Способы разливки стали, типы МНЛЗ для разливки и получения слябов и блюмов.

Конструкционное оформление МНЛЗ непрерывно развивается в течение всего периода их применения в промышленности. Основные конструктивные и технологические решения обычно направлены повышение производительности МНЛЗ, ее компактности, обеспечение высокого качества заготовки, снижение трудоемкости процесса, уменьшение энергозатрат и повышение обеспеченности автоматическими системами управления. Основными вопросами при этом являются рациональная конфигурация, расположение и протяженность главной технологической оси, профиль поперечного сечения заготовки, совмещение дискретного характера подачи стали от плавильного агрегата с непрерывной работой МНЛЗ и т.п.

Первоначально (50-е и 60-е годы прошлого столетия) МНЛЗ имели вертикальную архитектуру (вертикальная мнлз), включая участок порезки заготовки на мерные длины. Преимущества таких МНЛЗ заключаются в том, что все процессы формирования заготовки происходят в вертикальной плоскости (так же как и у слитка). Это обеспечивает получение высокого качества внутренней структуры заготовки и упрощает конструкцию машины в целом.

Рисунок 1 - Основные типы вертикальных МНЛЗ

Между тем вертикальные МНЛЗ имеют достаточно серьезные ограничения по скорости разливки (а, следовательно, производительности), поскольку ее повышение предполагает увеличение технологической длины машины и существенное удорожание оборудования. Однако развитие кислородно-конвертерного процесса, бурно происходившее именно в 60-е и 70-е годы прошлого века, обусловило существенное увеличение удельной производительности конвертеров как за счет уменьшения цикла плавки, так и за счет повышения ее массы. Поэтому развитие конструкции МНЛЗ в этот период характеризуется стремлением повысить их производительность за счет увеличения скорости разливки и количества ручьев. Поэтому более поздние конструкции вертикальных МНЛЗ предусматривали загиб заготовки после ее затвердевания и порезку заготовки при ее расположении в горизонтальной плоскости. Загиб заготовки при этом осуществлялся как по одноточечной, так и по многоточечной схемам. Существенным преимуществом таких машин является улучшение условий выдачи заготовки на холодильник.

В настоящее время вертикальные МНЛЗ используются довольно редко и в основном для получения высококачественного блюма и сляба.

В 70-е и 80-е годы прошлого столетия наибольшее распространение при разливке стали получили МНЛЗ радиального типа.

Конструктивной особенностью таких машин является наличие кристаллизатора определенного радиуса (соответствует базовому радиусу МНЛЗ R_o), что обеспечивает получение радиальной технологической линии. После затвердевания заготовки осуществляется ее разгиб в горизонтальной плоскости. Следовательно, выдача готовой заготовки на холодильник осуществляется в горизонтальной плоскости.

Рисунок 2 - Схема МНЛЗ радиального типа (R_o – базовый радиус МНЛЗ)

Преимущества радиальных МНЛЗ перед вертикальными следующие: меньшая высота машины, высокая скорость разливки, что увеличивает производительность, горизонтальная выдача заготовки на холодильник и пр. Недостатки таких МНЛЗ относятся, главным образом к качеству заготовки, которое, как правило, несколько ниже, чем у вертикальнолитой, что объясняется всплытием неметаллических включений в кристаллизатор к стенке большего радиуса и возможным появлением внутренних трещин, возникающих при разгибе заготовки. Последнее устраняется путем применения системы многоточечного разгиба. В настоящее время радиальные МНЛЗ используются преимущественно для получения сортовой и блюмовой заготовки.

Развитием концепции высокопроизводительных МНЛЗ следует считать так называемые криволинейные МНЛЗ, отличительной особенностью которых является наличие вертикально расположенного кристаллизатора и вертикального участка под ним длиной 1,5-2,5 м (рис.3).

Далее заготовка загибается до определенного (базового) радиуса. Это позволяет обеспечить благоприятные условия для формирования заготовки в на-чальный период затвердевания, в том числе для всплытия неметаллических включений.

