Непрерывное литьё заготовок. Разливочные и промежуточные ковши МНЛЗ

В. А. Ульянов, В. Н. Гущин





                НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ ЗАГОТОВОК




РАЗЛИВОЧНЫЕ И ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ КОВШИ 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. Разливочные и промежуточные
     ковши МНЛЗ : учебное пособие / В. А. Ульянов, В. Н. Гущин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1179-0

     Рассмотрены вопросы применения разливочных и промежуточных ковшей в условиях непрерывной разливки. Приведены результаты экспериментальных и модельных исследований, изложены рекомендации по совершенствованию использования ковшей для внепечной обработки расплавов. Освещены вопросы, связанные с влиянием внепечной обработки расплавов на 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 978-5-9729-1179-0

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

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.....................................................4
1. РАЗЛИВОЧНЫЕ КОВШИ.........................................6
  1.1. Внешние воздействия на расплавы металлов в ковшах.....6
  1.2. Печь-ковш............................................19
  1.3. Энергетические и экономические параметры воздействий.26
  1.4. Особенности обработки упругими колебаниями...........31
2. ОБРАБОТКА РАСПЛАВОВ В РАЗЛИВОЧНЫХ КОВШАХ УПРУГИМИ КОЛЕБАНИЯМИ........................................42
  2.1. Электрогидроимпульсное воздействие на расплавы.......42
  2.2.  Футеровка ковшей и её стойкость в условиях наложения упругих колебаний...........................................59
  2.3. Результаты рафинирования и гомогенизации расплава....67
  2.4. Разливка обработанного расплава в изложницы и формы.84
3. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ МНЛЗ..................................94
  3.1.  Роль промежуточных ковшей в формировании качества литых заготовок.............................................94
  3.2. Конструкции промежуточных ковшей МНЛЗ...............100
  3.3.  Поведение неметаллических включений при различных конструктивных решениях и продувке расплава................133
4. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ КАК РЕАКТОР..........................135
  4.1. Управление потоками расплавов.......................135
  4.1.1. Разливка через прямоугольные промковши............135
  4.1.2. Разливка через трапециевидные и другие промковши..155
  4.2. Промышленное освоение результатов моделирования.....190
  4.2.1. Продувка жидкой фазы..............................190
  4.2.2. Обработка расплавов упругими колебаниями..........193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................200
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................202

3

            ВВЕДЕНИЕ



     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.
     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.
     Значительные отличия появляются в работе установки ковш-печь (УКП) в условиях предприятий, ориентированных на выпуск высококачественной уникальной продукции.
     При производстве заготовок наибольшее распространение в мире получили УКП, работающие по совмещенной модульной схеме в комплексе с дуговой сталеплавильной печью или кислородным конвертером и высокопроизводительной МНЛЗ. При этом режим работы УКП соответствует технологической цикличности разливки стали на МНЛЗ, а для обеспечения некоторого демпфирующего резерва времени (для поддержания непрерывности процесса литья) перед началом процесса разливки предусматривается один дополнительный ковш металла, что, соответственно, предполагает увеличение времени пребывания стали в нем.
     В целом же функциональная эффективность УКП может существенно отличаться в зависимости от стратегии завода и структуры металлургического производства, что соответственно определяет круг требований к отдельным параметрам обработки и огнеупорам, используемым в ковшах, в зависимости от длительности пребывания в них металла и уровня качества стали.
     Промежуточный ковш, установленный на транспортном манипуляторе, выполняет функции рабочего инструмента по подаче жидкого металла через разливочные отверстия в кристаллизатор и одновременно оснащается специализированными манипуляторами и устройствами для распределения потоков жидкой стали по объёму промежуточного ковша.

4

Изменять параметры течения стали в промежуточном ковше можно только путем использования специальных элементов, которые устанавливаются во внутреннюю полость ковша. Комбинация их в промежуточном ковше образует систему распределения потоков стали. Несмотря на то, что отдельные элементы этой системы с успехом применяются на многих металлургических предприятиях, обоснованных методик расчета и конструирования их в научной литературе не представлены.
     Приведённые в учебном пособии материалы могут быть полезны для студентов и аспирантов металлургических специальностей, а также специалистов в этой области.

