Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Технологические основы проектирования машин и оборудования прокатного производства: устройства электромагнитного перемешивания в кристаллизаторах сортовых, блюмовых и слябовых машин непрерывного литья заготовок из стали

Покупка
Артикул: 750768.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Изложены конструктивные особенности современных устройств электромагнитного перемешивания жидкого металла, размещенных в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок из стали. Содержание соответствует программе курса «Технологические основы проектирования машин и оборудования прокатного производства». Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150404 (1703) «Металлургические машины и оборудование», может быть полезен студентам специальностей 150106 (1106) «Обработка металлов давлением» и 150101 (1101) «Металлургия черных металлов», которые специализируются в области получения заготовок из непрерывнолитой стали. Может быть также использован в курсовом и дипломном проектировании при разработке литейно-прокатных агрегатов, входящих в состав металлургических мини-заводов и комплексов
Сивак, Б. А. Технологические основы проектирования машин и оборудования прокатного производства: устройства электромагнитного перемешивания в кристаллизаторах сортовых, блюмовых и слябовых машин непрерывного литья заготовок из стали : курс лекций / Б. А. Сивак, В. Г. Грачев ; под. ред. Н. А. Чиченева. - Москва : ИД МИСиС, 2006. - 40 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1221122 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 802 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра машин и агрегатов металлургических 
предприятий 

Б.А. Сивак 
В.Г. Грачев 
Технологические основы 
проектирования машин 
и оборудования прокатного 
производства 

Устройства электромагнитного 
перемешивания в кристаллизаторах 
сортовых, блюмовых и слябовых машин 
непрерывного литья заготовок из стали 

Курс лекций 

Под редакцией заслуженного деятеля науки 
Российской 
Федерации, профессора, доктора технических наук 
Н.А. Чиченева 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

Москва Издательство ´УЧЕБАª 2006 

УДК 621.74.047.001:621.771.22 
С34 

Рецензент 
доктор технических наук, профессор В.А. Трусов 

Сивак Б.А., Грачев В.Г. 
С34 
Технологические основы проектирования машин и оборудования прокатного производства: Устройства электромагнитного 
перемешивания в кристаллизаторах сортовых, блюмовых и слябовых машин непрерывного литья заготовок из стали: Курс лекций / Под ред. Н.А. Чиченева. – М.: МИСиС, 2006. – 40 с. 

Изложены конструктивные особенности современных устройств электромагнитного перемешивания жидкого металла, размещенных в кристаллизаторах машин непрерывного литья заготовок из стали. 

Содержание соответствует программе курса «Технологические основы 
проектирования машин и оборудования прокатного производства». 

Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150404 (1703) «Металлургические машины и оборудование», может 
быть полезен студентам специальностей 150106 (1106) «Обработка металлов 
давлением» и 150101 (1101) «Металлургия черных металлов», которые специализируются в области получения заготовок из непрерывнолитой стали. 
Может быть также использован в курсовом и дипломном проектировании 
при разработке литейно-прокатных агрегатов, входящих в состав металлургических мини-заводов и комплексов. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Устройства электромагнитного перемешивания производства 
зарубежных фирм 
5 

2. Устройство электромагнитного перемешивания производства 
ВНИИметмаш 
9 

3. Физико-математическое моделирование процесса 
электромагнитного перемешивания жидкого металла 
в кристаллизаторе МНЛЗ 
15 

4. Статор устройства электромагнитного перемешивания в 
кристаллизаторах сортовых и блюмовых МНЛЗ 
28 

5. Статор устройства электромагнитного перемешивания в 
кристаллизаторе слябовой МНЛЗ 
35 

Библиографический список 
39 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Одним из наиболее важных новшеств в металлургии второй половины XX века было внедрение технологии и машин непрерывного 
литья для получения стальных заготовок. Непрерывная разливка стали 
в настоящее время рассматривается металлургами как неотъемлемая 
составная часть сталеплавильного производства. Непрерывное литье 
заготовок (блюмов, слябов, сортовых заготовок), необходимых для последующей прокатки, получило широкое распространение в промышленно развитых странах и в значительной степени вытеснило разливку 
стали в изложницы. 

