Для предотвращения прилипания жидкой стали к стенке кристаллизатора предусмотрен механизм качания. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение с заданной частотой качания, а в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностью слитка подается специальная смазка.
Толщина затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора должна быть > (25-30) мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность вытягиваемой заготовки и исключить возможность прорыва жидкого металла. По некоторым зарубежным данным толщина корочки должна быть > (15 - 25) мм в зависимости от размеров заготовки.
Температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора составляет < (1100-1200)°С при средней температуре корочки - (1300 - 1350)°С. Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действия ферростатического давления жидкого металла.
Слиток с затвердевшей корочкой, попадающий из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения, в результате форсированного поверхностного охлаждения затвердевает по всему сечению. Форма слитка сохраняется за счет специальной поддерживающей системы (роликовой, брусьевой и др.). После прекращения подачи воды слиток охлаждается на воздухе.
В конце зоны вторичного охлаждения температура поверхности (tп) слитка снижается до уровня 800-900°С. Слиток принудительно вытягивается с помощью тянущих клетей, а затем поступает в газорезку, где разрезается на мерные куски заданной длины. Далее заготовки по рольгангу транспортируются на склад.
Успешное внедрение способа непрерывной разливки стали в металлургической промышленности стало возможным только после разработки устойчивого процесса разливки, обеспечивающего стабильное металлургическое производство и получение высококачественной продукции из литых заготовок.
На основании многолетнего опыта определены главные условия для получения устойчивого технологического процесса непрерывной разливки стали:
− равномерное распределение металла при подводе в кристаллизатор;
− разливка в оптимальных температурных интервалах;
− обеспечение симметричности кристаллизации и формирования структуры заготовки, а также необходимой толщины корочки;
− вытягивание с заданной постоянной скоростью;
− полное затвердевание в зоне вторичного охлаждения;
− широкая механизация и автоматизация работы МНЛЗ и др.
При проектировании новых промышленных установок основное внимание уделяется дальнейшему повышению эксплуатационных качеств и надежности работы всех узлов технологического и теплотехнического оборудования, сокращению времени на подготовку, перестройку машины для отливки другого профиля.
Установлены главные технологические факторы, обеспечивающие получение слитков высокого качества: температура жидкой стали, скорость разливки и режим вторичного охлаждения.
Температура жидкой стали - важный технологический фактор, влияющий на процесс и качество непрерывного слитка. При недостаточном перегреве снижается жидкотекучесть стали и затрудняются условия разливки, а значительный перегрев ведет к образованию внутренних трещин и увеличивает осевую усадочную пористость слитка. Поэтому одна из технологических задач - поддержание строгого температурного режима процесса непрерывной разливки стали.
Основными регулируемыми параметрами технологического процесса непрерывной разливки являются скорость разливки и интенсивность охлаждения слитка.
Скорость разливки (v) является важнейшим технологическим фактором, при неизменных физико-химических свойствах металла обеспечивающим главные технологические показатели - производительность и качество поверхности слитка. Скорость вытягивания зависит от размеров слитка и марки стали. Допустимая скорость разливки в значительной степени зависит от толщины корочки, ее способности выдержать ферростатическое давление и тянущие усилия.
Повышение интенсивности охлаждения слитка способствует увеличению скорости разливки, но ограничивается возможностью появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. С увеличением скорости разливки увеличивается глубина жидкой лунки (Lж) и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку слитка, что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения.
Серьезное внимание уделяется стабилизации процесса непрерывной разливки стали. Стабильная скорость разливки, постоянный уровень металла в кристаллизаторе - одни из главных технологических факторов, определяющих качество поверхности и центральной зоны слитка.
Эффективность работы МНЛЗ зависит, главным образом, от коэффициента ее использования, что обусловливает необходимость сокращения вспомогательного (нерабочего) времени. Значительная экономия времени может быть достигнута путем сведения к минимуму продолжительности подготовки при применении разливки так называемым последовательным методом "плавка на плавку", т.е. серийной разливки нескольких плавок.
Благодаря применению способа разливки "плавка на плавку" и таких усовершенствований как быстрая смена кристаллизатора и первой роликовой секции ЗВО, ускорение ввода затравки коэффициент использования МНЛЗ вырос с 50 до 90%.
Главными задачами дальнейшего улучшения технологии непрерывной разливки стали являются ускорение процесса затвердевания, а также получение качественных слитков.
Внедрение автоматического управления процессом разливки позволяет регулировать расход металла по уровню в кристаллизаторе в зависимости от скорости разливки, что также способствует повышению качества разливаемого металла. Повышение экономической эффективности непрерывной разливки может быть достигнуто за счет увеличения мощности установок и расширения сортамента разливаемых слитков.