5

1. РАЗЛИВОЧНЫЕ КОВШИ
1.1. Внешние воздействия на расплавы металлов в ковшах

     В процессе заполнения металлами ковша и изложницы идет непрерывное насыщение расплава кислородом и водородом. При заливке 12 т изложницы сверху, например, контактная поверхность соприкосновения металла с воздухом с учетом циркуляции металла в изложнице достигает при разливке 30 м², а снизу 70 м². При разливке металла на воздухе среднее содержание кислорода в прибыльной части слитка достигает 0,006 % в защитной атмосфере - 0,0053 %, в вакууме - 0,0036 % [1-3].
     Прирост концентрации газа в зависимости от времени приближенно выражается уравнением [2]
                       dN/dг=KS(Nр -N)/V, где К' - коэффициент массопереноса, учитывающий конвекцию и диффузию;
S - поверхность раздела жидкий металл-атмосфера;
V - объем металла;
Nр и N - растворимость и концентрация газа в металле при давлении.
     Из приведённого уравнения следует, что скорость растворения газа в жидком металле зависит не только от свойств газа (коэффициента диффузии, вязкости, поверхностного натяжения), но и от отношения поверхности контакта к объему.
     Основное количество неметаллических включений (НВ), образующихся на ранних стадиях производствах стали, успевает всплыть из металла. Однако часть включений, появившихся в металле на ранних стадиях, обнаруживается и в готовом прокате, поковках и изделиях. Этим обусловливается необходимость снижения НВ на всех стадиях выплавки и разливки металла.
     Газы, растворенные в металле, выделяются в самостоятельную фазу в том случае, если их общее давление превышает внешнее.
     Образование новой газовой фазы в жидком металле идет значительно труднее, чем окисной фазы. Среднее содержание азота в металле, выплавленного в электропечи, колеблется в пределах 0,004-0,008 % и может изменяться в небольших пределах в зависимости от химсостава, способа выплавки и разливки.
     Растворимость водорода в жидком металле до 25 см³/100 г, в твердом - до 14,2 см³/100 г при высоких температурах [4]. Технология выплавки стали в электропечах позволяет получить сталь с содержанием во

6

дорода перед выпуском в пределах 3,5-5,0 см³/100 г. При разливке 13 т слитка содержание водорода в жидкой стали меняется от 7,0 до 13,7 см³/100 г. Присутствие водорода в жидкой стали оказывает влияние на характер образующейся структуры слитка, усиливает транскристаллическую структуру литого металла, способствует появлению флокенов и приводит к снижению пластических свойств стали при определенных условиях.
     Ковшовая металлургия предполагает в настоящее время широчайший круг проведения разного рода операций над металлом вне печи. При производстве стали и чугуна это, в частности, ковшовое рафинирование от примесей, десульфурация и дефосфорация, дегазация, гомогенизация, легирование и модифицирование и т. д. Для производства стали применяют доводку путём вдувания инертных газов, порошков (VAD - процесс). Вакуумнокислородное обезуглероживание используют при производстве высоколегированных, нержавеющих и жаростойких сталей (VOD-процесс).
     В последнее время разработаны большое число методов внепечной обработки стали, их выбор определяется целесообразностью обработки конкретной стали и возможностью способа обработки (рис. 1.1, рис. 1.2).

Рис. 1.1. Основные способы перемешивания металла в ковше:
а — продувка аргоном через ложный стопор, б — продувка аргоном через пористую пробку, в - продувка аргоном через шиберный затвор, г - электромагнитное перемешивание, д - при выпуске из электропечи, е, ж - пульсационный, з - вибрация ковша, и - колебание ковша, к - механическое перемешивание металла

7

Рис. 1.2. Схемы установок внепенного вакуумирования: а - ковшевое в камере, б, в - ковшевое с перемешиванием аргоном и электромагнитным способом, г - при переливе из ковша в ковш, д - порционное, е - циркуляционное, ж - при выпуске из электропечи, з - при разливке в изложницу

