Непрерывная разливка металлов

Размещено на http://www.allbest.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Состояние и перспективы развития непрерывной разливки в России

1.1 Исторический обзор развития процессов непрерывной разливки в

1.2 Непрерывная разливка стали на слябы

2. Совершенствование конструкции промежуточного ковша

2.1 Условия загрязнения стали неметаллическими включениями при разливке на мнлз

2.2 Промежуточный ковш. Конструкция. Эксплуатация

2.3 Конструкция современных промежуточных ковшей

2.4 Формы порогов, перегородок и турбогасителей, применяемых в промежуточных ковшах. Их достоинства и недостатки

2.5 Холодное моделирование гидродинамики в промежуточном ковше 52

2.6 Гидродинамика промежуточного ковша без установки рафинирующих устройств

2.7 Гидродинамика промежуточного ковша с овальным турбогасителем

2.8 Гидродинамика промежуточного ковша с перегородками

2.9 Гидродинамика промежуточного ковша с перегородками и круглым турбогасителем

2.10 Гидродинамика промежуточного ковша с перегородками и круглым турбогасителем, имеющим разгрузочные окна

2.11 Результаты отработки технологии рафинирования стали в 50-и тонных промежуточных ковшах КЦ-1 ОАО “НЛМК“

2.12 Результаты отработки технологии рафинирования стали в 23-х тонных промежуточных ковшах КЦ-2 ОАО “НЛМК“

3. Совершенствование защиты металла от вторичного окисления

3.1 Промышленные технологические схемы разливки и защиты металла

3.2 Защита струи металла на участке сталеразливочный ковш - промежуточный ковш, промежуточный ковш - кристаллизатор

3.3 Функции и свойства шлакообразующих смесей для кристаллизатора

3.3.1 Составы шлакообразуюших смесей

3.3.2 Рекомендации по подбору и разработке шос

4.Экономическая часть

4.1 Технико - экономическое обоснование темы дипломной работы

4.2 Сетевой график выполнения дипломной работы

4.2.1 Составление перечня работ

4.2.2 Составление сетевого графика

4.2.3 Расчет основных параметров сетевого графика

4.2.4 Оптимизация сетевого графика

4.3 Расчет затрат на выполнение дипломной работы

4.3.1 Затраты на заработную плату

4.3.2 Прочие расходы

5. Безопасность труда

5.1.1 Расположение и планировка цеха

5.1.2 Анализ условий труда разливщика в конвертерном цехе

5.2. Мероприятия по обеспечению безопасности труда

5.2.1 Опасность механических повреждений

5.2.2 Опасность поражения электрическим током

5.2.3 Взрыво- и пожаробезопасность

5.2.3 Опасность ожогов

5.2.4 Шум

5.2.5 Запыленность, загазованность

5.2.6 Освещение

5.2.7 Микроклимат

Список литературы

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ В РОССИИ

сталь разливка ковш кристаллизатор

1.1 ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ В МИРЕ

Идея замены технологии разливки металлов в изложницы на непрерывную известна достаточно давно - еще с середины XIX века. Существо процесса заключается в том, что жидкий металл, расположенный в ковше, заливают сверху в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, из нижней части которого вытягивают затвердевшую по периметру заготовку с жидкой сердцевиной, постепенно охлаждаемую путем орошения его поверхности водой или водовоздушной смесью. После полного затвердевания заготовку разрезают на мерные длины, которые определяются требованиями прокатного производства. Таким образом, можно разливать от одной до нескольких десятков плавок без остановки машины. При этом поперечное сечение заготовки определяется сечением кристаллизатора, что позволяет ликвидировать два традиционно энергоемких этапа металлургического производства - нагрев слитков перед прокаткой в нагревательных колодцах и прокатку непосредственно на обжимных станах (блюмингах и слябингах).

С некоторыми допущениями технического характера можно говорить, что идеи непрерывной разливки в общем виде сформулированы в патентах Дж. Селлерса (1840 г.), Ж. Лэинга (1843 г.) и Г. Бессемера (1856 г.). Однако в этих патентах (как и во многих последующих) отсутствовал принцип сообщения кристаллизатору возвратно-поступательных движений в ходе разливки стали.

