Проектирование автоматизированного электропривода кристаллизатора МНЛЗ

Для зашиты металла от вторичного окисления наиболее широко используются шлакообразующие смеси на зеркале металла в сталеразливочном, промежуточном ковшах и кристаллизаторе, а также огнеупорные изделия и инертные газы: защитные трубы или специальные переходные камеры с подачей инертного газа на участке сталеразливочный — промежуточный ковши и погружаемые стаканы на участке промежуточный ковш — кристаллизатор. В герметизированные промежуточные ковши с крышками иногда подают инертный газ. Подобные мероприятия позволяют снизить концентрацию кислорода в атмосфере рядом со струёй металла до 0,05—0,01 %, уменьшить прирост его концентрации в металле на 0,004% (с 0,0051 до 0,0009%), прирост содержания азота на 0,001 %, снизить содержание неметаллических включений . При разливке

рядовых сталей на сортовую заготовку часто используется газовая защита струр (обдув инертным газом через специальные устройства).

Среди эффективных мероприятий, способствующих повышению качестве поверхности непрерывнолитого слитка, можно назвать использование электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе, оптимизацию режимг качания кристаллизатора и состава шлакообразующих смесей для кристаллизатора применение водовоздушного охлаждения.

Использование электромагнитного перемешивания в кристаллизаторе позволяет повысить плотность корковой части слитка, уменьшить содержание е нем неметаллических включений, газовых пузырей и пор, глубину следов качания кристаллизатора (с 1,5—2,0 до 0,5—0,3 мм) на поверхности, количество дефектов поверхности. При этом уменьшается доля заготовок, требующих зачистки .

Повышение частоты качания кристаллизатора до 250— 400 мин-' при уменьшении амплитуды также благоприятно сказывается на уменьшении'глубины следов его качания и количества поперечных трещин. Использование ультразвуковых колебаний плит кристаллизаторов позволяет значительно (в 5— 10 раз) уменьшить глубину следов качания, снизить усилия на вытягивание слитка .

Водовоздушное охлаждение обеспечивает значительное снижение количества продольных термических, а также уменьшает формирование поперечных трещин. Использование этой технологии позволяет в 2—2,5 раза (с 5,0 — 7,0 до 2,0 — 2,5 %) снизить число слябов с продольными и более чем в 3 раза (с 0,35 — 0,50 до 0,10 — 0,15%) — с поперечными трещинами. Соответственно уменьшается объем зачистки поверхности .

Имеет технологические перспективы группа способов, позволяющих активно воздействовать на кристаллизацию слитков с целью увеличения равномерности затвердевания, уменьшения температурных градиентов по сечению при сохранении высокого теплосодержания в непрерывнолитом слитке. Эти способы позволяют поддерживать невысокий (30—35°С) перегрев металла в промежуточном ковше путем необходимого подогрева или охлаждения металла, снижать температуру металла в кристаллизаторе, устранять перегрев стали в жидкой сердцевине слитка, способствуют объемной кристаллизации слитка при использовании металлических присадок в кристаллизатор. Использование подобных технологий позволяет увеличить скорость разливки (на 20-30%) и повысить качество внутренней структуры заготовки.

Среди наиболее широко опробованных вариантов таких способов — подогрев различными нагревателями или охлаждение гранулированными холодильниками или порошковой проволокой (совместно с микролегированием и модифицированием) стали в промежуточном ковше для оптимизации теплового режима разливки; подача в кристаллизатор гранулированных металлических холодильников, металлического порошка, порошковой проволоки; использование электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка в зоне вторичного охлаждения и зоне окончательного затвердевания, позволяющее эффективно усреднять температуру по сечению слитка, формировать равноосную плотную структуру центральной части, а также оптимизация охлаждения слитка в зоне

вторичного охлаждения (водовоздушное охлаждение, разливка без использования воды и т. д.).

Электромагнитное перемешивание в зоне вторичного охлаждения и зоне окончательного затвердевания позволяет значительно улучшить структуру слитка, в частности на 25—30 % увеличить долю равноосной структуры, распределить осевую пористость, подавить ликвидацию элементов (углерода, серы) в центральной части заготовки. Подобное перемешивание часто используется в производстве слябов для улучшения качества их центральной части, а также при разливке сталей с большим интервалом кристаллизации (высокоуглеродистые рельсовые, для кордовой проволоки и т. д.).

Особо можно отметить ряд модификаций технологии непрерывной разливки стали, обеспечивающих эффективную экономию энергии при более высоких качественных показателях готовых непрерывнолитых слитков. К этим технологиям относятся подогрев металла в промежуточном-ковше, ускорение затвердевания слитка в процессе прохождения роликовой проводки УНРС, а также технология разливки без использования воды в зоне вторичного охлаждения (так называемая «сухая разливка»).

Одним из эффективных мероприятий, способствующих экономии энергии на стадии непрерывной разливки, является подогрев стали в промежуточном ковше.