Рисунок 3 - Сравнение условий формирования заготовки в вертикальном (слева) и радиальном кристаллизаторе

Загиб затвердевающей заготовки осуществляется в 5-8 и более точках, что предотвращает возможность образования трещин и прорывов металла в твердой корочке. Последующие участки криволинейной МНЛЗ в целом аналогичны дизайну радиальных МНЛЗ. Основные преимущества крисволинейных МНЛЗ находятся в плоскости повышения качества заготовки (в первую очередь, поверхностных и подповерхностных слоев) и увеличения компактности машины. Между тем определенным недостатком таких МНЛЗ является повышение требований к точности настройки роликов ЗВО и технологической линии в целом. Наиболее важными функциональными моментами при этом являются зона загиба и разгиба заготовки, где жестко регламентируется величина деформации твердой корочки. Наибольшее применение криволинейные машины получили при разливке слябовой заготовки.

В последнее десятилетие все большее распространение получают криволинейные МНЛЗ для отливки тонких слябов (около 40-60 мм и менее). Отличительной особенностью таких МНЛЗ является принципиально новая конфигурация внутренней полости кристаллизатора, имеющая т.н. «чечевицеобразную форму». Среди преимуществ тонкослябовых МНЛЗ можно назвать возможность получения слябов шириной свыше 3000 мм и уменьшение потерь энергии и металла в ходе последующего прокатного передела, который совмещается с разливкой в едином агрегате, называемом литейно-прокатный модуль (ЛПМ).

Рисунок 4 - Схема МНЛЗ криволинейного типа (L₁ – участок разгиба заготовки; L₂ – участок загиба заготовки; R_o – базовый радиус МНЛЗ)

На рубеже тысячелетий в сталелитейной практике появились первые промышленные МНЛЗ для прямого получения листа, в которых удается исключить из технологической схемы цикл горячей прокатки заготовки. В агрегатах прямой отливки тонкого листа кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промковшом и вращающихся в противоположных направлениях.

Рисунок 5 - Схема МНЛЗ для прямой отливки листа

Жидкая сталь при разливке поступает в пространство между валками и при контакте с поверхностью валков кристаллизуется, образуя корочки, которые двигаются вместе с поверхностью и выходят из валков в форме листа, толщина которого определяется расстоянием между валками, а ширина – боковыми стенками кристаллизатора. Для отвода выделяющегося тепла валки, изготовленные, как правило, из сплава меди с хромом, охлаждаются водой. В качестве покрытия валков используют различные материалы на основе никеля, хрома или керамики. Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ имеет огромный потенциал в части экономии энергетических ресурсов (в 8-10 раз), снижения потерь с окалиной (в 40-50 раз), повышения производительности работы персонала (5-10 раз), снижения выбросов парникового газа (в 10-20 раз) при существенном снижении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.

В металлургической практике известны также МНЛЗ, технологическая линия которых расположена горизонтально. Горизонтальные МНЛЗ представляются весьма перспективными в части снижения затрат на строительство машины. Они компактны и их удобно размещать в действующих цехах. При этом нет необходимости увеличивать высоту здания или формировать глубокий колодец. Обслуживание такой машины, ремонт и замена основных узлов весьма удобны и просты. Между тем отсутствие деформации заготовки в процессе затвердевания даёт возможность лить горизонтальным способом хрупкие и трещиночувствительные стали и сплавы, которые не выдерживают деформации в процессе литья.

Рисунок 6 - Схема горизонтальной МНЛЗ

Однако достаточно очевидным представляется и тот факт, что качество заготовки при этом будет значительно ниже, вследствие того, что неметаллические включения и пузырьки газа будут всплывать к верхней грани. Такая физическая неоднородность существенно снижает кондиции продукции из заготовки. Кроме того, до настоящего времени на практике не решены полностью вопросы успешного совмещения работы металлоприемника и кристаллизатора (для условий разливки стали). Поэтому в черной металлургии такие МНЛЗ практически не используются.

Широкое распространение горизонтальные МНЛЗ получили при разливке цветных металлов и сплавов.