Впервые идею и систему сообщения кристаллизатору определенных колебаний запатентовал немецкий ученый З.Юнганс в 1933 г. По существу, это стало отправным моментом к массовому развитию непрерывной разливки в промышленных масштабах. Первые полупромышленные (пилотные) установки появились сразу после окончания второй мировой войны в нескольких ведущих индустриальных странах. Так, опытные машины вертикального типа были сооружены в 1946 г. на заводе в городе Лоу Мур (Великобритания), в 1948 г. - на фирме «Бабкок и Уилкокс» (Бивер Фоле, США), в 1950 г. - на фирме Маннесманн АГ (город Дуйсбург, Германия) [1].

В СССР первая опытная машина непрерывной разливки стали (МНЛЗ) вертикального типа ПН-1-2 ЦНИИчермета была сооружена в 1945 г. и предназначалась для отливки заготовок круглого и квадратного сечений (размер стороны квадрата и диаметра до 200 мм). Опыт работы на этой установке позволил определить некоторые основные особенности технологического процесса разливки и связанные с ними требования к конструкции отдельных узлов машины. В 1947 г. была пущена экспериментальная МНЛЗ ПН-3 ЦНИИчермета, предназначенная для исследований и разработки технологического процесса полунепрерывной разливки стали и специальных сплавов в заготовки мелких сечений. В 1948 г. построена установка ПН-4 для разливки стали различных марок на слябы толщиной 200 мм и шириной 500 мм, а в 1949 г. - установка ПН-5 ЦНИИчермета, позволявшая разливать слиток с максимальной толщиной

300 мм и шириной 900 мм.

Первая горизонтальная МНЛЗ была построена на заводе «Серп и молот» в конце 1949 г. (машина М.Ф.Голдобина) [1], на которой в течение пяти лет было отлито 9500 т стали. Двумя годами позже в мартеновском цехе Бежецкого машиностроительного завода была сооружена опытно-промышленная машина непрерывной разливки наклонного типа (квадратная заготовка). Однако установки горизонтального и наклонного типов получили гораздо меньшее распространение, чем вертикальные из-за ряда существенных недостатков. С 1951 г. на заводе «Красный Октябрь» работает первая в СССР опытно-промышленная установка непрерывной разливки стали вертикального типа.

Между тем, в течение первого десятилетия после начала экспериментальных работ промышленное использование процесса непрерывной разливки развивалось относительно медленно, что, вероятно объясняется некоторой инерционностью в развитии новых технологий.

Бурное его распространение и широкое внедрение машин непрерывной разливки стали происходило с начала 60-х г.г. в странах Западной Европы, СССР, Японии и США (рис. 1). Этому способствовал экономический рост, наблюдаемый в большинстве промышленно развитых стран мира, что обусловило, по сути, быстрое внедрение многих высокоэффективных технологических процессов и стимулировало развитие новых технологических построений в черной металлургии.

Рис. 1. Динамика возрастания объемов производства стали (Пс), разливаемых на МНЛЗ.

Хорошо известно, что именно в этот период произошла трансформация конструкций МНЛЗ из вертикальных в радиальные, а затем криволинейные с прогрессирующим разгибом (рис. 2), что позволило существенно снизить затраты на строительство МНЛЗ и уменьшить, срок их окупаемости.

Рис. 2. Схемы основных типов машин для непрерывной разливки стали: a - вертикальная; b - вертикально-радиальная; с - радиальная; d - криволинейная; e - радиально-криволинейная; f- горизонтальная.

На практике было реализовано много высокоэффективных решений относительно конструкции кристаллизатора, использования новых расходуемых материалов (шлакообразующая смесь, огнеупоры для дозирования истечения стали), оптимизации зоны вторичного охлаждения и пр. В целом к концу 80-х г.г. процесс непрерывной разливки стали получил всемирное признание и стал определяющим в сталелитейном производстве.

Основные преимущества непрерывной разливки стали по сравнению с традиционной разливкой в изложницы заключаются в следующем:

существенное повышение выхода годной продукции по отношению к объему жидкой стали за счет исключения отходов с обрезью, возникающих при разливке в слитки;

значительное снижение энергозатрат в связи с уменьшением количества технологических циклов нагрева и прокатки от заготовки до конечной продукции;

радикальное повышение качества продукции за счет получения непрерывнолитой заготовки высокого качества и стабильного химического состава;

уменьшение затрат ручного труда и улучшение условий труда рабочих;

возможность комплексной автоматизации процесса разливки стали;

снижение экологической нагрузки на окружающую среду.

