УДК 621.746.27
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ СТЕНОК КРИСТАЛЛИЗАТОРА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ И ЩЕЛЕВЫМИ КАНАЛАМИ
© В.И.Кадошников, И.М.Ячиков
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова В.И.Завьялов, А.А.Подосян
ЗАО «Механоремонтный комплекс»
Как известно, первые машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) появились в России в 1947 г., когда на опытной установке в ЦНИИчермет были отлиты первые слитки, впоследствии прокатанные в промышленных условиях. МНЛЗ по конструкции делятся на вертикальные, радиальные и криволинейные. В бывшем СССР первая установка вертикального типа была установлена на Ново-Тульском металлургическом заводе в 1955 г.
В России слябовые МНЛЗ конструируют и изготавливают в ОАО «Уралмаш». С начала шестидесятых годов там начали строить МНЛЗ криволинейного типа, отличающиеся увеличенной длиной технологического канала и литьем заготовок с повышенными скоростями. Первая машина криволинейного типа была построена и введена в строй в ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (НТМК) в 1968 г.
На ММК четыре машины криволинейного типа спроектированы, изготовлены и введены в строй в 1990 г. На данный момент в конвертерном цехе имеется три кислородных конвертера вместимостью 370 т и четыре машины непрерывного литья заготовок. Тип МНЛЗ — криволинейная, комбинированная, двух-, четырехручьевая — с расстоянием между ручьями 6000 мм. Высота кристаллизатора 1200 мм, длина радиального участка 8790 мм, криволинейного 7030 мм, общая металлургическая длина 35 800 мм. Максимальная скорость разливки (проектная) 1,6 м/мин.
Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом МНЛЗ. Он предназначен для интенсивного отвода тепла от кристаллизующегося металла с одновременным формированием оболочки заготовки, способной без разрушения противостоять давлению жидкой стали на выходе из кристаллизатора, а также для придания профиля заготовке. Стенки его изготавливают из технической меди или меди, легированной хромом, серебром и другими металлами. Охлаждение производится водой, прокачиваемой через каналы в рабочих стенках кристаллизатора под давлением 0,5-0,8 МПа со скоростью 5-10 м/с и расходом более 350 м3/ч. ^ Существует три типа кристаллизатора: сборные,
° блочные и гильзовые [1]. На ММК применяют сбор-§ ные кристаллизаторы, состоящие из рабочих стенок ^ толщиной 70 мм, каждая из которых крепится шпиль-| ками к жестким стальным плитам. Воду пропускают < по каналам диам. 20 мм, высверленным в стенке [2]. 5 Этот способ охлаждения не очень эффективен. Необ-
ходимость сверления отверстий существенно усложняет изготовление кристаллизаторов и последующую очистку отверстий от солей жесткости при ремонтах. Кроме того, стойкость кристаллизаторов с медными рабочими стенками в условиях высокопроизводительной работы МНЛЗ явно недостаточна. При высоких скоростях разливки температура рабочей поверхности кристаллизатора приближается к температуре разупрочнения меди. Низкая износостойкость меди приводит к повышенному износу рабочей поверхности стенок, особенно в нижней части кристаллизатора и особенно поверхности узких стенок. На практике, во избежание прорывов корочки слитка, при достижении определенного износа медных стенок кристаллизатор снимают и направляют на перестрожку.
Для снижения сил трения между сформировавшимся слитком и стенками кристаллизатора применяют различного рода шлаковые смеси [3]. Они устраняют прилипание, повышенное трение, термическое коробление оболочки стали в кристаллизаторе. Однако при пониженной температуре в нижней части кристаллизатора наличие шлака на поверхности сформировавшейся корочки слитка и пульсация от механизма качания при низких скоростях его движения приводят к повышению силы трения в контакте с рабочими плитами (критическое усилие вытягивания — 16 тс) из-за образования на поверхности слитка шипов из стали и шлака, которые при возобновлении перемещения слитка и приводят к повышенному износу нижней части плит кристаллизатора.
Широкие рабочие стенки подвергаются перестрожке через каждые 200 плавок. А узкие стенки перестрагиваются после каждых 50-100 плавок, так как они устанавливаются под углом, с уменьшением размера сляба на выходе из кристаллизатора. Общая стойкость кристаллизатора составляет не более 800 плавок.
Опыт эксплуатации МНЛЗ на ММК выявил много проблем, которые не позволяют обеспечивать работу машин с максимальной производительностью, что и потребовало проведения комплекса работ не только по совершенствованию, но и по разработке новых практических и теоретических предложений по модернизации МНЛЗ [4].
Одной из важных и актуальных проблем на многих металлургических предприятиях при непрерывной разливке стали является увеличение стойкости медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ. Основные
направления для решения этой проблемы — использование новых материалов, а также конструктивные изменения.
Многими исследователями опробованы кристаллизаторы с рабочими стенками из сплавов меди и других материалов. Институтом «Гипроцветметобработка» для изготовления рабочих стенок кристаллизаторов рекомендуется использовать сплав меди с серебром типа МСр (0,1% Ад, температура разупрочнения 350 °С), который в большинстве случаев используется для изготовления узких стенок слябовых кристаллизаторов. Сплав МСр при незначительном снижении теплопроводности имеет более высокую прочность и температуру разупрочнения по сравнению с медью, благодаря чему удалось повысить износостойкость узких стенок.
