Теплофизические основы технологии непрерывной разливки стали

l7 

ВВЕДЕНИЕ 

Рост требований, предъявляемых современной техникой к качеству 

непрерывнолитых стальных заготовок, ставит новые вызовы, главным из 

которых является совершенствование технологического процесса непрерывной 

разливки стали (НРС), его оптимизация с целью достижения высоких 

показателей качества продукции. 

Повышению качества при НРС способствуют новые технологические 

приемы, к примеру, все более широкое распространение получает технология 

«мягкого» обжатия сляба в не полностью затвердевшем состоянии, внедрение 

которой на реконструируемых и строящихся машинах непрерывного литья 

заготовок (МНЛЗ) позволяет в значительной степени снизить количество осевых 

дефектов слябов. Однако на данный момент нет единой научно обоснованной 

методики определения параметров обжатия, что препятствует повсеместному 

внедрению данной технологии в серийное производство. 

Актуальной проблемой при непрерывной разливке стали является 

несоответствие между усадкой слитка и параметрами настройки оборудования, 

такими, как конусность кристаллизатора (профиль стенок) и раствор 

поддерживающих роликов, что довольно часто имеет место при разливке стали 

на МНЛЗ и приводит к образованию целого ряда дефектов усадочного 

происхождения. В этих условиях возникает необходимость в экспериментально
теоретическом изучении усадки непрерывного слитка на всей технологической 

линии «МНЛЗ-склад слябов» и в разработке с этой целью расчетной методики. 

Серьезную проблему, влияющую на производительность МНЛЗ и на 

качество заготовок, представляют отклонения от стационарных режимов 

разливки, которые имеют место при изменениях скорости вытягивания по тем 

или иным причинам. Актуальность этой проблемы состоит в том, что при 

изменении скорости вытягивания нарушаются стабильные условия разливки, 

происходит 
смещение 
положения 
границ 
жидкой 
фазы 
и 
фронта 

9 

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 

1.1. Характеристика технологии непрерывной разливки стали и выявление 

путей совершенствования технологического процесса и оборудования 

на линии «МНЛЗ – «холодный» склад» 

Общим объектом исследования в настоящей работе является процесс 

непрерывной разливки стали, осуществляемый на машинах непрерывного литья 

заготовок (МНЛЗ). Типичная схема подобной МНЛЗ криволинейного типа для 

разливки слябов приведена на рис. 1.1.  

Основные узлы МНЛЗ, являющиеся элементами системы, либо играющие 

роль самостоятельных объектов в различных исследованиях, перечислены ниже: 

 
сталеразливочный ковш – служит для транспортировки стали от

сталеплавильного агрегата (установок внепечной обработки) к МНЛЗ и подачи 

её на разливку; 

 
промежуточный ковш (промковш) – обеспечивает поступление

металла в кристаллизатор с определённым расходом организованной струей, 

позволяет разливать сталь в несколько кристаллизаторов (ручьёв) одновременно 

и осуществлять серийную разливку при смене сталеразливочных ковшей без 

прекращения и снижения скорости разливки; 

 
водоохлаждаемый кристаллизатор – предназначен для приёма жидкого

металла, формирования заготовки заданного сечения и первичного его 

охлаждения; 

 
зона вторичного охлаждения (ЗВО) – позволяет создать оптимальные

условия 
для 
полного 
затвердевания 
непрерывно 
отливаемого 
сляба, 

обеспечивающие равномерное охлаждение заготовки (распыления воды 

форсунками, поддержание её геометрической формы роликами); 

 
тянуще-правильная машина (ТПМ) – предназначена для вытягивания

литой заготовки из кристаллизатора, её выпрямления и подачи к машине для 

резки; 

 
машина газовой резки (МГР) – обеспечивает разделение заготовок на

мерные длины; 

 
устройства транспортировки и складирования слябов.