В настоящее время непрерывная разливка стали освоена более чем в 90 странах мира. Успешно действует примерно 1750 МНЛЗ, что позволяет отливать на них более 85% всей производимой стали [1]. Ожидается, что практически полное оснащение предприятий черной металлургии машинами не-прерывной разливки стали произойдет примерно к 2020 г. Промышленно производятся непрерывнолитые заготовки следующих максимальных сечений: блюм 600x670 мм сляб 250x3200 мм и круг диаметром 600 мм.

Доля метода непрерывной разливки в общем объеме производства стальной заготовки ведущих мировых производителей составляет:

Япония - 96.97%,

США - 93...94%.

Китай - 54...55%,

страны ЕС - 95...96%,

страны СНГ - 35.37%,

Россия - 45...50%.

Украина - 18.20%,

Бразилия - 72...74%,

Индия - 42...43%.

Непрерывная разливка стали в течение последних 40-45 лет прошла несколько поворотных этапов [1].

На первом этапе (50-е - середина 60-х г.г.) осуществлялась теоретическая проработка и промышленное оформление способа непрерывной разливки стали, что позволило создать объективные предпосылки для уверенного выхода на рынок новых технологий. Уже тогда непрерывная разливка стали обеспечила прямое (без обжимного передела) получение промышленной заготовки различных сечений (сляб, блюм, сортовая заготовка и т.п.).

Второй этап (60-е - начало 70-х г.г.) характеризуется быстрым внедрением МНЛЗ на многих металлургических заводах промышленно развитых стран мира. В этот период производителям МНЛЗ пришлось конкурировать с консервативным, но сравнительно дешевым процессом разливки стали в слитки. Это потребовало создания новой системы технологий в сталеплавильном переделе. В конечном счете, основные показатели, достигаемые при непрерывной разливке стали, заметно превзошли лучшие показатели слиткового передела. В максимальной степени проявились преимущества непрерывной разливки - высокая экономическая эффективность, энерго- и ресурсосбережение, а также полная адаптация к конкретным сталеплавильным цехам. К концу этого периода стало совершенно очевидным, что непрерывнолитая заготовка не уступает по качеству заготовке, полученной прокаткой на обжимном стане. Выход годной заготовки составлял уже 94...97% (против 78...82% при разливке в слитки), что в совокупности с исключением из системы технологических процессов обжимных станов рассматривалось как одно из наиболее эффективных энерго- и ресурсосберегающих мероприятий в черной металлургии в целом.

Третий этап (70-е - 80-е г.г.) характеризуется двумя основными тенденциями. Во-первых, окончательно оформилась тенденция реконструкции сталеплавильных цехов с целью их оснащения МНЛЗ. Стратегия неуклонного повышения качества заготовки позволила существенно превысить традиционные показатели качества, достигаемые при разливке металла в слитки. Кроме того, произошла адаптация процесса МНЛЗ к различным типам заготовки, используемой в прокатном производстве (сортовая заготовка, блюм, сляб, фасонная заготовка, круг и т.п.). Но стратегически более важное значение приобрела тенденция строительства новых сталеплавильных цехов и металлургических заводов со 100% непрерывной разливкой стали, в первую очередь на слябы и блюмы. Эту тенденцию во многом стимулировало совершенствование технологии доводки металла в ковше с целью его рафинирования, модифицирования и легирования. Наиболее значимыми явлениями в данный период стали, успешное совмещение слябовых и блюмовых машин непрерывной разливки стали с кислородными конвертерами большой единичной мощности: широкое внедрение в производство различных конструкций МНЛЗ. технологий разливки, средств защиты стали от вторичного окисления, комплексных систем автоматизации и пр.

С середины 80-х г.г. в практику металлургического производства прочно вошло понятие «мини металлургические заводы», которые стали успешно конкурировать с заводами полного цикла. В настоящее время примерно 30% всей стали производится именно на таких заводах. Современное содержание понятия «мини-завод» включает в себя: минимальные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах, рентабельности и т.п. Обычно к этой категории относят заводы с объемом производства 0.1. .1,6 (2) млн. т стали в год. По разным оценкам, в мире в настоящее время насчитывается около 500-600 мини заводов.