Для подогрева металла в промежуточном ковше разработан ряд нагревателей — индукционных, плазменных, дуговых, с использованием газопылеугольных горелок и др. Перспективной технологией в этой области является применение плазматронов, позволяющее осуществить контролируемый, без внесения вредных примесей (углерода, серы) подогрев металла. Плазматроны постоянного тока для подогрева используют фирмы «Делта-сидер» (Италия) на заводе в Аосте ; фирма «Ниппои кокан» в Кейхине (Япония) ; плазматроны переменного тока—фирма «Крупп Индустриентехник» (ФРГ).

В качестве примера можно привести характеристики одного из плазматронов фирмы «Тетроникс» (Великобритания) . Плазматрон использует постоянный ток силой 1,0—8,0 кА при напряжении 100—200 В. Мощность его составляет ОД— 1,25 МВт, диаметр корпуса — 70 мм, длина — 1000—2000 мм. В качестве плазмообразующего газа используют аргон с расходом 25 л/мин на 1 кА и давлением 0,3 МПа. Для охлаждения кожуха используется очищенная вода с расходом 50-200 л/мин и давлением 1,2 МПа. Потери энергии с охлаждающей водой составляют 20—100 кВт. Срок службы катода достигает около 100 ч даже в тяжелых условиях работы (например, в случае постоянного поддержания заданного уровня температуры). Для промежуточных ковшей небольших размеров (малой емкости) используют одно-, а для больших — двухкатодные горелки. Для большинства блюмовых, слябовых и сортовых УНРС целесообразно применение одной горелки и одной системы контроля.

Температуру металла на входе в кристаллизатор можно регулировать с точностью ±5 "С, что позволяет разливать сталь с перегревом всего в 15—20 °С над температурой ликвидус. Если в настоящее время при разливке без подогрева

необходимо иметь перегрев в 30—40С, то плазменный подогрев позволяет снизить его на 15—20 С.

При непрерывном подогреве стали, выпущенной из печи с пониженной на ЗС "С температурой, с помощью плазматрона мощностью 900 кВт при скорости разливки 2 т/мин при продолжительности разливки 90 мин для 180-т плавки требуется расход энергии 1350 кВт-ч, т. е. 7,5 кВт-ч/т, что позволяет экономить при выплавке 22,5 кВт-ч/т. Кроме того, экономятся электроды, огнеупоры, увеличивается производительность печи.

Использование плазменного подогрева позволяет получать однородную макроструктуру заготовки. Снижение перегрева металла обеспечивает получение более мелкозернистой стали, с широкой зоной равноосных кристаллов .

Фирмой «Раутарууки» в Раахе (Финляндия) разработан способ снижения температуры в промежуточном ковше путем вдувания стального порошка в струю на участке между сталераз-ливочным и промежуточным ковшами . Порошок подают под защитным колпаком. Аргон, используемый в качестве газа-носителя порошка с расходом 200—300 л/мин, также защищает сталь в промежуточном ковше от окисления кислородом воздуха.. Пространство между разливочным ковшом и защитным колпаком защищено кольцами из волокнистой керамики. Важное достоинство метода вдувания заключается в том, что - для соответствующего оборудования не требуется много места, распределитель порошка можно сделать подвижным и крепить в необходимых местах.

По расчету, при введении порошка в количестве 1 % (по массе) температура снижается примерно на Г8 "С. Способ опробовали при разливке раскисленных алюминием и кремнием низкоуглеродистых сталей с марганцем. Для вдувания использовали порошок фирмы «И11С стилпаудер» (Швеция) с химическим составом, % (по массе): С- 1,01; Мп — 0,70,' Si -0,57; А1 — 0,060; S — 0,014; Р -0,016: О — менее 0,02. Емкость распределителя составляла 1000 кг порошка, диапазон регулирования его расхода 5—40 кг/мин при расходе газа-носителя 200 л/мин. При отливке слябов сечением 175x1580 мм со скоростью 0,8 м/мин обеспечили перегрев, равный 15 "С. что привело к исчезновению внутренних трещин у узкой грани, увеличению на 35 % зоны равноосных кристаллов в центре слитка, заметному снижению осевой ликвации и осевой пористости. С учетом полученных результатов разработана система для автоматической подачи порошка, обеспечивающая поддержание температуры в промежуточном ковше с точностью ±2 "С. Минимальный перегрев, обеспечиваемый системой, составляет 5—10 "С .

Фирмы «Сентро свилуппо материали» и «Терни ачиай специали» (обе Италия) разработали процесс FAST — технологию принудительного ускорения с целью регулирования перегрева жидкой стали, корректировки химического состава и воздействия на структуру непрерывнолитого слитка. Новый процесс реализуется в нескольких вариантах; для охлаждения стали используют металлический порошок, стальные гранулы шаровидной формы или порошковую проволоку с наполнителем. Твердые присадки (гранулированные металлы типа

железа, алюминия, титана, бора и т. п.) выполняют функцию охладителей и легирующих присадок.