– разливочный ковш; 2 – жидкая сталь; 3 – поворотный стенд; 4 – промежуточный ковш; 5 – погружной стакан; 6 – водоохлаждаемый 
кристаллизатор; 7 – механизм качания кристаллизатора; 8 – поддерживающая система; 9 – форсунки зоны вторичного охлаждения; 10 – ролики; 
11 – затравка; 12 – газорезка; 13 – готовый сляб; I – радиальный участок; II – криволинейный участок; III – горизонтальный участок 

Рисунок 1.1 – Схема технологической линии криволинейной МНЛЗ 

1234567891110121312 
 

осуществляет технологические операции на других участках). Затем слябы 

передаются на приёмно-транспортный рольганг склада слябов. Время движения 

слябов одной пачки от рольганг-тележки до передаточного поста составляет в 

среднем 10 мин. Все слябы с одной плавки складываются в стопу рядом с 

передаточным постом. Плавка, назначенная на передачу в прокат «горячим 

всадом» и выплавленная без нарушений технологии выплавки, внепечной 

обработки и разливки с помощью передаточной тележки перемещается на 

горячий участок склада, где грузится на железнодорожные платформы. Если 

плавка назначена на «приемку на стеллажах», то штабель перемещается на 

горячий участок, где охлаждается в течение 36 или 48 часов. Для осмотра, 

маркировки и обнаружения дефектов два сляба с каждой плавки подвергаются 

ускоренному охлаждению в ванне. 

Складирование слябов производится строго поплавочно в штабеля 

высотой не более 4 м. В целях удобного и безопасного продвижения людей по 

территории склада слябов должны быть предусмотрены проходы между 

отдельными штабелями не менее 1,0 м – для холодного металла и не менее 1,5 м 

– для горячего металла. Рядовой металл охлаждается в штабелях до температуры 

не более 60 °С в соответствии с сечением слябов: 

– шириной до 1540 мм – охлаждается не менее 36 часов; 

– шириной более 1540 мм – охлаждается не менее 48 часов. 

Металл особо контролируемых марок стали (судосталь, типа 09ГСФ, 

17Г1СУ, 10Г2ФБЮ и т.п.) охлаждается не менее 48 часов, независимо от 

сечения. Допускается охлаждение на стеллажах низкоуглеродистого металла 

(без микролегирования). Размеры слябов, отливаемых на криволинейных МНЛЗ 

ЧерМК ПАО «Северсталь», приведены в табл. 1.1. 

 

Таблица 1.1 – Типичные размеры слябов  

ЧерМК ПАО «Северсталь», мм 

толщина 
ширина 
длина 

215-300 
1020-1850 
4500-10500 

Плавки сталей, склонных к образованию термических трещин, передаются 

в прокат горячим всадом. Время от конца разливки до посада в нагревательные 

печи не более 10 часов. Складирование слябов этих плавок производится между 

горячими слябами. При необходимости производится ускоренное охлаждение 

отдельных слябов с сохранением маркировки, по которым оценивается качество 

слябов как отдельной плавки, так и серии плавок.  

Слябы плавок из углеродистых и низколегированных сталей с углеродом 

до 0,3 %, задержанные на аттестацию химического состава, контроля 

поверхности слябов, имевших нарушения технологии, аттестуются в прокат как 

транзитные, после вырезки брака или зачистки дефектных участков отдельных 

слябов. 

Приёмке на стеллажах подлежат слябы, не соответствующие требованиям 

горячего всада и транзита, а также по требованиям соответствующих 

технологических инструкций. Непрерывно литые слябы раскладываются на 

стеллажах поплавочно с промежутком не менее 300 мм. Удаление дефектов на 

слябах производят с помощью ручных огневых резаков.  

Приёмка слябов производится при температуре не выше 60 °С (оценка 

производится визуально). 

Представленная технология непрерывной разливки стали интенсивно 

разрабатывалась в течение не одного десятилетия. Совершенствованию 

технологического процесса НРС посвящено значительное количество научных 

исследований [159, 160, 168, 174, 177, 200, 216, 226, 232, 242, 257, 266]. 

В нашей стране непрерывным способом разливают 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, трубные и 

др. 

Основная масса металла разливается на МНЛЗ в слябы и сортовые 

заготовки в кристаллизаторы прямоугольного сечения. По объёму производства 

более половины приходится на слябы, около 20 % на блюмы, остальное – 

сортовые заготовки и заготовки круглого сечения (сравнительно небольшая 

доля). 

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 накопленного многолетними исследованиями опыта 

определены главные условия для получения устойчивого технологического 

процесса непрерывной разливки стали [30, 44, 77, 92, 94, 107, 130, 142, 143, 147]: 

1. равномерное распределение металла при подводе в кристаллизатор;

2. разливка в оптимальных температурных интервалах;

3. обеспечение 
симметричности 
кристаллизации 
и 
формирования

структуры заготовки, а также необходимой толщины корочки; 

4. вытягивание с заданной постоянной скоростью;

5. завершение затвердевания в зоне вторичного охлаждения;

6. широкая механизация и автоматизация работы МНЛЗ и др.

