Оборудование и устройство МНЛЗ

МНЛЗ — машина непрерывного литья заготовок (или УНРС — установка непрерывной разливки стали). В настоящее время около 60 % отливаемых непрерывным литьем заготовок разливается на слябовых МНЛЗ. Жидкая сталь непрерывно заливается в водоохлаждаемую форму, называемую кристаллизатором. Перед началом заливки в кристаллизатор вводится специальное устройство с замковым захватом («затравка»), как дно для первой порции металла. После затвердевания металла затравка вытягивается из кристаллизатора, увлекая за собой формирующийся слиток. Поступление жидкого металла продолжается и слиток непрерывно наращивается. В кристаллизаторе затвердевают лишь поверхностные слои металла, образуя твердую оболочку слитка, сохраняющего жидкую фазу по центральной оси. Поэтому за кристаллизатором располагают зону вторичного охлаждения, называемую также второй зоной кристаллизации. В этой зоне в результате форсированного поверхностного охлаждения заготовка затвердевает по всему сечению. Этот процесс слиткообразования является способом получения слитков неограниченной длины. В этом случае по сравнению с разливкой в изложницы резко уменьшаются потери металла на обрезку концов слитков, которые, например, при литье спокойной стали составляют 15—25 %. Кроме того, благодаря непрерывности литья и кристаллизации, достигается полная равномерность структуры слитка по всей его длине.

Различают 4 конструкции МНЛЗ:

- вертикальные;

- криволинейные;

- радиальные.

- горизонтальные

По количеству ручьёв МНЛЗ разделяют на 1—7 ручьевые.

В зависимости от геометрии слитка МНЛЗ делятся на

слябовые;

блюмовые;

заготовочные.

Непрерывная разливка стали на МНЛЗ состоит в том, что жидкий металл непосредственно из ковша или через промежуточное устройство непрерывно заливается в верхнюю часть водоохлаждаемого кристаллизатора, в который предварительно вводят затравку того же поперечного сечения, что и слиток. Верхний торец затравки служит дном для первых порций металла. По мере затвердевания отливаемая заготовка с помощью тянущих механизмов вытягивается вниз.

Непрерывная разливка стали для отливки сортовых и листовых заготовок характеризуется следующими технико-экономическими преимуществами по сравнению с производством заготовок из слитков:

Значительно сокращается расход металла на тонну готовой продукции (с 12-25 до 3-5%) в результате уменьшения отходов донной и головной частей слитков.

Улучшаются условия труда в разливочном пролете, поскольку отпадает выполнение тяжелых работ по подготовке изложниц к разливке, раздеванию слитков и др. Процесс подготовки и разливки на машинах непрерывной литья заготовок (МНЛЗ) является механизированным и в значительной степени автоматизированным вплоть до резки и уборки заготовок.

При непрерывной разливке стали уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты в связи с отсутствием надобности в обжимных станах.

Механизация и автоматизация процесса на МНЛЗ обеспечивает постоянство условий производства и повышение производительности труда примерно на 20-25% по сравнению с цехами, где сталь разливают в слитки.

В связи с этими преимуществами непрерывная разливка стали интенсивно развивается и внедряется во всех странах мира.

Рисунок 1. Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

а - вертикальная; б - с изгибом слитка; в - радиальная; 1 - сталеразливочный ковш; 2 - промежуточный ковш; 3 - кристаллизатор; 4 - зона вторичного охлаждения; 5 - тянущие валки; 6 - автоматический резак; 7 - подъемник; 8 - рольганг; 9 - изгибающий механизм

Наибольшее распространение получили машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) вертикального типа (рис. 1). Жидкий металл, подаваемый на МНЛЗ в сталеразливочных ковшах емкостью 10-200 т, через промежуточное устройство поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Промежуточное устройство (ковш) предотвращает попадание жидкого шлака в кристаллизатор, обеспечивает возможность более плавного и точного регулирования скорости разливки. Для регулирования скорости разливки промежуточный ковш оборудуют стопорными механизмами, число которых определяется количеством одновременно заполняемых кристаллизаторов (1-6). Соответственно машина непрерывного литья заготовок может быть одно-, двухручьевой и т. д.

Конструкция и режим зоны вторичного охлаждения МНЛЗ должны обеспечивать, с одной стороны, достаточно быстрое затвердевание слитка, с другой - охлаждение, которое протекает достаточно медленно, чтобы избежать образования трещин. Наиболее широкое распространение получила конструкция роликофорсуночного охлаждения, в которой предусмотрены форсунки для механического распыления воды с регулированием ее подачи и ролики в зоне вторичного охлаждения, обеспечивающие равномерное распределение воды по поверхности слитка и предохраняющие в то же время грани слитка от распирания, что особенно важно при непрерывной разливке слитков большого сечения.

Обычно зону вторичного охлаждения МНЛЗ делят на несколько секций с различным расходом воды. Общий расход воды на вторичное охлаждение заготовок сечением 150 x640 мм составляет 45-65 м3/ч, сечением 170x1050 мм 65-80 м3/ч.