Мини металлургический завод - это комплекс, состоящий из следующих агрегатов: электродуговая печь, установка доводки стали в ковше «печь-ковш», высокопроизводительная машина непрерывной разливки стали и группа прокатных станов. Основу успешного функционирования мини металлургических заводов составляет высокая экономическая эффективность работы основных технологических агрегатов, входящих в их состав, а также высокая степень их функциональной совместимости в едином производственном цикле. По существу, связующим элементом между электродуговой печью и МНЛЗ является агрегат «печь-ковш», в котором осуществляется комплекс мероприятий по доводке стали по температуре и химическому составу, ее рафинированию, а также выдержке по времени в соответствии с режимом разливки на МНЛЗ. Следует особо обратить внимание на тот факт, что именно агрегаты, позволяющие выполнять регламентируемый подогрев стали в ковше, обеспечили на практике как расширение функциональных возможностей внепечной обработки и стабилизацию работы МНЛЗ при разливке длинными сериями с выходом годного выше 96...97%, так и значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект. Однако обработка металла в агрегате «печь-ковш» сопровождается значительными дополнительными затратами, что может несколько повысить себестоимость металлопродукции непосредственно в сталеплавильном цехе.

Исключительно важной особенностью новых мини заводов является стремление конструкторов и технологов обеспечить максимально высокую удельную производительность плавильных агрегатов и МНЛЗ, производящих сортовую заготовку. Это достигается увеличением числа ручьев сортовых МНЛЗ (6-8 ручьев) и серийности разливки (без остановки машины).

Четвертый этап, начало которого относится к концу 80-х или началу 90-х г.г., характеризуется заметным снижением темпов роста объемов производства стали в мире и практически полным отсутствием прироста в ведущих металлургических странах. Приведенные в табл. 1 данные объемов производства стали в десяти ведущих странах мира свидетельствуют о том, что в последнее десятилетие основной прирост был достигнут, в основном, за счет КНР и Южной Кореи.

Ужесточение конкуренции на рынке металлопродукции стимулировало создание новых эффективных технологических процессов при внепечной обработке и непрерывной разливке стали. Весьма характерным представляется тот факт, что примерно 50% всех МНЛЗ были сооружены, или реконструированы именно в последние 10-12 лет. При этом на долю десяти ведущих производителей стали в мире приходится примерно 30% (табл. 2).

Таблица 1. Динамика изменения объемов производства стали в десяти ведущих странах мира

Страна	1992г.	1998г.	2001г.	Откл. 2001г. от 2000г., млн. т
	млн т	ранг	млн т	ранг	млн т	ранг
КНР	81	3	115	1	141	1	16
Япония	98	1	94	3	103	2	-4
США	84	2	98	2	90	3	-11
Россия	67	4	44	5	58	4	0
Германия	40	6	44	4	45	5	-2
Южная Корея	28	7	40	6	44	6	1
Украина	42	5	24	9	33	7	2
Индия	18	10	24	0	27	8	0
Бразилия	24	9	26	7	27	9	-1
Италия	25	8	26	8	27	10	0
Итого	507		535		595		-3
Всего в мире	720		776		824		-5

Отметим, что в странах с развитым автомобиле- и судостроением (Япония, США, Корея, Германия) опережающий прирост наблюдается для слябовых МНЛЗ.

В КНР первоочередное внимание уделяется производству длинномерной заготовки, используемой в строительстве и машиностроении. Видимо, следует ожидать, что потребность КНР в импорте длинномерной заготовки и проката будет в будущем снижаться.

Таблица 2. Сравнительное количество вновь построенных (Н) или реконструированных (Р) МНЛЗ с 1991 по 2000 г.г.

Страна

Слябо-вые

Блюмо-вые

Сортовые

Круг

Фасон (балка)

Итого

Н

Р

Н

Р

Н

Р

Р

Р

Н

Р

Н

Р

КНР

7/8

2/3

12/ 45

37/ 514

6/35

7/17

1/3

170/ 625

8/41

Япония

9/13

12/ 17

3/6

3/13

13/ 62

7/33

3/12

1/1

3/12

1/3

31/ 105

24/ 67

США

23/ 27

8/10

8/30

3/15

9/38

11/ 44

1/3

4/22

6/18

47/ 117

26/ 91

Корея

12/ 15

5/9

3/13

2/11

6/37

6/31

1/3

4/22

6/18

28/ 86

17/ 91

Италия

3/3

3/5

2/7

2/8

10/ 44

8/39

1/4

4/21

1/6

-

17/ 60

17/ 73

Индия

18/ 20

10/ 34

1/3

29/ 83

2/5

3/6

-

-

-

60/ 143

3/8

Германня

2/4

7/12

1/2

3/18

3/14

4/19

2/7

1/4

9/31

14/ 49

Россия

8/17

3/8

1/4

-

-

.