Для введения в кристаллизатор металлического порошка по определенной траектории с определенной скоростью была разработана специальная установка. Ее опробовали в производственных условиях на одном ручье восьмиручьевой сортовой УНРС. Стальной порошок с частицами 00,5 мм, содержащей 1 % С; 0,68 % Si;

0,69 % Мп; 0,15 % S; 0,015 % Р; 0,04 % А1, вводили в количестве 1,4—3,0 % от массы стали при скорости разливки до 3.0 м/мин. Применение стального порошка позволило повысить производительность УНРС на 40—50 % по сравнению со стандартной технологией. Оптимальная дозировка гранул, обеспечивающая их полное расплавление и хорошее качество непрерывнолитых заготовок, составляет 1,5%. Химический анализ металла готового слитка подтвердил его высокую однородность. С увеличением количества вводимого порошка увеличивается доля зоны равноосных кристаллов.

Одним из наиболее эффективных вариантов технологии FAST, свободным от недостатков, связанных со сложностями осуществления защиты от вторичного окисления, регулирования подачи порошка в кристаллизатор, обеспечения его равномерного распределения по сечению слитка, является технология подачи порошковой проволоки через полый стопор промежуточного ковша. Промышленные испытания способа проводили па двух УНРС при отливке слябов сечением 232X1080 и 178X1330 мм из электротехнических и коррозионно-стойких сталей. Проволоку с присадками подавали в кристаллизатор через погружаемые стаканы без дна и глуходонные с двумя выпускными отверстиями.

Эксперименты по ускоренной кристаллизации непрерывнолитых слябов, когда подавали железную проволоку, показали, что при изменении перегрева в промежуточном ковше от 50 до 20°С использование технологии FAST позволяет увеличить долю зоны равноосных кристаллов на 3—8 %, значительно снизить пористость в центральной части сляба. Количество дополнительно введенного охладителя достигало 0,61 % (по массе). Эксперименты по легированию электротехнической стали (0,03 % С; 1,7 % Si; 0,25 % Мп; 0,25 % А1; 0,010 % N) алюминием и коррозионно-стойких сталей типа AISI 400 титаном в кристаллизаторе показали, что эта технология позволяет обеспечить усвоение алюминия на 90—100 % и титана на 100 %, причем распределение данных элементов по сечению слитка равномерное, какие-либо скопления нерасплавленных частиц отсутствуют. Максимальное увеличение концентрации алюминия составило 0,33, титана — 0,05 % .

Одной из тенденций, которая будет развиваться при создании новых конструкций УНРС, по мнению специалистов фирмы «Маннесман Демаг» (ФРГ), является снижение расхода воды на вторичное охлаждение. Для обеспечения повышенного теплосодержания слитков и предотвращения трещинообразования на поверхности фирма «Маннесман Демаг» внедрила вариант системы вторичного охлаждения без использования воды на УНРС конструктивно малой высоты, построенной в Тяньцзине (КНР).

Использование «сухой разливки» стало возможно благодаря сравнительно небольшому ферростатическому давлению, которым отличаются УНРС малой конструктивной высоты. Используемые при этом ролики имеют повышенную охлаждающую способность. Ролики со спиральными каналами для охлаждающей воды, позволяющие поддерживать степень внутренней деформации заготовки при непрерывной разливке в пределах минимальных значений, а также имеющие охлаждающую способность в 6 раз большую по сравнению со сплошными роликами, разработала для этих целей фирма «Маннесман верке» (ФРГ). На поверхности массивного сердечника ролика проточен спиральный канал шириной 120 мм и глубиной 15 мм. На этот сердечник насаживается тонкостенная труба. Сердечник очень плотно прилегает к внутренней поверхности трубы. На трубе вдоль спиральных -ребер сердечника профрезерована канавка, причем в основании канавки толщина материала незначительна (несколько миллиметров). Затем труба и сердечник свариваются между собой по этой канавке.

При наложении первого слоя шва основание, канавки оплавляется. После обточки поверхность трубы можно подвергать спеканию или плакированию. Охлаждающая вода прокачивается сквозь спиральный канал. Движение по замкнутому контуру, которое привело бы к неконтролируемому охлаждению, здесь отсутствует. Охлаждение контролируется по температуре и скорости течения воды.

Максимальный изгиб при остановке этих роликов даже при длине бочки, равной 2000 мм, не превышает ОД мм. На основе этой конструкции изготовляют обычные или многоспорные ролики для эксплуатации в условиях высоких механических нагрузок. Эти ролики имеют подшипник скольжения в центре и роликовые подшипники на концах. Ролики можно присоединять к приводу. Прочность на изгиб у подобных роликов такая же, как у сплошных.

Уменьшение интенсивности отвода теплоты при «сухой разливке» приводит к снижению скорости затвердевания и увеличению степени внутренней деформации. В связи с этим скорость разливки снижена с 1,2 до 0,8 м/мин. Однако в результате уменьшения интенсивности отвода теплоты повышается температура поверхности нспрсрывнолнтого слитка (с 960 до 1000°С и более), которая находится вне критической области температур образования трещин. Благодаря этому становится возможной непрерывная разливка чувствительных к трещинообразованию сталей с поверхностью, не нуждающейся в огневой зачистке.