Начиная с 50-х годов созданы и нашли применение машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) различных типов: вертикальные, радиальные, вертикальные с изгибом, низконапорные наклоннокриволинейные, горизонтальные. Технология непрерывного литья 
смогла утвердить себя даже при особых требованиях к качеству и 
при разливке сталей, считавшихся непригодными для непрерывного 
литья. 

Другим существенным достижением металлургии этого периода 
стало применение дуговых электросталеплавильных печей высокой 
мощности, специализирующихся на расплавлении твёрдой шихты. 
Одновременно совершенствовались процессы и агрегаты внепечной 
обработки жидкой стали, применение которых обеспечивает высокую производительность электропечей при относительно малых 
удельных расходах электроэнергии и электродов. 

Эти факторы – реализация принципа использования мощных дуговых электропечей в сочетании с внепечной обработкой и применение непрерывной разливки стали – явились решающими предпосылками стремительного развития в последние десятилетия металлургических мини-заводов [1]. 

В качестве основного шихтового материала на мини-заводах используется стальной лом, иногда с добавкой металлизированных железорудных материалов, что позволяет исключить из технологической цепочки коксовое и аглодоменное производство и в результате 
добиться существенного повышения экономичности производства. 

4 

1. Устройства электромагнитного перемешивания 
производства зарубежных фирм 

В производстве стальных заготовок методом непрерывного литья 
наибольшее распространение получили радиальные машины [2]. 
Общий вид машины этого типа представлен на рис. 1. 

Рис. 1. Радиальная МНЛЗ: 

1 – поворотный стенд; 2 – сталеразливочный ковш; 3 – промежуточный ковш; 

4 – быстроходные тележки; 5 – кристаллизатор; 6 – зона вторичного 
охлаждения; 7 – правильно-тянущая клеть; 8 – режущее устройство 

Металл из сталеразливочного ковша, установленного на поворотном стенде для разливки методом «плавка на плавку», подается в 
промежуточный ковш. Для смены промежуточных ковшей по ходу 
разливки они устанавливаются на специальные быстроходные тележки. Металл из промежуточного ковша через стаканы-дозаторы 
попадает в кристаллизатор. Под кристаллизатором находится зона 
вторичного охлаждения, которая обеспечивает ускоренное затвердевание непрерывного слитка. Вытягивание затвердевающей заготовки 
из кристаллизатора осуществляется правильно-тянущей клетью. 
Полностью затвердевшую заготовку разрезают на мерные длины режущим устройством. 

Первоначальное затвердевание жидкого металла, подаваемого в 
МНЛЗ, происходит в кристаллизаторе, который расположен на вход
5 

ной части машины и позволяет сформировать необходимый профиль 
отливаемого слитка. 

Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом машин непрерывной разливки стали [3]. В кристаллизаторе формируется оболочка непрерывнолитой заготовки, от прочности и равномерности которой зависят качество самой заготовки, а также максимально допустимая скорость разливки. 

При формировании оболочки в гильзе кристаллизатора одновременно протекают четыре процесса: 

– теплообмен между затвердевающей корочкой стали и стенками кристаллизатора; 

– усадка затвердевающей корочки по ходу затвердевания и снижения ее температуры; 

– деформация затвердевающей оболочки заготовки под действием ферростатического давления и термических напряжений; 

– деформация стенок самого кристаллизатора под действием 
термических напряжений. 

Эти процессы протекают одновременно и оказывают взаимное 
влияние друг на друга. 

Конструкция кристаллизатора должна обеспечивать высокое качество заготовок из сталей любых марок, стабильность процесса 
разливки, необходимую скорость разливки, высокую стойкость самого кристаллизатора, что в конечном счете определяет производительность и рентабельность МНЛЗ [4]. Известные в настоящее время 
кристаллизаторы по конструкции и назначению можно разбить на 
следующие основные группы: сборные, блочные и гильзовые. 