В нашей стране непрерывным способом разливаются стали более 150 марок, в том числе углеродистые спокойные, низкоуглеродистые для получения автолиста и жести, низколегированные, электротехнические, высоколегированные стали и сплавы для производства листа и сорта.
Основная масса металла разливается в МНЛЗ на слябы и сортовые заготовки в кристаллизаторы прямоугольного сечения. По объему производства слябы составляют 50-56, блюмы 16-20, мелкосортные заготовки 28 - 30 %. Сравнительно небольшая доля металла разливается на заготовки круглого сечения.
В настоящее время отливаются заготовки квадратного сечения с размерами от 80X80 до 370X370 мм, крупные сортовые заготовки с прямоугольным сечением (блюмы) с размерами до 320X450 мм. По литературным данным в Англии осваивается непрерывная разливка заготовок сечением 430X610. Диапазон сечений разливаемых слябов изменяется от 175X50 до 1750X250 мм, а на некоторых зарубежных заводах до 2500X310. Длина крупных слябов достигает 10 м, а масса одного сляба до 30-40 т.
В работе Д.П. Евтеева разливаемые стали разделены по маркам на 8 групп. Принцип деления сталей на группы, профили и типоразмеры принят с учетом сложности освоения, которая определяется особенностью затвердевания и наиболее характерными дефектами, присущими данной группе слитков и сталей. Наибольшее распространение получила непрерывная разливка углеродистых спокойных сталей обычного качества, конструкционных и низколегированных сталей. В последнее время успешно осваивается непрерывная разливка инструментальных сталей, увеличивается количество разливаемых легированных сталей.
Развитие процесса непрерывной разливки на современном этапе осуществляется в следующих направлениях: повышение производительности МНЛЗ; улучшение качества непрерывных слитков; расширение области применения НРС и сортамента металла; совмещения НРС с прокаткой, автоматизации МНЛЗ и т.д.
Производительность является одним из главных технологических показателей работы МНЛЗ и зависит от сечения отливаемых слитков, скорости разливки, числа ручьев, применения разливки способом "плавка на плавку", времени, затрачиваемого на подготовку машины к работе.
Скорость непрерывной разливки лимитируется рядом ограничений, основными из которых являются напряжения вдоль непрерывного слитка, обусловленные силами трения в кристаллизаторе, напряжения, возникающие вследствие ферростатического давления, и термические напряжения, которые возрастают с ростом интенсивности охлаждения слитка. Поэтому фактически достигнутые в реальных условиях скорости непрерывной разливки в 2 - 3 раза ниже теоретически предельных скоростей. Для слябов больших сечений реально достигнуты скорости разливки в пределах 1,5-2,0 м/мин. Для заготовки сечением 100Х100 мм оказалась удовлетворительной скорость 3 м/мин, а для заготовки сечением 200X200 мм в зависимости от состава стали достигнуты скорости разливки в пределах 1,0-1,5 м/мин.
В последнее время за рубежом начался новый этап развития процесса непрерывной разливки стали, главным направлением которого является уменьшение размеров поперечного сечения заготовок с целью приближения их к размерам сечения готового продукта. Исходной предпосылкой является сохранение достигнутой до настоящего времени производительности МНЛЗ за счет увеличения скорости разливки пропорционально уменьшению толщины заготовки. Например, при непрерывной отливке сляба сечением 25X1500 мм скорость разливки должна составлять 15 м/мин, а уменьшение толщины того же сляба до 2,5 мм должно сопровождаться повышением скорости разливки до 150 м/мин и т.д. Аналогичные результаты рассчитывают получить и при непрерывной разливке в сортовые заготовки.
Скорость разливки должна устанавливаться прежде всего из условия прочности корочки металла, закристаллизовавшегося в процессе прохождения заготовки через кристаллизатор. Необоснованное превышение скорости разливки приводит к прорывам под действием ферростатического давления.
Скорости вытягивания слитка, затвердевания и глубина жидкой фазы являются важнейшими технологическими параметрами процесса непрерывной разливки стали. Одна из главных задач для технологов - установление взаимосвязи Lж от v, интенсивности охлаждения и марки стали (ее физических свойств).
Величина Lж при заданной скорости разливки определяет протяженность зоны вторичного охлаждения и всю высоту или технологическую длину установки.
В.С. Рутес на основании расчетов и экспериментов по определению времени затвердевания вертикальных непрерывных слитков приводит эмпирические формулы для определения длины жидкой фазы.
Для прямоугольных слябов шириной более 1200 мм Lж = 0,034a2v; для прямоугольных заготовок (слябов) шириной до 1200 мм Lж = 0,029а2v; для квадратных заготовок Lж = 0,024а2v, где а - толщина сляба или сторона квадрата, см; v - скорость разливки, м/мин.
