Криволинейные и радиальные МНЛЗ

В машинах этого типа в радиальном кристаллизаторе формируется изогнутый по определенному радиусу слиток. Важнейшим конструктивным параметром радиальной установки является радиус технологической оси. Его величина определяется так, чтобы обеспечить длину пути, достаточную для полного затвер­девания слитка к моменту разгибания при заданной линейной ско­рости вытягивания, и не превысить допустимую степень деформации при разгибании, что могло бы привести к образованию трещин и разрывов на слитке.

Чтобы при последу­ющем разгибании в слитке не образовывались трещины, радиус изгиба должен быть более чем в 25-раз больше толщины слитка. Обычно радиус изгиба выбирают в соответствии с соотношением R = (30-40) а, где а — толщина слитка, м.

В радиальных МНЛЗ на выходе из кристаллизатора слиток дви­жется по дуге с постоянным радиусом. После прохождения нижней точки дуги полностью затвердевший слиток разгибают, переводя его в горизонтальное положение.

В криволинейных машинах слиток вначале движется по дуге, определяемой радиусом кривизны кристаллизатора, а затем еще в зоне вторичного охлаждения радиус кривизны дуги увеличивается, т. е. происходит постепенное разгибание слитка с жидкой сердце­виной с последующим переводом в горизонтальное положение. Рас­средоточение деформации имеет целью снизить возникающие при этом в корке слитка напряжения и вероятность возникновения трещин.

Основные преимущества этих машин по сравнению с вертикальными: меньшая высота, что снижает стоимость сооружения МНЛЗ и здания цеха; возможность повышения скорости разливки, поскольку газорезку можно установить далеко от кристаллизатора и благодаря этому допустимо существенное увеличение глубины лунки жидкого металла в слитке; возможность резки слитка на куски большой длины.

По этим причинам в последние голы почти отказались от сооружения вертикальных МНЛЗ и строят преимущественно криволинейные и радиальные.

МНЛЗ с изгибом слитка

Существуют машины этого типа двух разновидностей. Машины первой разновидности (см. рисунок 64, а) имеют вертикальный кристаллизатор и систему вторичного охлаждения с расположенной за ней тянущей клетью, которые не отличаются от аналогичных устройств машин вертикального типа. Далее движущийся слиток изгибают, переводя в горизонтальное положение. Затем слиток поступает в выпрямляющие валки, за которыми располагают газорезку. Подобные машины применяют при отливке слитков небольшой толщины (<150 мм), поскольку при большей толщине из-за необходимости иметь большой радиус изгиба не достигается заметного снижения высоты по сравне­нию с вертикальной МНЛЗ.

Рисунок 64 – Схема МНЛЗ с изгибом слитка (а) и вертикально-радиальной МНЛЗ (б)

Машины второй разновидности, называемые иногда вертикально-радиальными, имеют (см. рисунок 64, б) вертикально расположенный кри­сталлизатор и небольшой по высоте (3 — 4 м) вертикальный участок с опорными роликами, за которыми расположена секция изгибающих роликов, изгибающих полузатвердевший слиток, и далее радиальная роликовая проводка. После прохождения нижней точки дуги слиток попадает в тянуще-правильные валки, которые переводят его в го­ризонтальное положение и режут на мерные длины.

Установки этого типа применяются реже, чем криволинейные из-за большей высоты. Основное их достоинство — более простые в изготовлении и обслуживании прямолинейный кристаллизатор и верх зоны вторичного охлаждения.

 

В целом МНЛЗ с криволинейной технологической осью обла­дает рядом существенных преимуществ по сравнению с вертикаль­ными: большая скорость разливки и возможность принимать больше­грузные плавки; меньшая в 3—4 раза высота установки; возмож­ность получения неограниченного по длине слитка; капитальные затраты на 30—50 % ниже при равной производительности; облег­чается обслуживание МНЛЗ, так как основное технологическое оборудование располагается над уровнем пола цеха; при горизон­тальной выдаче заготовок возможно осуществление прокатки непосредственно после отливки заготовок.

Недостат­ки: сложность конструкции криволинейной зоны вторичного охлаж­дения; необходимость иметь выпрямляющий механизм, а в случае установки с изгибом заготовки и тянуще-изгибающий механизм; трудности в обеспечении равномерного охлаждения слитка по грани большого и малого радиусов в зоне вторичного охлаждения, в ре­зультате чего возможно неоднородное строение слитка.

Поэтому при выборе типа машины в условиях высокопроизво­дительных цехов предпочтение следует отдать радиальным и криво­линейным МНЛЗ, а при отливке качественной стали особенно слож­ного профиля ряд преимуществ сохраняется за вертикальными МНЛЗ.

Установки рассмотренных выше типов трудно, а часто и невоз­можно разместить в существующих зданиях сталеплавильных цехов. Для отливки непрерывных сортовых заготовок малого сечения и широкого сортамента в цехах с агрегатами малой и средней емкости разработаны и внедряются горизонтальные МНЛЗ.

Горизонтальная МНЛЗ

Технологическая ось машин этого типа расположена горизон­тально или наклонена на угол до 15-20° к горизонтали. Схема горизонтальной МНЛЗ приведена на рисунке 65.

Машина имеет следующие основные технологиче­ские узлы: металлоприемник 1 — емкость, футерованную огнеупорным кирпичом; металлопровод 2 — узел, подающий металл в кристаллизатор, состоящий из металлического корпуса и огне­упорного стакана из нитрида бора, карбида кремния и т. п.; кристаллизатор 3 — медный или комбинированный (медь—графит) холодильник, охлаждаемый водой; зону вторичного охлаждения 4 в виде рольгангов; тянущее устройство 5, обеспечивающее периодическое вытягивание слитка; устройство для резки слитка 6.

 

Сталь из разли­вочного ковша поступает (см. рисунок 65) в футерованный металлоприемник, жестко соединенный с кристаллизатором посредством огнеупор­ного стакана.

Рисунок 65 – Схема горизонтальной МНЛЗ (обозначении в тексте)

Зона вторичного охлаждения представляет собой роль­ганг с системой водяных форсунок. Далее расположен механизм периодического вытягивания слитка. Механизм перемещает слиток вперед на 20—50 мм, затем возвращается назад, после чего цикл повторяется; во время обратного движения механизма слиток остается неподвижным, либо несколько осаживается назад. Число циклов изменяется от 20 до 100 в минуту.

Периодическое вытягивание слитка заменяет качание кристаллизатора, используемое на верти­кальных и криволинейных машинах для предотвращения зависания и разрывов корки слитка в кристаллизаторе. За механизмом вытяги­вания расположена газорезка и рольганг с приводными роликами. Горизонтальные МНЛЗ применяют для отливки сортовых слит­ков небольшого сечения толщиной менее 150—200 мм; скорость разливки достигает 4 м/мин. Основные преимущества горизонталь­ных машин — малая высота, меньшее количество и масса оборудо­вания и, следовательно, меньшая стоимость их строительства.

 

Основные узлы МНЛЗ

 

Современная МНЛЗ состоит из следующих элементов и узлов: сталеразливочного стенда; промежуточного ковша; тележки или стенда для промежуточного ковша; кристаллизатора; механизма возвратно-поступального движения кристаллизатора; опорных элементов и устройств зоны вторичного охлаждения; устройства для транспортировки слитка; затравки; механизма для ввода и уборки затравки; устройств для резки непрерывнолитого слитка на заготовки мерной длины; устройства для уборки и транспортировки заготовок к прокатному цеху и в отделение отделки заготовок; устройства для подачи твердой или жидкой смазки; оборудования для подачи воды в кристаллизатор; зону вторичного охлаждения и на охлаждение элементов МНЛЗ; электрооборудования; средств контроля и автоматизации.

Промежуточный ковш, снабженный одним (или не­сколькими) стаканом со стопором, обеспечивает постоянный по ходу разливки и небольшой напор струи металла, поступающего в кри­сталлизатор (за счет поддержания в ковше постоянного уровня металла высотой 0,6—1,2 м), регулирование стопором скорости по­дачи металла в кристаллизатор, подачу металла в несколько кри­сталлизаторов на многоручьевых МНЛЗ, разливку по методу «плавка на плавку».

1 – погружной стакан; 2 – стопор; 3 – промежуточный ковш; 4 – защитная труба; 5 – крышка; 6 – кристаллизатор; 7 – участок струи (бойное место); 8 – аварийный слив   Рисунок 66 – Устройство промежуточного ковша

Промежуточный ковш выполнятся сварным (см. рисунок 66) из стальных листов, футерованным огнеупорными материалами. Для уменьшения тепловых потерь он снабжен крышкой, футерованной кирпичом или набивной огнеупорной массой.

Для защиты металла от вторичного окисления используются погружные стаканы и защитные трубки (см. рисунок 66). Погружные стаканы предназначены для защиты металла на участке промежуточный ковш – кристаллизатор. Защитные трубы используются для защиты металла от контакта с воздухом на участке сталеразливочный ковш – промежуточный ковш и изготавливаются из шамотографита или плавленого кварца.

Кристаллизатор – медная полая водоохлаждаемая форма, в которой формируется профиль НЛЗ. Д олжен обеспечить быстрое формирование до­статочно толстой и прочной корки слитка без дефектов. Для обеспе­чения интенсивного теплоотвода стенки кристаллизаторов делают водоохлаждаемыми, а внутреннюю их часть, соприкасающуюся с жидким металлом, выполняют из высокотеплопроводной меди.

Внутренняя стенка кристаллизатора работает в тяжелых усло­виях (контакт с высокотемпературным расплавом, истирающее дей­ствие слитка, воздействие ферростатического давления и т. д.). С целью повышения температуры разупрочнения медь иногда легируют хромом или серебром, а для повышения износостойкости на рабочую поверхность наносят тонкий слой стойких к истиранию материалов. Во избежание выпадения в каналах нерастворимого осадка вода не должна нагре­ваться выше 40 °С, а чтобы обеспечить интенсивный теплоотвод, скорость потока воды должна быть равной 5—10 м/с. Расход воды составляет около 90 м³/ч на 1 м периметра полости кристаллизатора.

На МНЛЗ применяют кристаллизаторы трех типов: сборные, блочные и гильзовые. Все они в зависимости от формы технологической оси МНЛЗ могут быть прямолинейными и радиальными. Наиболее широкое распространение получили сборные кристаллизаторы, состоящие из четырех медных рабочих стенок, каждая из которых крепится шпильками к жесткой стальной плите (см. рисунок 67). Рабочие стенки выполняют из толстых (50—70 мм) мед­ных пластин (при малой толщине 10—20 мм происходит их коробле­ние, приводящее к образованию продольных трещин в корке слитка). Стойкость кристаллизаторов (без износостойких покрытий) составляет 100—150 больше­грузных плавок.

Рисунок 67 – Схема сборного кристаллизатора (обозначения в тексте)

 

 

Характерной особенностью сборного кристаллизатора является возможность изменения ширины отливаемой заготовки. Это достигается перемещением узких стен, вставленных между широкими, с помощью различных механических или электромеханических приводов.

Блочные кристаллизаторы изготавливают из сплошной медной заготовки, гильзовые — из медных цельнотянутых труб. Те и дру­гие используют при отливке слитков небольшого сечения и прямо­линейной формы.

Качество слитка в значительной степени определяется прочностью первичной корочки. При слабой корочке возможен ее разрыв в ре­зультате трения о стенки кристаллизатора при вытягивании слитка или выпучивание в зоне вторичного охлаждения. Обычно ее тол­щина на выходе из кристаллизатора составляет 15—25 мм. Увели­чение толщины корочки может быть достигнуто уменьшением ско­рости вытягивания или увеличением высоты кристаллизатора. Однако в первом случае снижается производительность установки, а во втором увеличивается трение между слитком и стенками кри­сталлизатора, а также возрастает опасность коробления кристалли­затора. В зависимости от сечения заготовки длина кристаллизатора составляет 700—1100 мм. Чтобы слиток более длительное время соприкасался со стенками кристаллизатора, внутренний профиль кристаллизатора иногда выполняют с обратной конусностью (т. е. нижнее сечение несколько меньше верхнего).

Для уменьшения трения (и вторичного окисления в кристаллизаторе) между слитком и стенками кристалли­затора между ними подается смазка в виде разнообразных масел или парафина, либо подаются шлаковые смеси.

Опыт эксплуатации МНЛЗ показали, что в результате прилипания корочки слитка к стенке кристаллизатора, а также вследствие коробления возможно зависа­ние слитка в кристаллизаторе. При этом образуются разрывы ко­рочки, что не только ухудшает поверхность слитка, но и может быть причиной аварии при разливке. Чтобы предотвратить зависание слитка, облегчить попадание смазки между слитком и стенкой кри­сталлизатора, а главное, обеспечить сваривание (залечивание) раз­рывов корочки, кристаллизатору сообщается возвратно-поступа­тельное движение с помощью меха­низма качания кристаллизатора.

Механизм качания кристаллизатора сооб­щает ему возвратно-поступательное движение с целью предотвра­щения разрывов и зависания корки слитка на стенках кристалли­затора. Вращаемые электродвигателями эксцентрики или кулачки через систему рычагов обеспечивают качание рамы, на которую устанавливают кристаллизатор.

Скорость перемещения кристаллизатора вверх и вниз изменяется в следующей последователь­ности: вниз он опускается со скоростью движения слитка, а вверх — с втрое большей скоростью. Амплитуда качания изменяется в пределах от 1 до 40 мм, частота — от 10 до 600 циклов в минуту.

Затравка предназначена для вытягивания первых метров отливаемого слитка. На вертикальных и горизонтальных машинах затравка представляет собой металлическую штангу, а на машинах с криволинейной осью она выполнена из шарнирно соединенных звеньев. Затравка снабжена головкой, в которой имеется углубление в виде «ласточкиного хвоста» или Г-образной формы (см. рисунок 68); сечение головки затравки соответствует сечению отливаемого слитка. Перед началом разливки затравку вводят в кристаллизатор и ее головка образует временное дно, а низ затравки находится в тяну­щих валках. Заливаемый в кристаллизатор металл застывает в углуб­лении головки, обеспечивая сцепление затравки со слитком. При включении тянущих валков затравка начинает двигаться вниз и тянет за собой слиток. После выхода затравки из тянущих валков ее отделяют от слитка.

		1 — затравка; 2 — головка за­травки; 3 — кристаллизатор   Рисунок 68 – Затравка в кристаллизаторе перед началом разливки: а — с головкой типа «ла­сточкин хвост»; б — с Г-образной го­ловкой

 

 

 

 

Вторичное охлаждение. Основной технологической функцией зоны вторичного охлаждения (ЗВО) является создание оптимальных условий для полного затвердевания отливаемого слитка, обеспечивающих требуемого качества 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: термическое 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.

Зону вторичное охлаждение наиболее часто выполняют в виде системы форсунок, подающих на поверхность слитка распылен­ную воду, и поддерживающих роликов.

Форсунки располагают между опорными роликами (см. рисунок 69) или брусьями в один, два или три ряда вдоль направления движения слитка в зависимости от его ширины. При отливке плоских слитков охлаждают широкие грани; у узких граней форсунки устанавливают лишь под кристаллизатором.

1 — слиток; 2 — опорный ролик; 3 — фор­сунка; 4 — трубчатый коллектор; 5 — задвижка   Рисунок 69 – Секция вторичного охлаждения криволинейной МНЛЗ

Интенсивность охлаждения должна уменьшаться по мере удале­ния слитка от кристаллизатора. С тем, чтобы обеспечить постепенное снижение расхода воды, зону вторичного охлаждения делят по длине на несколько (до восьми) секций, объединяющих группу фор­сунок и имеющих самостоятельный подвод воды.

Интенсивность вторичного охлаждения зависит от свойств разливаемой стали (склонности к образованию трещин) и от скорости разливки, при росте которой интенсивность подачи воды увеличивают. Общий расход воды на вторич­ное охлаждение при разливке спокойной стали составляет 0,4—1,0 м³/т при скорости вытягивания крупных слитков 1,0—1,4 м/мин. Протяженность зоны непосредственного охлаждения водой на слиток может составлять до 10—12 м.

 

Охлаждение слитка в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ. Режим охлаждения слитка в ЗВО должен обеспечить минимальную продолжительность полного затвердевания непрерывного слитка и отсутствие поверхностных и внутренних дефектов. Экспериментальные и теоретические исследования по влиянию режимов охлаждения на качество непрерывного слитка позволили определить следующие требования к системе вторичного охлаждения и охлаждению непрерывнолитого слитка:

- монотонное снижение температуры поверхности заготовки до полного затвердевания слитка;

- на всем протяжении ЗВО температура поверхности слитка должны находиться в области температур пластической деформации данной стали;

- равномерное распределение температуры по поверхности слитка;

- возможность регулирования интенсивности охлаждения и протяженности зоны вторичного водяного охлаждения в зависимости, от марок разливаемой стали, скорости разливки и глубины жидкой фазы;

- надежность работы системы в течение длительного времени.

 

Поддерживающие устройства. В зоне вторичного охлаждения на корочку слитка действует ферростатическое давление столба жидкого металла, в результате чего воз­можно раздутие (выпучивание) по граням слитка. Для предотвра­щения этого в зоне вторичного охлаждения устанавливают рамы с поддерживающими роликами (рисунок 69).

В машинах для отливки слит­ков квадратного или близкого к квадрату прямоугольного сечения опорные устройства расположены со всех четырех сторон слитка; при отливке плоских слитков — вдоль двух широких граней слитка. Для удобства замены при ремонтах группы со­седних верхних и нижних роликов объединены в отдельные секции, где в общем каркасе смонтировано от 2 до 7 пар роликов. В связи с тем, что по мере увеличения толщины затвердевающей корки жесткость слитка возрастает, диаметр роликов по мере отдаления от кристал­лизатора увеличивается. Так при отливке слитков толщиной 300 мм диаметр роликов от 150—200 мм у кристаллизатора возрастает до 480—600 мм на горизонтальном участке.

Устройство для резки слитка на куски опре­деленной длины (заготовки) устанавливаются в конце технологической линии МНЛЗ на ее горизонтальном (вертикальном) участке. Обычно применяются газокислородные резаки или гидравлические ножницы. Вне зависимости от способа резания, устройство снабжено механизмом передвижения, позволяющим осуществлять резку в процессе движения слитка.

Рисунок 70 – Стенд подъемно-поворотный (обозначения в тексте)

Оборудование для быстрой смены ков­шей. Современные МНЛЗ оборудуют поворотными и иногда пере­движными стендами, которые обеспечивают подачу ковшей с металлом к машине, взвешивание и установку ковша со скоростями, позволяющими вести разливку методом «плавка на плавку». По конструкции и принципу работы сталеразливочные стенды делятся на два типа – мостовые и поворотные. Все они рассчитаны на установку двух ковшей. Наиболее современный подъемно-поворот­ный стенд (см. рисунок 70) имеет располагаемую на основании 1 поворот­ную платформу 2, на которую через ось 6 опирается консоль 7. В подвесках 4 консоли можно установить два ковша (5а и б); вертикальное перемещение ковша достигают качанием консоли, при этом тяга 3 обеспечивает плоскопараллельное движение подвесок и ковшей.