В настоящее время на ММК для изготовления узких стенок кристаллизатора используется медь марки МС с содержанием серебра 0,8-1,2%. Стоимость
такой меди около 90 000 руб/т. Норма расхода меди — 6,4 кг на 1000 т отлитой стали. Исходя из годового объема выпускаемой продукции затраты на медь марки МС составляют более 3 млн руб. [5]. Если учесть, что масса меди для узких стенок кристаллизатора составляет около одной десятой общей массы рабочих стенок кристаллизатора, то перевод на новый сплав повлечет за собой вложение значительного капитала.
Один из более перспективных путей повышения стойкости рабочих стенок кристаллизатора — повышение интенсивности отвода тепла от расплава разработкой новых конструкций стенок.
Отвод тепла от металла, подаваемого в полость кристаллизатора, осуществляется водой, циркулирующей в каналах, расположенных вблизи рабочих поверхностей медных плит. В настоящее время используются кристаллизаторы как с прямоугольными фрезерованными в плитах каналами со стороны сталь-
16000
12000
«
8000
4000
10
20
30 С1( мм
40
50
МС, О = 491 м3/ч М1Р, О = 491 м3/ч МС, О = 1330 м3/ч М1Р, О = 1330 м3/ч
15000
2 11000
н «
7000
3000
10
20
М1Р, О МС, О : М1Р, О МС, О : МС, О : МС, О :
30 С, мм
40
50
= 491 м3/ч, а = 15 мм, Ь = 21 мм = 491 м3/ч, а = 15 мм, Ь = 21 мм = 1330 м3/ч, а = 15 мм, Ь = 21 мм = 1330 м3/ч, а = 15 мм, Ь = 21 мм = 1330 м3/ч, а = 40 мм, Ь = 8 мм = 491 м3/ч, а = 40 мм, Ь = 8 мм
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопередачи для кристаллизаторов из медных сплавов различных марок от расстояния до поверхности цилиндрического (а) и щелевого (б) каналов
и
о
ев СР
Й СР
(и
и
м
£
300 250 200 150 100
0,05 0,3 0,6 1 1,2
Расстояние от зеркала металла, м
300
и 260 -
220
180
140
100
0,05 0,3 0,6 1 1,2
Расстояние от зеркала металла, м
Рис. 2. Влияние расстояния от зеркала расплава на температуру рабочей поверхности кристаллизаторов в зависимости от: а - расхода охлаждающей воды (скорость разливки 0,8 м/мин) и б - скорости разливки металла (расход воды 500 м3/ч)
ного корпуса, так и со сверлеными каналами. В отечественной практике на слябовых МНЛЗ применяются кристаллизаторы со сверлеными и щелевыми каналами, однако кристаллизаторы со сверлеными каналами имеют ряд эксплуатационных преимуществ, обладая большей жесткостью и надежностью в работе.
При изготовлении радиальных кристаллизаторов сверленые каналы для циркуляции воды предварительно выполняют в плоской заготовке, которую затем изгибают по заданному радиусу, придавая ей необходимую форму. Этим обеспечивается одинаковое расстояние от каналов до рабочей поверхности по высоте кристаллизатора.
Расстояние от потока охлаждающей воды в каналах до рабочей поверхности кристаллизатора из-за высокой теплопроводности меди мало влияет на процесс теплопередачи, но с увеличением этого расстояния возрастает температура медной стенки, что приводит к снижению механических характеристик материала. Поэтому расстояние от каналов с водой до рабочей поверхности кристаллизатора должно выбираться таким, чтобы температура стенки на поверхности, контактирующей с разливаемым металлом, не превышала температуру разупрочнения материала. Вместе с тем должно быть обеспечено и максимально возможное количество перестрожек рабочей поверхности при ремонтах для восстановления профиля внутренней полости кристаллизатора.
Рассмотрим достоинства и недостатки рабочих стенок кристаллизатора с щелевыми каналами по сравнению с кристаллизатором, стенки которого имеют цилиндрические каналы. К достоинствам можно отнести: простоту изготовления и доступа при ремонтах; экономию не менее 30% меди при сохранении расстояния от рабочей поверхности до поверхности теплоотводящих каналов; повышение количества перестрожек, т.е. повышение срока службы кристаллизатора при сохранении толщины его стенок на уровне 70 мм; понижение температурных характеристик рабочей поверхности на 25-40 °С при прочих равных условиях [6]. К недостаткам можно отнести возможность раскрытия стыка под действием на стенку сил, возникающих при прокачивании воды по каналам под давлением.
Авторами статьи совместно с производственным персоналом разработаны алгоритмы, учитывающие параметры теплового и температурного состояния кристаллизаторов, как со сверлеными, так и со щелевыми каналами, применительно к машинам, работающим на ММК. Кроме того, разработан алгоритм расчета шпилек для крепления рабочих плит с учетом неравномерности температур по поверхности из условия не раскрытия стыка.
^ По разработанным алгоритмам были составлены
g программы расчетов в среде MathCAD Professiona
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.