     Внепечная обработка позволяет улучшить качество стали, повысить производительность сталеплавильных агрегатов, снизить угар легирующих, обеспечить узкие пределы их содержания в сплавах.
     При внепечной обработке стали в ковшах изменились условия службы футеровки, а требования к огнеупорам значительно ужесточились. В результате переноса части металлургических процессов в ковши увеличилась температура стали в них, возросла длительность пребывания её в ковше, повысилась основность шлаков и химическая реакционная способность расплавов в условиях вакуума, интенсифицировались процессы циркуляции и перемешивания расплавов, возросло агрессивное действие на кладку различных добавок в сталь. В таких условиях службы стойкость традиционной шамотной и монолитной кремнезёмистой футеровки оказалась низкой [5-7].
     Считается, что футеровки внепечных установок для рафинирования стали должны выдерживать колебания температур в области 800-1700 °С, 8

разряжение атмосферы 1-10⁻⁵ Па, основность шлака в пределах 0,5-3,0, окисленность стали от 0 до 0,05 % [О]. Кроме того, ковшевые огнеупоры должны быть стойкими к эрозии циркулирующих расплавов, термическому растрескиванию, к физико-химическому разъеданию расплавом (коррозии), к износу при дегазации, продувке порошками и инертным газом.
     В качестве внепечной обработки чугуна в настоящее время применяется его десульфурация, дефосфорация и обескремнивание (рис. 1.3) [6].
     Для внепечной десульфурации обычно используют чистый магний, смеси извести и магния, кусков кокса, пропитанных магнием, а также кальцийсодержащие материалы в виде извести, известняка, карбида каль-

ция и соду и др.

Рис. 1.3. Схема установки десульфурации чугуна с вдуванием реагентов:
1 - десульфураторы, 2 - пылевой фильтр, 3 - бункер, 4 - сжатый воздух,
5 - транспортный жёлоб, 6 - взвешивающее устройство, 7 - распределитель пылевидных материалов, 8 - пылеулавливание, 9 - вытяжной зонт, 10 - тележка фурмы, 11 - погружная фурма, 12 - ковш сигарообразной формы, 13 - открытый ковш

9

     При использовании порошкообразного реагента в качестве несущего газа для его вдувания используют воздух, азот, природный газ. Для перемешивания реагента с металлом используют:
     -  падающую струю металла;
     -  разные механические мешалки;
     -  барботаж в процессе продувки газом;
     -  пульсирующую затопленную струю;
     -  воздействие вибрации, ультразвук; газлифтное перемешивание и др.
     Основные виды механического перемешивания при десульфурации и других подобных процессах показаны на рис. 1.4.
     Для удаления из жидкого чугуна фосфора используют смеси окалины железной руды с плавиковым шпатом или известью, вдуваемую в потоке кислорода (рис. 1.5).


Рис. 1.4. Основные виды механического перемешивания металла: а - падающей струей, б - вибрационным воздействием, в, г - с использованием мешалок для подъёма фурм

10

Рис. 1.5. Схема установки для дефосфорации чугуна содой с вдуванием порошка: 1 — ковш, 2 — крышка, 3 — конвейер для подачи реагента, 4 — питатель, 5, 6 — бункеры для соды и окалины, 7 — пневмонагнетатель, 8 — бункер для воды, 9, 10 — измерительные устройства, 11, 12 — фурмы для введения кислорода и вдувания порошка, 13 — зонт для улавливания пыли, 14 — металл, 15 — шлак

     Лучшие результаты по усвоению реагентов получены при их вдувании через специальную фурму природным газом в ковшах миксерного типа (рис. 1.3).
     Проведение описанных внепечных воздействий на расплав позволяет после последующей плавки в конвертере получать металл со сверхнизким содержанием серы, фосфора и кремния.
     Современные сталеплавильные технологии с использованием методов внепечной обработки основываются на использовании следующих технологических приёмов:
     -  обработка металла вакуумом;
     -  продувка металла инертными газами;
     -  одновременная обработка вакуумом и инертными газами;
     -  одновременная обработка вакуумом и продувка кислородом;
     -  обработка твёрдыми шлаковыми смесями;
     -       одновременная обработка жидкими синтетическими шлаками и инертными газами;
     -       комплексная обработка вакуумом, кислородом, инертными газами и шлаковыми смесями;

11