Продвижение слитка, при непрерывной разливке стали, через машину непрерывного литья заготовок осуществляется с помощью тянущих валков, расположенных в одной или двух клетях. Обжатия слитка в тянущих клетях не происходит.

По мере опускания нижнего полностью затвердевшего конца слитка от него периодически отрезаются заготовки заданной длины с помощью кислородно-газовых резаков. Заготовки подаются на уровень пола цеха либо по наклонному транспортеру, либо вертикальным лифтом.

МНЛЗ вертикального типа наилучшим образом обеспечивает оптимальные условия кристаллизации и вытягивания слитка. Однако такая установка требует значительной высоты несущих конструкций при расположении машины непрерывного литья заготовок на уровне пола цеха. Возрастают, естественно, и капитальные затраты на строительство разливочного отделения.

Высота МНЛЗ с изгибом слитка и радиальных меньше, чем вертикальных машин непрерывного литья заготовок. Изгиб слитка с переводом его в горизонтальное направление осуществляется на установке вертикального типа после тянущих клетей (рис. 1, б). Резка слитка на заданные длины осуществляется на горизонтальном участке. Известны также установки с изгибом слитка по дуге окружности, начинающейся непосредственно за кристаллизатором.

В машины непрерывного литья заготовок (их еще называют УНРС) радиального типа сам кристаллизатор имеет форму дуги определенного радиуса закругления (рис. 1, в). При выходе из кристаллизатора слиток попадает в жесткие клети вторичного охлаждения, составленные из роликовых секций, охлаждаемых системой водяных форсунок.

Величина радиуса закругления кристаллизатора МНЛЗ определяет в основном высоту установки. Радиус закругления кристаллизатора и клетей вторичного охлаждения рассчитывают таким образом, чтобы при выходе в горизонтальное положение заготовка полностью затвердела. Минимально допустимый радиус закругления, найденный по опытным данным, составляет 30-35 б, где б - толщина слитка, мм.

Из зоны вторичного охлаждения заготовка попадает в правильнотянущие клети, где одновременно с вытягиванием заготовки происходит ее выпрямление.

Меньшая высота МНЛЗ с изгибом слитка стали и радиальных, обеспечивающая лучшие возможности вписаться в габариты разливочных пролетов сталеплавильных цехов, является причиной преимущественного строительства таких машин непрерывного литья заготовок.

Пуск литья, управление процессом и проблемы

Выход затравки из дугового участка ручья (до отделения)

Для пуска процесса непрерывного литья, перед открытием шибера на пром-ковше, на радиусный участок ручья заводится «затравка», таким образом в районе кристаллизатора образуется своего рода карман. После наполнения этой полости металлом начинается вытягивание «затравки». На конце радиусного участка расположен механизм отделения затравки. После отделения она отводится рольгангом и цепными транспортёрами.

Преимущества МНЛЗ перед разливкой в изложницу

По сравнению с прежним методом разливки стали в изложницу при непрерывной разливке можно сократить не только время за счет исключения некоторых операций, но и капиталовложения (например, на сооружение обжимных станов). Непрерывная разливка обеспечивает значительную экономию металла вследствие уменьшения обрези и энергии, которая тратилась на подогрев слитка в нагревательных колодцах. Исключение нагревательных колодцев позволило в значительной степени избавиться от загрязнения атмосферы. По ряду других показателей: качеству металлопродукции, возможности механизации и автоматизации, улучшению условий труда непрерывная разливка также эффективнее традиционных способов. Но непрерывная разливка имеет и Отрицательные стороны. Стали некоторых марок, например кипящие, нельзя разливать по этому методу, малые объемы разливки сталей различных марок повышают их себестоимость, неожиданные поломки оказывают большое влияние на снижение общей производительности.

Усовершенствования

В настоящее время все большее распространение получает метод электромагнитного торможения потока стали, попадающей в кристаллизатор. Это дает возможность существенно снизить скорость движения потоков, ограничить их проникновение вглубь жидкой фазы заготовки, а также обеспечить их рациональное движение. Вероятно, в ближайшее время этот метод получит развитие в совокупности с использованием погружных стаканов оптимальной геометрической формы, которая будет создаваться для каждого конкретного случая.

