Непрерывное литьё заготовок. Методы исследования процессов в МНЛЗ

В. А. Ульянов, В. Н. Гущин





                НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ ЗАГОТОВОК




МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В МНЛЗ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.746
ББК 34.3
      У51

         Рекомендовано ученым советом Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по металлургическим и машиностроительным направлениям подготовки 22.03.02, 22.04.02, 15.03.01, 15.04.01



Рецензент:
доктор технических наук, профессор института машиностроения АН РФ В. В. Мишакин




     Ульянов, В. А.
У51       Непрерывное литьё заготовок. Методы исследования процессов в
     МНЛЗ : учебное пособие / В. А. Ульянов, В. Н. Гущин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 204 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1228-5

     Обобщены и систематизированы материалы о конструкциях, технологии и тепловой работе машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Приведены результаты экспериментальных и расчётно-теоретических исследований, изложены рекомендации по совершенствованию тепловой работы МНЛЗ, основные принципы и методы теплотехнических расчётов. Освещены вопросы непрерывной разливки, связанные с тепловой работой основных технологических узлов, кристаллизации и качества литых заготовок.
     Для студентов металлургических направлений подготовки. Может быть полезно для инженеров, специализирующихся в области непрерывного литья.

УДК 621.746
                                                            ББК 34.3











ISBN 978-5-9729-1228-5

     © Ульянов В. А., Гущин В. Н., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................4
1. МНЛЗ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ.................5
  1.1. Общие сведения и классификация.......................5
  1.2. Конструкции МНЛЗ....................................20
  1.3. Задачи проектирования МНЛЗ и совершенствования технологии.41
2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ . .. 48
  2.1. Физическое и математическое моделирование...........49
  2.2. Тепловые процессы...................................59
  2.3. Гидродинамика разливки..............................70
  2.4. Массообменные процессы..............................83
  2.5. Процессы затвердевания и кристаллизации.............88
  2.6. Промышленные и лабораторные эксперименты...........103
3. ГИДРОТЕПЛОВЫЕ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ..................................116
  3.1.  Теплотехнические особенности формирования непрерывнолитых заготовок.................................................116
  3.2. Процессы кристаллизации и затвердевания............120
  3.3.  Взаимосвязь кинетики фронта кристаллизации и затвердевания с качественными показателями литого металла...............127
  3.4. Гидродинамические процессы.........................158
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................190
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................194

3

ВВЕДЕНИЕ


     Разливка стали и других металлических сплавов и их затвердевание являются завершающими звеньями в цепи основного металлургического процесса. Однако старые методы разливки металлов в стационарные формы (изложницы, кокили, разовые формы) весьма малопроизводительны и являются препятствием к механизации и автоматизации всего металлургического цикла.
     Непрерывная разливка является тем процессом, который превращает жидкую сталь из ковша непосредственно в заготовку любого сечения и заменяет в действительности следующие стадии металлургического производства: разливку в изложницы и кокили, затвердевание слитков, их стрипперование, нагрев в печах, многостадийное обжатие.
     В будущем производство стали и ряда других сплавов с затвердеванием в стационарных формах, очевидно, будет ограничиваться только теми случаями, когда непрерывная разливка не может быть применена.
     Большая потребность промышленности в профильных и листовых заготовках требует расширения и совершенствования непрерывной разливки железоуглеродистых и цветных сплавов, которая, кроме того, позволяет значительно повысить выход годного и улучшить качество литья по сравнению с отливкой в стационарные формы, а также облегчает механизацию и автоматизацию процесса разливки.
     В настоящее время в мире на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) разливается больше половины всей выплавляемой стали, а также значительное количество получаемых чугунов, алюминиевых и медных сплавов.
     Наша страна являлась пионером в промышленном освоении непрерывной разливки. В 50-е годы XX века на заводе «Красное Сормово» было начато промышленное внедрение нового прогрессивного метода непрерывной разливки стали.
     Успешное решение задач увеличения объёма разливки на МНЛЗ с одновременным расширением сортамента и повышением качества отливаемых заготовок невозможно без теплотехнического, гидродинамического и массообменного обоснования режимов работы МНЛЗ и вспомогательного оборудования, так как качество получаемого литого металла в значительной степени зависит в процессе кристаллизации и затвердевания от этих факторов. Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования, оборудование МНЛЗ и технология непрерывного литья ещё далека от совершенства, что позволяет продолжить поиск новых технических и технологических решений.