Сборный и блочный кристаллизаторы представляют собой четыре 
медные плиты, каждая из которых для повышения жесткости крепится шпильками на отдельной стальной плите-каркасе. В зависимости от толщины плит сборные кристаллизаторы делятся на тонкостенные (25...35 мм) и толстостенные (50...80 мм). Собранные вместе 
и стянутые по боковым граням болтами, они образуют изложницу с 
медной рабочей поверхностью. 

Гильзовый кристаллизатор представляет собой тонкостенную 
замкнутую по всему сечению гильзу из меди или ее сплава, охлаждаемую снаружи водой. 

Поскольку в кристаллизаторе формируется оболочка слитка определенной толщины и прочности, в ней возникают такие дефекты заготовок, как наружные поперечные и продольные трещины, поверхностные складки и ужимины, искажение профиля. Одним из наибо
6 

лее эффективных средств предотвращения недопустимых дефектов 
заготовки является размещение в кристаллизаторе электромагнитных 
устройств для перемешивания жидкого металла. 

Электромагнитный перемешиватель (ЭМП) предназначен для 
создания с помощью электромагнитных сил перемешивающих потоков в жидкой фазе заготовки. Устройство ЭМП в кристаллизаторе 
работает следующим образом: при протекании 2- или 3-фазной системы токов по катушкам обмотки статора ЭМП (фактически статора 
асинхронной машины) в его внутреннем пространстве образуется 
вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в жидком металле электрические токи. В результате взаимодействия этих токов с 
вращающимся магнитным полем возникают электромагнитные усилия, под действием которых жидкий металл приходит во вращение 
(как ротор асинхронного двигателя). При этом происходит интенсификация массо- и теплообмена в объеме затвердевающего металла, 
выравнивание градиента температур и химического состава внутри 
заготовки, интенсификация теплообмена с окружающей средой и 
разрушение дендритов у фронта кристаллизации. Кроме того, при 
ЭМП в кристаллизаторе к перечисленным процессам добавляются 
следующие: перенос неметаллических включений и других частиц из 
объема расплава к поверхности раздела «металл–шлак»; ускорение 
столкновения включений, их рост и повышение скорости удаления 
из металла; ликвидация застойных зон. 

Качество непрерывнолитых заготовок, полученных на МНЛЗ, зависит от интенсивности перемешивания. Основным показателем эффективности ЭМП в мировой практике принято считать максимальное значение линейной скорости жидкого металла в потоке, которую 
развивает статор устройства ЭМП и которая должна лежать в диапазоне vmax = 0,3...1,0 м/с. При vmax < 0,3 м/с интенсивность перемешивания снижается и получение удовлетворительных результатов по 
макро- и микроструктуре становится проблематичным. Если vmax 
значительно превышает 1,0 м/с, то высокая скорость перемешивания 
приводит к появлению нежелательных металлургических дефектов 
(поры вдоль фронта кристаллизации, высокая отрицательная ликвация и др.). Кроме того, при этом увеличивается расход электроэнергии без какого-либо улучшения качества. 

При движении металла в потоке с оптимальной скоростью сокращается опасность «захвата» неметаллических включений и пузырьков газов в растущих дендритах. Этим «вымывающим действием» 
объясняется высокая чистота подповерхностной зоны слитка. При 

7 

турбулентном движении жидкого металла облегчаются условия обламывания ветвей растущих кристаллов. Обломки кристаллов становятся дополнительными центрами кристаллизации, тем самым подавляется рост столбчатых кристаллов, что приводит к более равномерному фронту затвердевания и расширению зоны мелких равноосных кристаллов. 

Максимальное значение линейной скорости жидкого металла в 
потоке является сложной функцией геометрических размеров статора ЭМП и заготовки, угловой скорости и индукции магнитного поля, 
электропроводности, плотности и вязкости жидкой стали. Статор 
ЭМП представляет собой электрическую машину с большим воздушным зазором и обмоткой, имеющей значительную токовую нагрузку, а следовательно, интенсивное водяное охлаждение; при этом 
чем больше зазор, тем выше необходимая потребляемая мощность 
для получения удовлетворительных металлургических результатов. 