Наряду с этим существенное влияние на улучшение качества готовой

продукции НРС оказало внедрение технологии комплексного производства 

стали (АКОС) и внепечной обработки (ВОС). 

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. 

Основными регулируемыми параметрами технологического процесса 

непрерывной разливки являются скорость разливки (вытягивания заготовки) и 

интенсивность охлаждения заготовок. 

Развитие процесса непрерывной разливки на современном этапе 

осуществляется в следующих направлениях: повышение производительности 

16 
 

1.2. Характеристика факторов, оказывающих влияние на качество 

продукции при непрерывной разливке стали 

 

Вопросам качества продукции непрерывной разливки стали посвящено 

множество научных исследований, выполняемых как на теоретическом уровне, 

так и в производственных условиях [82, 117, 127, 142, 149]. Проблема качества 

является определяющей при производстве конкурентоспособной продукции в 

рамках современных рыночных тенденций. 

На основе многолетнего опыта эксплуатации МНЛЗ установлены 

основные факторы, влияющие на развитие дефектов:  

– геометрические размеры сляба; 

– 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 слябовых заготовок 

является 
снижение 
количества 
или 
устранение 
трещин 
различного 

происхождения. Как показывают результаты многочисленных исследований, 

причиной появления и развития всех трещин являются напряжения в 

формирующемся слябе, превышающие предел прочности металла. Эти 

напряжения могут быть механического происхождения, когда они вызываются 

трением в кристаллизаторе, давлением опорных роликов, ферростатическим 

давлением, 
изгибом 
и 
выпрямлением 
сляба, 
усилиями 
вытягивания, 

нарушениями механической настройки оборудования МНЛЗ и др. 

С другой стороны, их причиной может быть изменяющееся во времени 

температурное поле оболочки сляба, вызывающее значительные температурные 

напряжения. 

Многие исследователи прямо или косвенно связывают появление и 

развитие трещин в непрерывнолитой заготовке с условиями её охлаждения и 

даже считают их определяющими. 

Наиболее полно механизм трещинообразования отражает теория, согласно 

которой появление трещин связывается с напряженно-деформированным 

состоянием в затвердевшей части сляба, 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 о 

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 режимов охлаждения происходят 

скачкообразные изменения температуры поверхности заготовки по её высоте и 

периметру, приводящие к возрастанию напряжений и нарушению сплошности 

металла. 

Таким образом, внедрение и промышленное освоение совершенной 

технологии и новых конструкций МНЛЗ тесно связано с организацией 

протекающих в них тепловых процессов, с свою очередь влияющих на 

формирование качества заготовки. 

 
На рис. 1.2 представлена принципиальная схема формирования качества 

непрерывнолитой заготовки. 

Процесс 
формирования
заготовки на МНЛЗ

Жидкая сталь
(Т0, хим.состав,
неметаллические 
включения)

Человеческий
фактор

Технология
(Тр, v, ШОС, расход воды на 
кристаллизатор и ЗВО, параметры 
качания кристаллизатора)

Качество
заготовки

Настройка оборудования
(конусность кристаллизатора, раствор 
роликов и расстояние между ними, 
кривая разгиба, усилия стяжки верхней 
и нижней рам секций)

Процессы в оборудовании 
(нагрев оборудования, накипь в 
водоохлаждаемых узлах, 
напряжения, деформации)

 
 

Рисунок 1.2 – Схема формирования качества непрерывнолитой заготовки 

 

Известно, что основное влияние на качество слябов оказывают наружные 

и внутренние продольные, поперечные и диагональные трещины и дефекты 

усадочного происхождения.  

Однако формирование качества литых заготовок начинается на ранних 

переделах, на этапе подготовки аглошихты, в доменном производстве, в 

процессе выплавки и внепечной обработки стали. Химический состав стали и её 

температура перед разливкой являются исходными предпосылками получения 

качественной заготовки. 

Качество производимой на МНЛЗ продукции формируется в ходе 

протекания комплекса сложных взаимосвязанных процессов, примерная схема 

которых представлена на рис. 1.3. 

Установлены 
главные 
технологические 
факторы, 
обеспечивающие 

получение литых заготовок высокого качества: температура жидкой стали, 

скорость разливки и режим вторичного охлаждения [9, 30, 66, 143, 181, 242]. 

 

 

2. Кристаллизатор
2.1. Начальное распределение температуры.
2.2. Гидродинамика струи.
2.3. Уровень металла.
2.4. Тепловой поток.
2.5. Температура на выходе.
2.6. Толщина оболочки.
2.7. ШОС-шлак-гарнисаж.
2.8. Усадка в кристаллизаторе.
2.9. Зазор.
2.10. Конусность (профиль стенок).

1. Промковш
1.1. Начальная 
температура (перегрев).
1.2. Теплофизические 
свойства стали.

3. Зона вторичного охлаждения
3.1. Режим охлаждения ((g)).
3.2. Распределение температуры.
3.3. Скорость разливки.
3.4. Глубина жидкой фазы.
3.5. Усадка в ЗВО.
3.6. Технологический створ роликов.

4. Машина газокислородной резки
4.1. Температура сляба к моменту порезки.
4.2. Коэффициент раскроя.
4.3. Мерная длина.

5. Холодный склад слябов
5.1. Начальное распределение температуры штабеля.
5.2. Продолжительность охлаждения.
5.3. Усадка мерной длины.

КАЧЕСТВО

2.2

2.4

2.5

2.1

2.6

2.7

2.8

2.3

2.9

2.10

1.2

1.1

3.2

3.4

3.5

3.1

3.6

3.3

4.1

4.2

4.3

5.1

5.2

5.3

ПРОИЗВОДИ
ТЕЛЬНОСТЬ

Рисунок 1.3 – Схема взаимосвязей основных технологических и конструктивных параметров разливки стали 
на МНЛЗ и их влияния на производительность и качество продукции

Температура жидкой стали – важный технологический фактор, влияющий 

на процесс и качество непрерывнолитой заготовки. При недостаточном 

перегреве снижается жидкотекучесть стали и затрудняются условия разливки, а 

значительный перегрев ведет к образованию трещин и увеличению осевой 

усадочной пористости заготовок. Поэтому одна из технологических задач – 

поддержание строгого температурного режима процесса непрерывной разливки 

стали. 

Практическое значение имеет величина перегрева над температурой 

ликвидус. Наилучшие показатели качества достигаются в том случае, когда 

металл в промежуточном и сталеразливочном ковшах имеет оптимальный 

перегрев, значение которого определяется в основном продолжительностью 

разливки плавки и способом подачи металла в кристаллизатор. 

Для уменьшения величины осевой пористости, степени осевой ликвации, 

пораженности слябов трещинами, размеров зоны столбчатых кристаллов с 

пониженной прочностью и пластичностью, а также с целью уменьшения 

размывания огнеупоров (стаканов, стопоров) перегрев металла, подаваемого в 

кристаллизатор, над температурой ликвидус должен быть минимальным [242]. 

Оптимальными можно считать следующие температурные условия перегрева: 

– температура металла в промежуточном ковше на 20-30 °С выше

температуры ликвидуса; 

– перепад температур металла в промежуточном ковше в пределах +15 и

–10 °С;

– перегрев в сталеразливочном ковше выше температуры в промковше на

40-45 °С.

Значения температуры ликвидус достаточно точно могут быть найдены с 

использованием эмпирических зависимостей от заданного химсостава стали, 

либо получены приближенно по диаграмме Fe-C для бинарных сплавов. 

Для успешного изучения процесса формирования заготовки на МНЛЗ 

расчетными методами, в том числе, методом математического моделирования, 

необходимо владеть знаниями о значениях теплофизических свойств стали (поз. 

1.2) в широком диапазоне температур. Главными из них являются коэффициент 

удельной теплоёмкости (с, Дж/(кг·К)), теплопроводность (, Вт/(м·К)), 

плотность (, кг/м3) и коэффициент термического расширения (град–1). Зачастую 

для успешного решения большинства инженерных задач вполне достаточно 

сведений, приведенных в справочной литературе [7, 34, 137]. В самом 

простейшем случае принимают допущение о независимости теплофизических 

свойств от температуры. Однако для более точного описания процессов, 

протекающих на технологических объектах, а также, для повышения 

адекватности моделей возникает необходимость в расчетном определении 

значений свойств сталей в широком диапазоне температур.  

Как было сказано ранее (см. п.п. 1.1-1.2), главным технологическим 

параметром, обеспечивающим при неизменных физико-химических свойствах 

металла требуемые производительность МНЛЗ и качество получаемых 

заготовок, является скорость разливки (v) (поз. 3.3 на рис. 1.3). 

Скорость разливки зависит от размеров заготовок и марки стали. 

Допустимая скорость в значительной степени зависит от толщины корочки, её 

способности выдержать ферростатическое давление и тянущие усилия. 

Повышение интенсивности охлаждения сляба способствует увеличению 

скорости разливки, но лимитирующим фактором при этом является вероятность 

появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. 

С увеличением скорости разливки увеличивается глубина жидкой лунки 

(Lж) и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку сляба, 

что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения. 

Скорость непрерывной разливки лимитируется рядом ограничений, 

основными из которых являются: 

 продольные напряжения в слябе, обусловленные силами трения в

кристаллизаторе, 

 напряжения, возникающие вследствие ферростатического давления,

 термические напряжения, возрастающие с ростом интенсивности

охлаждения сляба. 

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 100100 мм оказалась удовлетворительной 

скорость 3,0 м/мин, а для заготовки сечением 200200 мм в зависимости от 

состава стали – в пределах 1,0-1,5 м/мин. 

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. 

Таким образом, скорость вытягивания, скорость затвердевания и глубина 

жидкой фазы являются важнейшими технологическими параметрами процесса 

непрерывной разливки стали. Одна из главных задач для технологов – 

установление взаимосвязи Lж(v), интенсивности охлаждения и марки стали (её 

физических свойств). 

Величина Lж при заданной скорости разливки определяет протяженность 

зоны вторичного охлаждения и всю высоту или технологическую длину 

установки. 

Серьезное 
внимание 
должно 
уделяется 
стабилизации 
процесса 

непрерывной разливки стали, поскольку стабильная скорость разливки, 

постоянный уровень металла в кристаллизаторе – одни из главных 

технологических факторов, определяющих качество поверхности и центральной 

зоны заготовки. 

Из рис. 1.3 видно, что скорость разливки является определяющей для 

следующих показателей процесса НРС: 

1) толщины оболочки (твердой корки) сляба на выходе из кристаллизатора; 

2) величины усадки сляба в кристаллизаторе и зоне вторичного 

охлаждения (ЗВО); 

3) среднего уровня температуры сляба к моменту его порезки на мерные 

длины. 

Толщина корки сляба служит важнейшим фактором вероятности 

возникновения прорывов его оболочки под кристаллизатором и потери плавки. 

В свою очередь, на толщину корки влияют начальное распределение 

температуры в кристаллизаторе (поз. 2.1), способ подачи жидкого металла и 

гидродинамика его струйного движения (поз. 2.2), уровень металла (поз. 2.3) и 

величина теплосъема (поз. 2.4) в кристаллизаторе.  

Как 
видно, 
тепловые 
процессы 
в 
системе 
«сляб-шлак-стенка 

кристаллизатора-вода» являются взаимозависимыми, поэтому их описание 

следует выполнять с применением системного подхода. 

Немаловажную роль в теплообменных процессах, влияющих на 

показатели качества процесса НРС, играет состав и тип шлакообразующих 

смесей (ШОС), используемых для защиты металла от вторичного окисления. В 

процессе плавления ШОС на мениске металла образуется защитный слой 

жидкого шлака, ассимилирующий неметаллические включения и играющий 

роль смазки. Толщина образующихся в процессе разливки слоёв жидкого шлака 

и гарнисажа по высоте кристаллизатора, наряду с усадкой сляба (поз. 2.8), влияет 

на формирование зазора (поз. 2.9), который, в свою очередь, оказывает влияние 

на величину теплосъёма в кристаллизаторе и пр.  

При этом главным конструктивным параметром кристаллизаторов, 

учитывающим формирования зазора в процессе усадки стали, является 

конусность (поз. 2.10) рабочих стенок (для слябовых МНЛЗ) либо профиль его 

внутренней поверхности (для сортовых). В последнее время используют 

кристаллизаторы с обратной конусностью (см. прил. 5), либо, при разливке 

сортовых заготовок, с профилированными рабочими стенками по радиусу загиба 

(см. прил. 6).  

Непосредственное влияние на вероятность возникновения разного рода 

трещин при НРС оказывает режим охлаждения (поз. 3.1) заготовки в ЗВО. На 

современных МНЛЗ используют разнообразные режимы охлаждения от 

«мягких», применяемых при разливке трещиночувствительных марок сталей, до 

«жёстких». В первом случае уровень температуры в ЗВО существенно выше, чем