Технологические основы проектирования машин и обрудования прокатного производства: кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок из стали

УДК 669.18 
С34 

Р е ц е н з е н т 
доктор технических наук, профессор В.А. Трусов 

Сивак Б.А., Ганкин В.Б. 

С34 
Технологические основы проектирования машин и обрудования прокатного производства: Кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок из стали: Курс лекций/Под ред. проф. 
Н.А. Чиченева. - М.: МИСиС, 2003. - 55 с. 

Рассмотрены назначение, классификация и особенности теплового расчета кристаллизаторов современных машин непрерывного литья заготовок из 
стали. Изложены способы профилирования внутренней полости кристаллизатора, представлены материалы рабочих стенок и пути повышения эффективности работы кристаллизаторов. 

Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности 170300 «Металлургические машины и оборудование». Может быть полезен студентам специальностей 110600 «Обработка металлов давлением» и 
110100 «Металлургия черных металлов», которые специализируются в области производства проката из непрерывнолитой стали. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

Условные обозначения 
5 

1. Кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок из стали 
6 

1.1. Общие сведения 
6 

1.2. Назначение кристаллизаторов 
6 

1.3. Классификация кристаллизаторов 
8 

1.3.1. Сборные кристаллизаторы 
8 

1.3.2. Гильзовые кристаллизаторы 
14 

1.3.3. Блочные кристаллизаторы 
17 

2. Тепловой расчет кристаллизатора 
19 

3. Затвердевание оболочки слитка в кристаллизаторе 
27 

4. Профилирование внутренней полости кристаллизатора 
30 

4.1. Гильзовые кристаллизаторы 
30 

4.2. Кристаллизаторы тонкослябовых МНЛЗ 
36 

5. Материал рабочих стенок кристаллизатора 
42 

6. Пути повышения эффективности работы кристаллизатора 
45 

Заключение 
52 

Библиографический список 
53 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Непрерывная разливка стали интенсивно развивалась во второй половине прошедшего века и 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. 

Реализация процесса непрерывного литья заготовок стала 
возможной благодаря изобретению осциллирующего медного кристаллизатора в сочетании с применением специальной смазки его 
рабочей поверхности. 

4 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

X - коэффициент теплопроводности 
а - коэффициент теплоотдачи 
5 - толщина 
X - время 
П - периметр 
ц - коэффициент трения 
р - плотность 
Р - угол 

В,Ь- 
ширина 

С - теплоемкость 
F - сила 

H,h- 
высота 

/ - длина 
Q - тепловой поток 
q - удельная теплота 
R - тепловое сопротивление 
S - площадь 
S - длина участка 
Т - температура 
V- 
скорость 

W- 
энергия 

x,y,z- 
координаты 

5 

1. КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ МАШИН 

НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК 

ИЗ СТАЛИ 

1.1. Общие сведения 

в производстве стальных заготовок методом непрерывного 
литья наибольшее распространение получили радиальные машины. 
Общий вид машины этого типа представлен на рис. 1.1. 

Металл из сталеразливочного ковша 1, установленного на поворотном стенде 2 для разливки методом «плавка на плавку», подается в 
промежуточный ковш 3. Для смены промежуточных ковшей по ходу разливки они устанавливаются на специальные быстроходные тележки 4. 
Металл из промежуточного ковша 3 через стаканы-дозаторы попадает в 
кристашшзатор 5. Под кристаллизатором находится зона вторичного охлаждения 6, которая обеспечивает ускоренное затвердевание непрерывного слитка. Вытягивание затвердевающей заготовки из кристаллизатора 
осуществляется правильно-тянущей клетью 7. Полностью затвердевшую 
заготовку разрезают на мерные длины режущим устройством 8. 

Первоначальное затвердевание жидкого металла, подаваемого в МПЛЗ, происходит в кристаллизаторе, который расположен на 
входной части машины и позволяет сформировать необходимый 
профиль отливаемого слитка. 

1.2. Назначение кристаллизаторов 

Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом 
машин непрерывной разливки стали. 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: 

1-теплообмен между затвердевающей корочкой стали и 
стенками кристаллизатора; 

2 - усадка затвердевающей корочки по ходу затвердевания и 
снижения ее температуры; 

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

4 - деформация стенок самого кристаллизатора под действием термических напряжений. 

6 

№ 

w 

! 
• 

7 

Эти процессы протекают одновременно и оказывают взаимное 
влияние друг на друга. Поэтому при выборе конструкции кристаллизатора необходимо, кроме общих теоретических посылок, использовать опыт эксплуатации кристаллизаторов различной конструкции. 

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. 

Поскольку в кристаллизаторе формируется оболочка слитка 
определенной толщины и прочности, такие дефекты заготовок, как 
наружные поперечные и продольные трещины, искажение профиля 
являются недопустимыми. Наличие поверхностных складок и ужимин 
находится в прямой зависимости от конструктивных и теплофизических характеристик материала кристаллизатора, способа подачи жидкого металла в кристаллизатор и защиты его от вторичного окисления. 

1.3. Классификация кристаллизаторов 

Создание и постоянное совершенствование машин непрерывного литья стали сопровождалось разработкой разнообразных 
конструкций кристаллизаторов в зависимости от конкретного сортамента отливаемых заготовок и производительности МПЛЗ, а также 
с целью повышения их стойкости. Известные в настоящее время 
кристаллизаторы по конструкции и назначению можно разбить на 
несколько основных групп. 

По конструкции можно выделить три большие группы кристаллизаторов: сборные, гильзовые и блочные. 

1.3.1. Сборные кристаллизаторы 

Кристаллизаторы этой группы являются наиболее распространенными. В общем случае сборный кристаллизатор представляет 
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, расположенную в 

8 

стальном корпусе. Для компенсации деформаций, вызываемых температурными напряжениями, а также для предотвращения образования зазоров по границам стенок плит усилие стягивания стальных 
плит болтами регламентируется пружинными компенсаторами. 

В качестве примера на рис. 1.2 приведена конструкция сборного кристаллизатора, разработанного ПО «Уралмаш». Базовая стенка 1 кристаллизатора, расположенная на стороне большего радиуса 
машины, состоит из медной плиты 2, укрепленной на стальной 
плите 3, на которой с двух сторон установлены боковины 4. На боковинах закреплены узкие стенки 5, несущие медные плиты 6. Контур 
кристаллизатора замыкается широкой стенкой 7, которая скреплена с 
базовой стенкой стяжками 8 и прижимается к краям узких стенок 
пружинными компенсаторами Р, благодаря чему обеспечивается 
подвижность узких стенок, которая необходима для их перемещения 
при настройке кристаллизатора по ширине и изменении их уклона. 

Для обеспечения свободного перемещения узких стенок перед началом настройки снимается усилие их зажима. С этой целью 
на раме механизма качания кристаллизатора установлен гидроцилиндр 10, под действием которого отжимается широкая стенка 7. Перемещение боковых стенок осуществляется четырьмя механическими приводами 11, расположенными попарно с каждой стороны кристаллизатора. 

В стальных плитах широких стенок кристаллизатора размещены каналы (коллекторы) 12 для подвода и отвода воды, охлаждающей медные плиты. Равномерность и интенсивность охлаждения 
зависят не только от размеров и расположения каналов, но и от системы циркуляции воды. 

В настоящее время в сборных кристаллизаторах применяют 
петлевую и прямоточную системы охлаждения. При петлевой системе 
движения воды (рис. 1.3,а) все вертикальные каналы, имеющиеся в 
медных плитах, объединены с помощью коллекторов в три секции - две 
крайние и одну среднюю. В крайние секции входят каналы узких стенок 
и края широких. Средняя секция объединяет все центральные каналы 
широких стенок. Вода подается сверху вниз через крайние секции, затем проходит снизу вверх среднюю секцию и поступает на слив. В этой 
системе вода дважды проходит по каналам и может нагреваться до критических температур, при которых начинается выпадение осадков на 
стенках каналов, что обычно происходит с неочищенной водой при 
35.. .40 °С. В то же время, учитывая, что расход воды при отливке заготовок крупных сечений достигает 300...400 м^ч, большим достоинством петлевой системы является экономия расхода воды. 

9 

а 
б 

Рис. 1.3. Схемы закрытой водяной системы охлаждения 

сборных слябовых кристаллизаторов: 

а - петлевая система охлаждения; б - прямоточная система охлаждения 

При прямоточной системе (рис. 1.3,6) вода поступает к нижним торцам медных плит, проходит по каналам снизу вверх и идет на 
слив. В результате вода нагревается значительно меньше, достигается более эффективное охлаждение, что позволяет иметь более высокие скорости разливки стали. Нагрев воды до невысоких температур 
предотвращает выпадение солей на стенках каналов, что увеличивает 
срок эксплуатации медных плит. Недостатком прямоточной системы 
охлаждения является высокий расход воды. 

К воде для охлаждения кристаллизаторов предъявляются 
следующие требования: 

- давление воды на входе в кристаллизатор 0,8... 1,2 МНа; 
- давление воды на выходе из кристаллизатора 0,15... 0,3 МНа; 
- карбонатная жесткость воды 2... 5 мг/л; 
- нагрев воды в кристаллизаторе до температуры 8... 12 °С; 
- расход воды на один погонный метр периметра отливаемого сечения 150...200 м^ч; 

- содержание взвешенных частиц 10 мг/л с повышением в 
паводковый период до 30 мг/л. 

Длина сборных кристаллизаторов колеблется от 700 до 1200 мм. 
За рубежом при скоростях разливки до 1 м/мин получили наиболее 
широкое распространение короткие кристаллизаторы, длина которых 
составляет 700...800 мм. При увеличении скоростей разливки до 
1,2... 1,8 м/мин короткие кристаллизаторы становятся причиной повышенной аварийности из-за возрастающего числа прорывов. Ноэто
11 

му при скоростях более 1,2м/мин рекомендуется применять кристаллизаторы длиной более 900 мм. 

В отечественной практике наиболее стабильные режимы разливки получены на кристаллизаторах длиной 1000... 1200 мм. Кроме 
того, удлиненный кристаллизатор позволяет менять промежуточные 
ковши без снижения скоростей разливки при подаче жидкого металла методом «плавка на плавку». 

Сборные кристаллизаторы широко применяются для отливки 
прямоугольных заготовок (слябов) и блюмов, так как высокая жесткость стенок позволяет выдержать без деформации очень большое 
ферростатическое давление. 

Сборная конструкция по мере износа поверхности медных 
плит обеспечивает возможность неоднократных ее ремонтов путем 
строгания и шлифования рабочей поверхности плит с последующим 
их использованием, что дает большую экономию меди. 

Другой важной особенностью сборной конструкции является 
возможность изменения ширины отливаемой заготовки и регулирования уклона узких стенок с помощью механических или электромеханических приводов. В настоящее время широкое применение имеют кристаллизаторы, позволяющие регулировать эти параметры непосредственно в машине без съема кристаллизатора с механизма качания. Разработанные конструкции кристаллизаторов позволяют 
производить изменение ширины отливаемой заготовки, не прерывая 
процесс разливки. Это кристаллизаторы с диапазоном регулирования 
ширины 0,95...2,8 м при толщине сляба 0,25 м. 

На рис. 1.4 показаны методы регулировки ширины сляба по 
ходу разливки на слябовых кристаллизаторах фирмы «ФёстАльпине», а на рис. 1.5 показана конструкция кристаллизатора этой 
фирмы с автоматически регулируемой шириной отливаемого сляба. 

Современная концепция получения литых заготовок заключается в максимальном приближении их размеров к размерам готового 
профиля. В частности, использование этой тенденции для повышения 
эффективности производства широкополочных балок привело к необходимости отливки фасонной заготовки [1]. Кристаллизаторы для получения таких заготовок также в основном имеют сборную конструкцию [2], разновидности которой представлены на рис. 1.6. 

12