В мировой практике, как правило, машиностроительные фирмы 
проектируют и поставляют МНЛЗ, а электротехнические фирмы отдельно разрабатывают и изготовляют для них параметрический ряд 
устройств ЭМП. При этом соблюдается условие наименьшего изменения конструкции МНЛЗ. Изготовление устройства ЭМП как обособленного узла влечет за собой применение дополнительных элементов, изготовляемых из немагнитной стали, отдельных корпусов, 
увеличение зазора между магнитопроводящими узлами устройства 
ЭМП. Это, в свою очередь, увеличивает затраты электроэнергии, 
массу кристаллизатора, нагрузку на механизм качания и т.д. Выполнение устройства ЭМП обособленным узлом снижает его ремонтопригодность, так как при выходе из строя одной катушки в одной из 
фаз обмотки подлежит замене все устройство. Наиболее широкое 
промышленное применение получили устройства ЭМП следующих 
фирм: АВВ (Швеция), Rotelec (Франция), Коbе SteeL (Япония), АЕGЕlоtеrm (Германия), JME (Канада). 

Конструкция устройства ЭМП для кристаллизатора чаще всего 
выполняется зарубежными фирмами в виде статора асинхронного 
двигателя, близкого по конструкции к традиционному исполнению 
электрической машины. При этом корпус кристаллизатора и корпус 
статора являются различными элементами конструкции кристаллизатора с ЭМП, а корпус кристаллизатора охватывает снаружи корпус 
статора. Такова, например, конструкция устройства ЭМП фирм АВВ 
и Rotelec: трехфазный статор с вращающимся магнитным полем выполнен шихтованным, его обмотка выполнена в одном случае в виде 

8 

изолированной полой медной трубки (АВВ), а в другом – в виде провода с водонепроницаемой изоляцией (Rotelec). 

Для охлаждения обмотки статора фирмы АВВ применяется дистиллированная вода, которая, в свою очередь, охлаждается в теплообменнике технической водой. Кроме того, в полость статора подается сжатый осушенный воздух для предотвращения попадания влаги и электропроводной пыли на электроизоляцию обмотки. Статор 
помещен в герметичный цилиндрический корпус из стали аустенитного класса. Для охлаждения обмотки статора фирмы Rotelec внутрь 
корпуса подается техническая вода, которой охлаждается и гильза 
кристаллизатора. Водонепроницаемая изоляция такой обмотки 
должна быть устойчивой к содержанию в воде рН, металлических 
включений и т.п. 

Меньший по сравнению со статором фирм АВВ и Rotelec воздушный зазор, а следовательно, лучшие энергетические показатели имеет устройство ЭМП фирмы Коbе Steel, поскольку обмотка двухфазного статора выполнена по форме заготовки. Она состоит из двух 
многослойных катушек, выполненных из медной трубки, охлаждаемой изнутри дистиллированной водой, как и у фирмы АВВ. Однако 
такая конструкция обмотки сложна в эксплуатации. 

Наиболее прогрессивным является техническое решение фирмы 
JME, в котором статор ЭМП установлен внутри корпуса кристаллизатора при сохранении всех его наружных размеров. В этом случае 
также применяется двухконтурная система охлаждения, а для водораздела между обечайкой гильзы кристаллизатора и полюсами статора ЭМП устанавливается дополнительная перегородка из немагнитной стали. Корпус кристаллизатора и магнитопровод статора отделены друг от друга, что приводит к увеличению воздушного зазора 
в рабочем пространстве статора. При этом пространство для размещения обмотки ограничено, а следовательно развить оптимальную 
скорость в потоке становится практически невозможным. 

