УДК
20 лет
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ гильзовых КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ
Нз ©В.Б.Ганкин, Г.И.Николаев, И.Н.Шифрин, АХК "ВНИИМЕТМАШ"
В.Г.Баначенков, В.Н.Киреев, С.Н.Мазанов, Ю.П.Ременюк, СЗАО "ММЗ"
На основе исследований конструктивных элементов кристаллизатора была разработана конструкция и освоено производство гильз и высокоточных рубашек охлаждения кристаллизаторов, применение которых позволяет повысить производительность машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и улучшить качество непрерывнолитых заготовок.
Гильзовый кристаллизатор - один из основных технологических узлов сортовых МНЛЗ. Качество непрерывнолитых заготовок и производительность МНЛЗ в значительной степени зависят от конструкции кристаллизатора и качества его изготовления.
ВНИИМЕТМАШ с 1986 г. занимается разработкой и совершенствованием конструкции гильзовых кристаллизаторов. После пуска Молдавского металлургического завода, ВНИИМЕТМАШ и ММЗ создали совместное предприятие, занимающееся вопросами усовершенствования конструкции гильз и кристаллизаторов.
Технологическая модернизация является основным направлением развития конструкции МНЛЗ - каждые 10-15 лет изменяется как общая конструкция машин, так и конструкция основных технологических узлов.
Наиболее заметным изменениям в сортовых МНЛЗ подверглась конструкция кристаллизатора. При этом исходили из требований как можно более полного учета компенсации усадки корочки при затвердевании в кристаллизаторе и связанного с ней образования газового зазора, а также улучшения условий теплоотдачи для создания достаточно прочной корочки на выходе из кристаллизатора.
В гильзе кристаллизатора формируется оболочка непрерывнолитой заготовки, от прочности и равномерности которой зависят качество самой заготовки, а также максимально допустимая скорость разливки.
Повышение скорости разливки на вновь сооружаемых или модернизируемых МНЛЗ дает следующие преимущества:
- за счет уменьшения количества ручьев, массы оборудования, а также уменьшения площади, занимаемой МНЛЗ, снижаются капитальные затраты на вновь сооружаемые установки;
- благодаря уменьшению числа МНЛЗ, находящихся в эксплуатации (при сохранении той же производительности), снижаются расходы по переделу;
- высокая температура выходящих из МНЛЗ заготовок дает возможность применения технологии горячего посада НЛЗ и совмещения прокатного стана и МНЛЗ;
- уменьшается расход огнеупоров, являющийся одной из основных статей затрат по переделу;
- благодаря уменьшению числа ручьев и повышению серийности разливки плавок увеличивается выход годного металла.
Учитывая изложенное, представляет интерес рассмотреть развитие производства на одних из первых сортовых МНЛЗ для отливки заготовок сечением 125x125 мм, построенных в СССР в 1984-1985 гг. на Молдавском металлургическом заводе, а также на МНЛЗ Белорусского метзавода, запущенных в эксплуатации примерно в тот же период.
МНЛЗ Молдавского завода была выполнена по проекту ВНИИМЕТМАШа и Южноуральского машиностроительного завода. Гильзы для этой МНЛЗ были изготовлены ВНИИМЕТМАШем. Стойкость гильз кристаллизаторов в первый период эксплуатации составила 50-80 плавок. Интенсивные работы ВНИИМЕТМАШа и Молдавского метзавода по усовершенствованию конструкции гильз и обечаек кристаллизаторов в 1990-2000 гг. позволили повысить стойкость гильз до 300-500 плавок, а скорость разливки стали до 3,8-4,0 м/мин. Производительность МНЛЗ ММЗ в настоящее время достигает 1 млн т заготовок в год.
Оборудование МНЛЗ Белорусского металлургического завода было поставлено фирмами Фест-Альпине (Австрия) и Даниели (Италия). Стойкость гильз на уровне 200 плавок, а скорость разливки стали составляет 2,5-2,8 м/мин. На МНЛЗ отливают около 600 тыс. т заготовок в год.
За прошедший период, в связи с тенденциями повышения скоростей разливки стали и требований к качеству заготовок, на МНЛЗ ММЗ было опробовано множество конструкций гильз кристаллизаторов, разработанных ВНИИМЕТМАШем - одноконусные, многоконусные, с волнистой рабочей поверхностью, параболические, длиной 800 и 1000 мм.
В 1997 г. ВНИИМЕТМАШ совместно с ММЗ разработал и освоил производство гильз кристаллизаторов оригинальной конструкции, с выпуклостями синусоидальной формы в верхней половине стенок гильзы, и высокоточных холоднотянутых обечаек охлаждения с направляющими выступами [1].
При формировании оболочки заготовки в гильзе кристаллизатора протекают следующие процессы:
- образование нисходящих и восходящих потоков жидкой стали внутри оболочки;
- возникновение складчатости на поверхности оболочки в зоне мениска металла;
- теплообмен между затвердевающей оболочкой стали и стенками кристаллизатора;
- усадка затвердевающей оболочки по ходу затвердевания и снижения ее температуры;
- деформация затвердевающей оболочки заготовки под действием ферростатического давления жидкой стали и термических напряжений;
- деформация стенок самого кристаллизатора под действием термических напряжений.