4

1. МНЛЗ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1. Общие сведения и классификация
     Непрерывная разливка стали - процесс получения из жидкой стали заготовок (для прокатки, ковки или прессования), формируемых непрерывно по мере поступления жидкого металла с одной стороны изложницы-кристаллизатора и удаления частично затвердевшей заготовки с противоположной стороны. Этот процесс получения заготовок основан на равномерном перемещении металла относительно зон заливки и кристаллизации. При этом литейная форма может быть неподвижной или закономерно перемещаться (возвратнопоступательное движение с небольшой амплитудой, вращение, движение по замкнутой кривой ограниченной длины).
     Непрерывная разливка имеет следующие преимущества перед обычной разливкой:
     •      на 10-15 % сокращается расход металла на 1 т годного проката вследствие уменьшения обрези головной и донной частей заготовки;
     •      сокращаются капитальные затраты на сооружение металлургического завода, так как исключаются парк чугунных изложниц, отделения для их подготовки и извлечения слитков из изложниц, дорогостоящие блюминги или слябинги, на которых крупные слитки обжимаются в заготовку для последующей прокатки;
     •      создаются условия для полной механизации и автоматизации процесса разливки;
     •      благодаря ускорению затвердевания повышается степень однородности металла, улучшается его качество.
     Непрерывное литьё теоретически позволяет получать отливки сколь угодно большой длины; практически длина отливок определяется возможностями литейного производства, требованиями обрабатывающих цехов и организационно-экономическими соображениями. Равномерные скорости подачи жидкого металла, его кристаллизации и удаления готовой отливки при непрерывном литье обеспечивают постоянство состава, строения и свойств металла по всей длине отливки. Путём усиленного отвода тепла (благодаря непосредственному охлаждению металла водой) можно повысить скорость кристаллизации и при правильно выбранной скорости литья создать направленную кристаллизацию, в основном вдоль оси отливки, что обеспечивает получение плотных слитков или заготовок с тонким внутренним строением литого зерна и равномерным химическим составом.

5

     Способ получения продукции непосредственно из жидкого металла (так называемая бесслитковая прокатка) был предложен в 1855 г. Бессемером. Экспериментальные работы, проведённые в этой области в ряде стран, не дали положительных результатов. Более перспективным оказался способ получения из жидкого металла не готового изделия, а промежуточной заготовки с размерами, как правило, меньшими, чем при отливке в изложницу. В 30-х гг. XX века начало развиваться непрерывное литьё через водоохлаждаемую изложницу-кристаллизатор заготовок из цветных металлов и сплавов, главным образом алюминиевых и медных. Стальные заготовки таким методом были впервые получены 3. Юнгансом (Германия) в 1939 году. В СССР работы по освоению непрерывной разливки стали были начаты в 1944 г., а в 1955 г. на Горьковском заводе «Красное Сормово» введена в эксплуатацию первая промышленная установка непрерывной разливки стали (УНРС). В настоящее время эти агрегаты называют машинами непрерывного литья заготовок (МНЛ3).
     Уже в 1973 году в СССР на 21 заводе имелось 36 УНРС; а во всём мире работало свыше 500 УНРС (1973). Кроме СССР, большое распространение этот способ получил в США, Японии, ФРГ и Италии. В настоящее время в Японии разливается свыше 90 % всей выплавляемой стали.
     В зависимости от формирующих отливку устройств различают непрерывное литье в кристаллизатор (изложницу), валки, жёлоб (ручей), между движущимися лентами. Наиболее распространено литьё в металлический кристаллизатор скольжения, которое применительно к сталеплавильному производству получило название непрерывной разливки стали.
     Принципиальные схемы непрерывной разливки отличаются положением продольной технологической оси кристаллизующейся заготовки, однако основы технологии разливки являются общими для всех типов машин.
     При непрерывной разливке стали жидкий металл поступает в сквозную изложницу-кристаллизатор. Стенки кристаллизатора (изготовляемого обычно из меди) интенсивно охлаждаются водой, циркулирующей по имеющимся в них каналам. В начале процесса в кристаллизатор вводится временное дно - так называемая затравка. Металл затвердевает у стенок кристаллизатора и у затравки, и оболочка заготовки начинает извлекаться из кристаллизатора с заданной скоростью. Сверху в кристаллизатор непрерывно подаётся жидкий металл в таком количестве, чтобы его уровень был постоянным в процессе всей разливки. Для уменьшения усилий вытягивания кристаллизатору сообщается возвратнопоступательное движение по продольной оси, а на его стенки подаётся смазка. Поверхность жидкого металла предохраняется от окисления слоем синтетического шлака или защитной атмосферой из инертного газа. Выходящая из кристаллизатора заготовка с жидкой сердцевиной попадает в зону вторичного