2. Устройство электромагнитного 
перемешивания производства ВНИИметмаш 

ВНИИметмаш как разработчик МНЛЗ и электромагнитных механизмов металлургических машин создал конструкцию устройства 
ЭМП, встроенного внутрь корпуса кристаллизатора так, что потребляемая ЭМП мощность снизилась в 2…5 раз в зависимости от размеров заготовки при одинаковой интенсивности воздействия на жид
9 

кую фазу. При этом для охлаждения обмотки статора ЭМП используется вода, подаваемая в кристаллизатор для охлаждения гильзы, а в 
качестве ярма статора используется корпус кристаллизатора, что 
значительно упрощает конструкцию устройства, снижает капитальные затраты и потребление электроэнергии. 

Устройства ЭМП для кристаллизаторов сортовых и блюмовых 
МНЛЗ имеют принципиально одинаковую конструкцию, состоящую 
из отдельных модулей – полюсов, объединенных корпусом кристаллизатора, служащим ярмом статора электрической машины. При 
этом ток фазы находится в пределах 150…190 А, напряжение фазы – 
в пределах 130…260 В. 

Конструкция устройства ЭМП для кристаллизатора слябовой 
МНЛЗ отличается от указанной выше конструкции. Она включает частично разрезанные медные стенки кристаллизатора, которые являются 
обмоткой статора с фазным током 12000 А и напряжением 6 В, либо 
отдельные полюса статора, встроенные в широкие раздвижные стенки 
кристаллизатора. 

Конструкция статора для кристаллизатора сортовой МНЛЗ применительно к заготовке 125×125 мм представлена на рис. 2. Статор 
ЭМП встраивается в корпус кристаллизатора, который одновременно 
выполняет функцию ярма статора – электрической машины переменного тока водопогружного типа. Основным элементом статора 
является полюс. Статор ЭМП содержит четыре полюса, устанавливаемых по одному на каждой стороне квадратной заготовки. Каждый 
полюс крепится к стенке корпуса двумя болтами. К сердечнику полюса на стороне, обращенной к гильзе, двумя винтами крепится накладка. Накладки сердечников полюсов примыкают к стенкам обечайки, образующей канал охлаждения гильзы кристаллизатора. Для 
обеспечения одинакового зазора примыкания накладок к криволинейной гильзе по большому и малому радиусам МНЛЗ накладки выполнены различной формы. Гильза изготовлена из меди, стенки обечайки – из немагнитной стали. Полюс состоит из сердечника, обмотки и кожуха. Обмотка закреплена на полюсе. Для этого к полюсу 
приварены ограничительные планки из немагнитной стали, расположенные с определенным шагом по всему периметру полюса и по высоте полюса. Ограничительные планки и корпус полюса в месте расположения планок изолированы корпусной изоляцией. Обмотка укладывается между планками. Обмоточный провод – специальный, 
водопогружной, с двойной изоляцией высокой электрической и механической прочности и повышенной теплостойкости. Для лучшего 

10 

охлаждения водой каждого витка конструкция обмотки разделена 
электроизоляционными прокладками на отдельные слои, между которыми образованы каналы для протекания воды. В месте расположения ограничительных планок осуществлено крепление обмотки изолированными скобами, выполненными из стали аустенитного класса и 
притянутыми немагнитными винтами к ограничительным планкам. 
Таким образом, такая конструкция, обмотки полюса позволяет удовлетворить противоположные требования: с одной стороны, наилучшее 
омывание водой каждого витка, с другой – надежное крепление витков 
от перемещения, возможного при низкой частоте питающего тока. 

4 
2. 

Рис. 2. Статор электромагнитного перемешивателя жидкого металла, встроенный 

в кристаллизатор сортовой МНЛЗ: разрезы продольный (а), поперечный по 

А – А (б), поперечный по Б – Б (в); 1 – гильза; 2 – обечайка; 3 – корпус 

кристаллизатора; 4 – полюс статора; 5 – накладка сердечника полюса; 6 – болты, 

крепящие полюс; 7 – патрубок; 8 – крышка; 9 – герметизирующий узел; 
10 – выводные концы; 11 – бандажные трубки; 12 – коробка выводов; 

13 – водонепроницаемая муфта; 14 – провод обмотки полюса; 15 – бандаж из 

электроизоляционного материала 

11 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину