Разливка стали и кристаллизация

Стопоры промежуточных ковшей поднимают и опускают 
специальными механизмами. После разливки стали промежуточные 
ковши краном снимают на пол разливочного пролета, где их 
подготавливают к очередной разливке: снимают вилки и направляющие 
стопорных механизмов, крышку, охлаждают в течение 12-24 ч. после 
чего удаляют из ковша остатки металла и шлака. Старые стаканы 
убирают из ковша или гидравлическим прессом, или, спуская ковш на 
специальный штырь, который выдавливает стаканы. Скрап и шлак 
удаляют краном. Промежуточный ковш, очищенный от скрапа, шлака и 
стаканов, ремонтируют — исправляют футеровку днища и стенки. 
Затем в ковш устанавливают гнездовые кирпичи, стаканы и стопоры. 
Отремонтированный ковш помещают на рабочий стенд, накрывают 
крышкой, хорошо просушивают и нагревают до 800 °С.

Средний срок службы промежуточного ковша составляет 10-15 
плавок, после чего всю футеровку заменяют. Емкость промежуточных 
ковшей при разливке сверху должна быть кратной числу изложниц на 
одной вагонетке или одном поддоне. Габариты диктуются весом 
жидкого металла и конструктивными соображениями, форма - 
принятой схемой размещения изложниц на вагонетках и минимальными 
теплопотерями жидким металлом.

Емкость ковшей для непрерывной  разливки определяется 
наибольшим временем, в течение которого металл может сохраняться в 
жидком состоянии.

4. Непрерывная разливка
1. Оборудование для непрерывной разливки стали

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 различают два типа непрерывного литья:

- в желоб (ручей) между движущимися лентами или другими 
движущимися формами (кристаллизаторами) либо непосредственно в 
валки;

- 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: непрерывнолитой слиток; 
непрерывнолитая заготовка (имея в вид), 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» (MHJT3). 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.

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.).

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.

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 прокатку, 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.

Наша  страна явилась пионером использования  данного метода 
разливки стали в промышленных масштабах. Опытные работы по 
освоению метода непрерывной разливки стали были начаты в 1944 г., 
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.

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. 7). Жидкий металл, соприкоснувшись с холодными 
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 слитка, из-за приваривания ее к стыкам кристаллизатора 
последнему придают возвратно-поступательное движение. На стенки 
кристаллизатора подают смазку, для чего на поверхности жидкого 
металла в кристаллизаторе наводят шлак, тонкая пленка которого 
между кристаллизатором и слитком уменьшает трение.

Рис. 7. Затравка: 1 - кристаллизатор; 2 - головка затравки

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. 8), установки 1-3;

- с криволинейным кристаллизатором (рис 8), установки 4. 5:

- горизонтального типа (рис. 8), установка 6.

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.

Рис. 8. Принципиальные схемы установок непрерывной разливки стали: 1 - вертикального типа; 2 - вертикального типа с изгибом; 3-е вертикальным кристаллизатором, с короткой вертикальной частью и последующим изгибом по определенному радиусу; 4 - радиального типа; 5-е изогнутым кристаллизатором и возрастающим радиусом изгиба (криволинейного типа); 6 – горизонтального типа; С - зона порезки заготовки; S-конец затвердевания

3. 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 
ферростатическое давление жидкой фазы слитка. Кроме того, 
поверхность стенок кристаллизатора должна быть устойчивой к 
истиранию. Одним из важных критериев оценки материала, 
применяемого для изготовления стенок кристаллизатора, является 
отношение коэффициента термического расширения β к коэффициенту 
теплопроводности λ.

Чем меньше это отношение β/λ тем более перспективным для 
изготовления кристаллизатора является материал: для меди β/λ=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 стенок, 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. 
Интенсивность качания должна быть очень высокой (на современных 
УНРС до 400 и более раз в минуту), чтобы избежать появления на 
поверхности слитка грубых складок (следов качания). Режим возвратно- 
поступательного движения обычно подчиняется синусоидальному 
закону. Хорошие результаты получаются 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. 9) показана конструкция 
регулируемого кристаллизатора, разработанная в НИИтяжмаш ПО 
«Уралмаш». Отличительной особенностью конструкции является П- 
образная форма широкой базовой стенки 1. 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 широкими 
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 качения 8. имеющей пружинно- 
гидравлический привод, создаются усилие зажатия узких стенок между 
широкими стенками и прижатие всего кристаллизатора к базовым 
упорам механизма качения. Перед регулированием положения узких 
стенок кристаллизатор «распускается» при помощи обратного (по 
отношению к сжатию) хода подвижной балки механизма качения, 
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 качения.

Рис. 9. Кристаллизатор конструкции ПО «Уралмаш»

Регулирование конусности торцевых стенок и перенастройка  их 
на другой (по ширине) диапазон заготовок осуществляется при помощи 
двух червячно-винтовых механизмов ручной настройки, 
смонтированных в боковинах базовой стенки. Ручные приводы этих 
механизмов при помощи специального ключа 9 позволяют разделить 
перемещение верхнего и нижнего винтов или. наоборот, одновременно 
перемещать их. Раздельное перемещение требуется для регулировки 
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 стали и скорости разливки, а. 
следовательно, от истинной усадки слитка регулировать положение 
(конусность) торцевых стенок, контролируя усадку формирующегося 
слитка непосредственно в установке. Это качество конструкции 
регулируемого кристаллизатора способствует уменьшению износа 
стенок, улучшению качества заготовок, увеличению межремонтного 
периода работы.