6

охлаждения, где на её поверхность подаётся из форсунок распылённая вода. После затвердевания по всему сечению заготовка разрезается на части требуемой длины. Расстояние L (м) от уровня металла в кристаллизаторе до места, где заканчивается кристаллизация заготовки толщиной а (м), отливаемой со скоростью v (м/мин), равно: L = (240-340) a²v. Значение коэффициента пропорциональности зависит от профиля и размера заготовки и от марки разливаемой стали.
     Жидкая сталь поступает в разливочное отделение при температуре 15601590 °C. Из сталеразливочного ковша металл подаётся в промежуточный ковш, предварительно нагретый до 1100 °C.
     Если принять температуру кристаллизации равной примерно 1500 °C, то в промежуточный ковш сталь должна поступать с небольшим перегревом. Обычно температура стали в промковше поддерживается на уровне 1540-1560 °C, что обеспечивает удовлетворительное качество поверхности заготовок и стабильность процесса разливки. Однако с повышением температуры металла более 1570 °C возрастает поражённость слитков наружными продольными и поперечными трещинами.
     Для обеспечения стабильности процесса разливки температура металла в кристаллизаторе должна быть на 15-20 °C выше температуры ликвидуса, однако по условиям качества слитка перегрев должен быть не более 30 °C.
     Для предотвращения прилипания жидкой стали к стенке кристаллизатора, помимо механизма качания, в зазор между поверхностью формирующейся заготовки и стенкой кристаллизатора подаётся специальная смазка.
     Толщина затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора должна быть ровно или больше 15-25 мм в зависимости от размеров заготовки.
     Температура поверхности непрерывнолитой заготовки на выходе из кристаллизатора составляет менее 1100-1200 °C при средней температуре корочки около 1300-1350 °C. Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действия ферростатического давления жидкого металла.
     Форма заготовки в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) сохраняется за счёт специальной поддерживающей системы (роликовой, брусьевой и др.). После прекращения подачи воды слиток охлаждается на воздухе.
     В конце ЗВО температура поверхности заготовки снижается до уровня 800-900 °C. Заготовка принудительно вытягивается с помощью тянущих клетей, а затем поступает на газорезку, где разрезается на мерные куски заданной длины. Данные заготовки по рольгангу транспортируются на склад.
     До 1963 года в промышленном масштабе применялись МНЛЗ вертикального типа, у которых формирование заготовки и резка её осуществлялись на вертикальном участке. При отливке заготовок относительно большой толщины участок её резки располагается на расстоянии 15-20 м от кристаллизатора,