Кристаллизатор МНЛЗ работает как теплообменник, задача которого состоит в быстром отводе тепла от стали, проходящей через него. К краю кристаллизатора корка отливки начинает утолщаться, при этом изнашивая поверхность кристаллизатора. Кроме того, диффузия меди из кристаллизатора приводит к появлению брака — трещин на поверхности отливок. Во многих случаях износ медной стенки кристаллизатора и захват меди отливкой могут быть предотвращены с помощью нанесения защитных покрытий на нижнюю часть кристаллизатора. В конце XX века для защиты активно применялись хромовые и никелевые покрытия. Во многих странах они превалируют и сейчас. Никель может наноситься различными способами и толщинами, обладает близким к меди коэффициентом теплопередачи. В начале XXI века началось активное внедрение технологий газотермического напыления для защиты плит кристаллизаторов МНЛЗ с помощью керамических, металлокерамических покрытий, покрытий из сплавов. Эти покрытия позволяют обеспечить еще лучшую защиту поверхностей кристаллизатора. Разработаны методы высокоскоростного газопламенного напыления покрытий, которые позволяют нанести металлокерамические материалы с превосходными противоэрозионными характеристиками и хорошей теплопередачей. Газотермические покрытия имеет смысл наносить на всю рабочую поверхность кристаллизатора. Из-за меньшего коэффициента теплопроводности металлокерамических покрытий становится возможным уменьшить и более точно контролировать скорость охлаждения мениска. Такой тип охлаждения часто называют «мягким», и он позволяет обеспечить более равномерное формирование слитка и более равномерный профиль температуры, что позитивно влияет на производительность кристаллизатора и качество литья.

Типы кристаллизаторов МНЛЗ УНРС.

Кристаллизатор служит для обеспечения начальной кристаллизации и формирования слитка стали. Наибольшее распространение получили сборные кристаллизаторы, состоящие из попарно скрепленных винтами стальных 3 и медных 2 (внутренних) пластин (рис. 2). 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.

Иногда применяют кристаллизаторы МНЛЗ 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° С. Общий расход воды зависит от сечения заготовки и составляет примерно для заготовок сечением 150x640, 150x800 и 170x1030 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.

Рисунок 2. Кристаллизатор МНЛЗ УНРС

Высота кристаллизатора МНЛЗ должна обеспечивать образование достаточно толстой корки в заготовке при выходе, исключающей возможность ее прорывания. Для отливки квадратных заготовок сечениемменее 200x200 мм применяют кристаллизаторы длиной 500-800 мм. Длина кристаллизаторов, предназначенных для отливки квадратных и круглых заготовок большого сечения, достигает 1000-1100 мм. Наконец, для отливки заготовок прямоугольного сечения толщиной до 200 мм и шириной до 1200 мм применяют кристаллизаторы длиной от 500-800 до 1500 мм.

С целью предотвратить подвисание заготовки кристаллизатору МНЛЗ придают возвратно-поступательное движение(качание) с шагом 10-50 мм. Синхронизация режима работы механизма качания кристаллизатора МНЛЗ и тянущей клети обеспечивается применением соответствующей электросхемы, или рычагов и эксцентриков, или, наконец, гидравлической системы качания кристаллизатора.

Для уменьшения трения между стенками кристаллизатора МНЛЗ 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. Для восстановления медных стенок часто прибегают к их переточке.

Образование дефектов стали.

Одним из существенных дефектов слитков стали непрерывной разливки являются трещины: внутренние, внешние, продольные и поперечные.

Одной из причин образования дефектов стали в виде внутренних трещин является большая интенсивность вторичного охлаждения, когда вследствие быстрого понижения температуры наружных слоев в них возникают растягивающие напряжения, а во внутренних, более горячих слоях металла — напряжения сжатия. При изыскании правильного режима вторичного охлаждения и вытягивания слитков можно обеспечить получение их без внутренних трещин.

Такие дефекты стали как поперечные горячие трещины, надрывы или рванины возникают обычно из-за большого трения между поверхностью заготовки и стенкой кристаллизатора. В крайнем случае — при высоких скоростях разливки может наступить разрыв заготовки, ее «зависание», когда нижняя часть продолжает вытягиваться, а верхняя остается неподвижной. При выходе зоны «зависания» за пределы выходной кромки кристаллизатора происходит прорыв жидкого металла.

Для устранения зависания и образования поперечных трещин на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), как правило, предусматривают придание кристаллизатору возвратно-поступательного движения: кристаллизатор опускается вниз на 10—50 мм со скоростью, равной скорости вытягивания заготовки, а затем со скоростью, в 2—3 раза большей, возвращается в исходное положение. При опускании кристаллизатора создаются хорошие условия для равномерного роста корочки. Быстрый подъем кристаллизатора может привести к разрыву корочки в верхней, наиболее тонкой ее части. Однако горячий подвижный металл в верхних горизонтах кристаллизатора быстро заливает («залечивает») трещины.

Продольные горячие трещины наиболее часто встречаются при разливке заготовок круглого и прямоугольного сечения. Снижение температуры и скорости разливки, строгое центрирование струи металла, применение кристаллизатора с волнистыми гранями способствуют заметному уменьшению образования дефектов стали такого типа.

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. Разливка под жидким шлаком способствует, как правило, устранению поверхностных дефектов. Одним из серьезных дефектов непрерывных слитков является осевая пористость, вызванная, как уже отмечалось, наличием удлиненной, суживающейся книзу двухфазной зоны.

В заготовках сталей с широким интервалом кристаллизации и повышенной общей объемной усадкой (сталь марок У8—У13) наблюдается повышенная осевая пористость. Ликвационные явления в непрерывных слитках получают совсем незначительное развитие в связи с малыми размерами поперечного сечения слитков и относительно большой скоростью их кристаллизации.