колесо; 4 — тянущие ролики; 5 —зона вы­равнивания температуры; 6— ножницы; 7— горизон­тальная клеть; 8— вертикальная клеть; 9— направляю­щие велики: 10— охлаждение ленты

дительностью, 100%-ной экономией затрат на энергию и огнеупоры для нагрева заготовок, повышением сквозного выхода годного до 99 %.