7

а общая высота установки может превышать 40 м. Для размещения такой установки требуется сооружение башен или колодцев. Стремление уменьшить высоту МНЛЗ привело к созданию установок радиального и криволинейного типов. На радиальных МНЛЗ кристаллизатор и направляющие устройства вторичного охлаждения расположены на дуге определённого радиуса (обычно радиус равен 30-40 толщинам отливаемой заготовки). В конце радиального участка заготовка проходит через правильно-тянущие ролики и выводится в горизонтальное положение, в котором производится резка на мерные длины. На МНЛЗ криволинейного типа кристаллизатор и часть зоны вторичного охлаждения имеют постоянный радиус; затем радиус увеличивается, и происходит постепенное выпрямление заготовки.
     МНЛЗ радиального и криволинейного типов, у которых не полностью затвердевшая заготовка выходит на горизонтальный участок, позволяют значительно повысить скорость разливки при крупных сечениях заготовки, так как участок резки может быть расположен на достаточно большом расстоянии от кристаллизатора (30-35 м). Общая высота таких установок, как правило, не превышает 12 м.
     На МНЛЗ отливаются заготовки квадратного сечения размером от 50x50 до 300x300 мм, плоские слябы толщиной от 50 до 300 мм и шириной от 300 до 2500 мм, круглые заготовки (сплошные и с внутренней полостью) диаметром от 100 до 550 мм, из которых получают трубы, сортовой и листовой прокат, поковки. На МПНЛЗ разливают квадраты размером от 400x400 мм и круг диаметром от 600 мм и выше. На МНЛЗ отливают заготовки и более сложных форм (рис. 1.1). Кроме того, развивается тонколистовое непрерывное литьё листа толщиной от 2 до 30 мм, литьё аморфных сверхтонких листов от 002 до 0,05 мм.
     На основании многолетнего промышленного опыта определены главные условия для получения устойчивого технологического процесса непрерывной разливки различных металлов и сплавов:
     •       исходная чистота разливаемого расплава от посторонних примесных образований;
     •       равномерное распределение металла при подводе в кристаллизатор;
     •       разливка в оптимальных температурных интервалах;
     •       обеспечение симметричности кристаллизации и формирования структуры заготовки, а также необходимой толщины корочки (быстрое снятие перегрева);
     •       вытягивание с заданной постоянной скоростью;
     •       полное затвердевание в ЗВО;
     •       широкая механизация и автоматизация работы МНЛЗ и др.

8

Рис. 1.1. Отливаемая профильная заготовка с дальнейшей редукцией сечения

      Установлены главные технологические факторы, обеспечивающие получение заготовок высокого качества: температура жидкого металла, скорость разливки и режим вторичного охлаждения.
      Температура жидкой стали - важный технологический фактор, влияющий на процесс и качество непрерывнолитой заготовки. При недостаточном перегреве снижается жидкотекучесть расплава и затрудняются условия разливки, а значительный перегрев ведёт к образованию внутренних трещин и увеличивает осевую усадочную пористость заготовки. Поэтому одна из технологических задач - поддержание строгого температурного режима процесса непрерывной разливки. В настоящее время проводятся исследования по регулированию перегрева расплава непосредственно в кристаллизаторе.
      До настоящего времени основными регулируемыми параметрами технологического процесса непрерывной разливки являются скорость разливки и интенсивность охлаждения заготовки.
      Под скоростью разливки необходимо понимать не только скорость вытягивания заготовки и скорость поступления расплава в кристаллизатор (скоростное поле расплава в кристаллизаторе).
      Скорость разливки является важнейшим технологическим фактором, при неизменных физико-химических свойствах металла обеспечивающим главные технологические показатели: производительность и качество поверхности заготовки. Скорость вытягивания зависит от размеров заготовки и марки сплава. Допустимая скорость вытягивания в значительной степени зависит от толщины корочки, её способности выдержать ферростатическое давление и тянущие усилия.

9

     Допустимая скорость ввода расплава в значительной степени зависит от способа подвода: равномерности распределения гидропотоков по периметру и высоте кристаллизатора, глубины проникновения струи расплава в жидкую лунку.
     Повышение интенсивности охлаждения заготовки за счёт интенсификации теплоотвода в кристаллизаторе малоэффективно, в ЗВО способствует увеличению скорости разливки, но ограничивается возможностью появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. С увеличением скорости разливки увеличивается глубину жидкой лунки L и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку заготовки, что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения.
     Серьёзное внимание уделяется стабилизации процесса непрерывной разливки. Стабильная скорость разливки, постоянный уровень металла в кристаллизаторе - один из главных технологических факторов, определяющих качество поверхности и центральной зоны заготовки.
     Большая степень химической однородности по длине и поперечному сечению непрерывнолитых заготовок обеспечивает стабильные механические свойства и повышает надёжность работы металлоизделий. Благодаря своим преимуществам непрерывная разливка стали принята в качестве основного способа разливки во всех вновь сооружаемых сталеплавильных цехах и будет широко использоваться при реконструкции действующих заводов.
     Наибольшая производительность МНЛЗ обеспечивается при их работе в сочетании с кислородными конвертерами. В этом случае достигается равенство циклов выпуска стали из конвертера и разливки её на МНЛЗ, благодаря чему жидкий металл может подаваться на установку непрерывно в течение длительного времени. В цехах с современными дуговыми печами, продолжительность плавки в которых выдерживается достаточно точно, также может быть организована разливка так называемым методом «плавка на плавку» (одна установка непрерывно принимает металл от нескольких печей).
     Перспективны агрегаты, в которых непрерывная разливка стали совмещается с непрерывной прокаткой в едином потоке. При этом снижаются затраты энергии, повышаются качество слитка и выход годного, сокращается цикл производственных операций от выплавки стали до получения готового проката. Такие агрегаты уже вступили в эксплуатацию, как в России, так и за рубежом. В СССР непрерывным способом в 1990 году было разлито более половины выплавляемой стали. При этом мощностей по её производству потребовалось на 30 млн тонн меньше, чем при обычной разливке.

10

     Главными задачами дальнейшего улучшения технологии непрерывной разливки являются ускорение процесса затвердевания, а также получение качественного литья.
     В нашей стране непрерывным способом разливают только стали более 150 марок, в том числе углеродистые спокойные, низкоуглеродистые для получения автолиста и жести, низколегированные, конструкционные, инструментальные, электротехнические, высоколегированные и ряд сплавов для производства листа и сорта.
     Повышение скорости вытягивания непрерывнолитых заготовок и увеличение интенсивности теплоотвода традиционными методами приводит к ухудшению качества литья. Появлению трещин и других дефектов.
     В связи с повышением скоростей разливки, расширением марочного состава разливаемых металлов, в том числе сталей, дальнейшее развитие и совершенствование технологии непрерывной разливки возможно на основе анализа причин возникновения основных дефектов и разработки практических мер по их устранению или предотвращению.
     На основы опытных данных установлены основные факторы, влияющие на развитие дефектов:
     •       геометрические размеры непрерывнолитой заготовки;
     •       конструкция кристаллизатора и состояние рабочей её поверхности;
     •       технологические условия выплавки, химический состав металла и способы его внепечной обработки;
     •       скоростные и температурные условия разливки металла;
     •       тепловые режимы вторичного охлаждения.
     Для дальнейшего продвижения вперёд в освоении непрерывной разливки с повышенным качеством литья необходимо глубже изучить механизмы, влияющие на процессы кристаллизации и затвердевания, исследуя различные процессы тепловой, гидродинамической и массообменной работы МНЛЗ.
     Разработан и внедрён (для алюминиевых сплавов) принципиально новый вариант: непрерывное литьё с формообразованием слитка в электромагнитном поле - литьё в электромагнитный кристаллизатор. Процесс отличается следующими особенностями:
     •       отсутствует контакт между кристаллизующимся слитком и стенками металлической формы, что исключает образование грубых поверхностных дефектов;
     •       расстояние от мениска металла до пояса непосредственного охлаждения водой очень мало, благодаря чему повышается скорость кристаллизации;

11