Основным параметром, зависящим только от условий затвердевания непрерывной заготовки, является отношение длины жидкой фазы к толщине заготовки (Lж\а).
С учетом того, что площадь поперечного сечения квадратной заготовки F= а2, а для прямоугольных F = a2, где - отношение сторон поперечного сечения, после некоторых преобразований для слябов шириной более 1200 мм Lж/а = 46 (1 +) /; для заготовок (слябов) шириной до 1200 мм Lж/a = 39 (1 +) /; для квадратных заготовок Lж/а = 64.
Из этих формул следует, что Lж/а для непрерывных заготовок в десятки раз больше, чем для обычных слитков.
При таких высоких значениях отношения длины жидкой фазы к толщине непрерывнолитой заготовки очень важно определить наиболее выгодное положение продольной оси заготовки во время затвердевания, - так как величина Lж/a оказывает влияние на протяженность технологической линии машины непрерывного литья заготовок (Lт), которая определяется выражением:
т = (hр + Lж + lз) mк (5)
где hр - расстояние от уровня металла в сталеразливочном ковше до мениска металла в кристаллизаторе; lз - длина участка резки и длина мерной заготовки после порезки; Lж - длина жидкой фазы в затвердевшей заготовке; тк - коэффициент, учитывающий некоторые конструкционные длины (mк = 1,0-5-1,1).
Величина hр определяется высотой сталеразливочного и промежуточного ковшей и минимально необходимым расстоянием между ними и кристаллизатором. Величина lз зависит от способа резки и требований прокатного производства. Указанные величины не зависят от условий затвердевания.
Для радиальной МНЛЗ с радиусом изгиба R можно считать, что Lж равна четверти длины окружности, тогда R = 2Lж/.
Высота, занимаемая криволинейным слитком, равна радиусу, т.е. Н = R, а строительная высота установки определится как
стр = hр + 2Lж (6)
где Hр - расстояние от уровня металла в сталеразливочном ковше до мениска металла в кристаллизаторе.
Повышение скорости вытягивания непрерывного слитка и увеличение интенсивности теплоотвода позволяют увеличить производительность, но с другой стороны это приводит к ухудшению качества слитка, появлению трещин и других дефектов.
В связи с повышением скоростей разливки стали, расширением марочного состава разливаемых сталей и повышением требований к качеству металла дальнейшее развитие и совершенствование технологии непрерывной разливки стали возможно на основе анализа причин возникновения основных дефектов и разработки практических мер по их устранению или предотвращению.
На основе опыта установлены основные факторы, влияющие на развитие дефектов: геометрические размеры слитка, конструкция кристаллизатора и состояние его рабочей поверхности; технологические условия выплавки и химический состав металла; условия разливки металла; тепловые режимы вторичного охлаждения.
Для получения заготовки хорошего качества требуется комплекс наиболее удачно сочетающихся мероприятий, каждое из которых предупреждает возникновение того или иного дефекта.
Одной из основных проблем повышения качества непрерывных слитков является вопрос об устранении или уменьшении различного рода трещин. Как показывают результаты многочисленных исследований, причиной появления и развития всех трещин являются напряжения в формирующемся непрерывном слитке, превышающие предел прочности металла. Эти напряжения могут быть механического происхождения, когда они вызываются трением в кристаллизаторе, давлением опорных роликов, ферростатическим давлением, изгибом и выпрямлением слитка, усилиями вытягивания слитка, нарушениями механической настройки оборудования МНЛЗ и др.
С другой стороны, их причиной может быть изменяющееся во времени температурное поле оболочки слитка, вызывающее значительные температурные напряжения.
Многие исследователи прямо или косвенно связывают появление и развитие трещин в непрерывном слитке с условиями его охлаждения и даже считают их определяющими.
Наиболее полно механизм трещинообразования отражает теория, по которой появление трещин в непрерывном слитке связывается с напряженно-деформированным состоянием в его затвердевшей части, распределением температур и механическими свойствами стали в широком интервале температур.
Опытами установлено, что практически невозможен режим охлаждения, при котором отсутствовали бы напряжения. На практике может идти речь, а минимальных величинах напряжений, не превышающих допустимых пределов.
Скорость разливки, оказывающая значительное влияние на качество непрерывной заготовки, является функцией способности образовавшейся корочки сопротивляться различным напряжениям. А эта способность, в свою очередь, связана с условиями охлаждения и температурой стали.
При неправильной организации тепловых режимов охлаждения происходят скачкообразные изменения температуры поверхности слитка по его высоте и периметру, приводящие к возрастанию напряжений и нарушению сплошности металла.