Эти процессы протекают одновременно и оказывают взаимное влияние друг на друга. Поэтому при выборе конструкции кристаллизатора необходимо, кроме общих теоретических положений, использовать опыт эксплуатации кристаллизаторов различной конструкции. Так, например, смещение нисходящего потока падающей струи приводит к местному утонению оболочки и способствует образованию ромбичности, а глубокая складчатость поверхности существенно снижает тепло-отвод от оболочки заготовки к гильзе кристаллизатора.
С теплотехнической точки зрения кристаллизатор можно рассматривать как теплообменный аппарат. Выделяемая скрытая теплота кристаллизации передается через стенку гильзы к воде.
Суммарное термическое сопротивление системы на пути от жидкого металла до охлаждающей воды складывается из термического сопротивления оболочки слитка, газового зазора, медной стенки кристаллизатора и границы медной стенки и охлаждающей воды.
Рассмотрим влияние каждого фактора на конструктивные параметры кристаллизатора.
Термическое сопротивление оболочки слитка в основном определяется толщиной оболочки заготовки. При толщине оболочки слитка в кристаллизаторе, равной 6-8 мм, ее термическое сопротивление становится равным тепловому сопротивлению газового зазора.
А-А
На мениске
О
Б-Б
Середина воронки
в-в
Плоская часть □
Рис. 1. Гильза кристаллизатора конструкции "ВМ-синус" и схема затвердевания стали в гильзе данного профиля
Поэтому основные изменения в конструкции гильз, обеспечивающие увеличение толщины оболочки и ее равномерность, осуществляют в верхней половине гильз на расстоянии 200-300 мм от уровня мениска. Некоторое увеличение толщины оболочки на выходе из гильзы в высокоскоростных МНЛЗ достигается за счет увеличения длины кристаллизатора с 800 до 1000 мм.
Термическое сопротивление газового зазора в основном определяется его величиной, которая зависит от формы медной водоохлаждаемой внутренней стенки гильзы и усадки оболочки заготовки в кристаллизаторе. Для уменьшения зазора применяют сужающуюся книзу форму внутренней полости гильз. Усадка затвердевающей оболочки происходит по параболической зависимости от времени, поэтому существует несколько вариантов формы внутренней полости гильзы: стенки с постоянной или меняющейся конусностью (от большой к меньшей), стенки параболической формы, стенки выпуклые с уменьшающейся выпуклостью в верхней половине гильзы.
На МНЛЗ ММЗ, совместно с ВНИИМЕТМАШем, были проведены работы по совершенствованию конструкции гильз кристаллизаторов.Гильзы с конусностью 0,8% на 1 м длины, используемые для разливки заготовок сечением 1257125 мм со скоростью 2,0-2,5 м/мин, заменили на двухконусные, а затем на трехконусные -с конусностью 0,8% вверху, 0,5% в середине и 0,2% внизу. Применение последних совместно с изменением режимов вторичного охлаждения заготовок позволило повысить скорость разливки стали до 2,5-3,0 м/мин. Одновременно радиус углов внутренней полости гильз был уменьшен с 6 до 4 мм. Повышение жесткости углов позволило снизить количество угловых трещин в заготовках трещиночувствительных сталей в 3-4 раза.
В настоящее время на МНЛЗ ММЗ работают гильзы кристаллизаторов конструкции ВНИИМЕТМАШа, которые имеют верхнюю воронкообразную часть с синусоидальными выпуклостями на четырех стенках и прямолинейные боковые участки [1]. Высота выпуклости внутренней полости гильзы монотонно убывает от максимума в верхней части гильзы до нуля в нижней формообразующей части. Гильзы такой конструкции получили фирменное наименование "ВМ-синус", и их используют на российских и зарубежных металлургических заводах.
Выпрямление выпуклых синусоидальных участков происходит в соответствии с параболической зависимостью, характеризующей процесс усадки корочки слитка. При подборе амплитуды синусоиды и уклона плоских боковых участков внутренних стенок гильзы можно получить зависимость, соответствующую усадке оболочки заготовки для различных скоростей разливки и марок стали.
Принципиальной особенностью гильзы "ВМ-синус" (рис. 1), является наличие выпуклости на центральных участках стенок, которая позволяет центрировать затвердевающую оболочку в гильзе в начале ее формирования. Постепенное выпрямление синусоидальных
AL
Б]_
BL
JA JB
JB
««ЯШ
О 100 200
г
300
ъ
со
с 400
га
I
5
500
600
700
800
: а гг
; / / \
;
((
; 1
/
1 [V
0
100 -200 300 400 500 600
700
800
6
-
____<
1
\ к
; ^ \ 1, > ^
;
)
;
128,3 128,5 128,7 128,9 128,91 128,93 128,95 Размер между радиальными стенками, мм
128,3 128,5 128,7 128,9 129,1 129,3 129,5 Размер между радиальными стенками, мм
Рис.2. Кривые обмера внутренней полости гильзы кристаллизатора обычной конструкции вдоль продольной оси (толстая линия) и около углов (тонкая линия) до эксплуатации (а) и после разливки 194 плавок и наличии отложений на внешней поверхности гильзы (б)
участков оболочки заготовки позволяет минимизировать газовый зазор между оболочкой и стенкой гильзы как на поверхности, так и в углах.
Длина воронкообразной части гильзы по отношению к общей длине кристаллиза
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.