3/16

1/2

-

13/ 39

3/8

Бразилия

5/8

-

5/15

3/14

-

1/3

-

10/ 23

4/17

Велико-британия

2/2

3/6

1/6

2/12

3/16

1/4

-

-

6/24

5/18

Украина

2/1

2/12

1/2

1/6

_

5/20

1/2

Итого

91/ 115

43/ 60

44/ 159

17/ 82

216/ 829

48/ 224

21/ 68

14/ 69

19/ 63

1/3

396/ 1273

112/ 465

Примечание. В числителе указано число МНЛЗ. а в знаменателе общее число ручьев

Характеризуя особенности развития МНЛЗ в последнее десятилетие следует отметить, что прогрессивные изменения коснулись практически всех основных технологических и конструктивных аспектов и носили взаимосвязанный характер.

1.2 НЕПРЕРЫВНАЯ РАЗЛИВКА СТАЛИ НА СЛЯБЫ

Начало 70-х г.г. характеризуется широким промышленным внедрением машин непрерывной разливки слябовой заготовки. На смену низкоскоростным вертикальным МНЛЗ пришли радиальные и криволинейные машины, имеющие значительно большую скорость разливки. Основные направления развития слябовых МНЛЗ заключались в создании высокопроизводительных машин, позволяющих синхронизировать работу крупных кислородно-конвертерных цехов. По сути, этот этап завершился в середине 80-х г.г. практическим оформлением концепции высокопроизводительных конвертерных цехов (вместимость конвертера свыше 300 т) со 100% непрерывной разливкой стали. В настоящее время такие цеха успешно функционируют во всех промышленно развитых странах мира. Одновременно была фактически реализована технология разливки стали на сверхширокие слябы (2500...2600 мм). Переход от разливки в слитки к непрерывной разливке также полностью оформил тенденцию ужесточения требований к качеству продукции.

С середины 80-х г.г. технология непрерывной разливки стали на слябы вошла в фазу совершенствования отдельных технологических элементов и оптимизации функционирования МНЛЗ со всей производственной цепочкой металлургического завода. При этом развитие процессов непрерывного литья слябов происходит в условиях ужесточающейся конкурентной борьбы на мировом рынке, основными требованиями которого являются повышение качества продукции при одновременном снижении ее себестоимости. В настоящее время около 60% отливаемых непрерывным литьем заготовок разливается на слябовых МНЛЗ. Основными производителями непрерывнолитых слябов в мире являются Япония, США, КНР, Германия, Корея и Россия. На их долю приходится более двух третей мирового объема производства слябов. Сейчас в мире насчитывается чуть более 500 слябовых МНЛЗ с общим числом ручьев свыше 700 шт.

Нельзя не отметить, что МНЛЗ для получения «классического» сляба претерпевают в последнее время серьезные конструкционные изменения. Заключаются они в следующем:

- безоговорочное предпочтение отдается МНЛЗ с вертикальным кристаллизатором, что обеспечивает повышение качества заготовки при одновременном росте производительности в 1,4... 1,5 раза;

- применяется криволинейная схема технологической линии МНЛЗ с многоточечным загибом и разгибом;

- предусматривается возможность изменения ширины заготовки в процессе разливки;

- увеличивается вместимость промежуточного ковша 40...50 т и используется система перегородок для управления течением металла;

- обязателен непрерывный замер температуры металла в промежуточном ковше и в отдельных зонах движения заготовки.

- расширяется применение технологии подогрева металла непосредственно в промежуточном ковше;

- часть операций по доводке стали переносится в промежуточный ковш (продувка аргоном, обработка порошковой проволокой, подогрев металла и т.п.);

- ужесточаются требования к защите стали от вторичного окисления на всем этапе движения стали от ковша до кристаллизатора;

- все большее распространение получает технология «мягкого» обжатия металла в ЗВО (зоне вторичного охлаждения);

- применяется электромагнитное перемешивание металла ниже кристаллизатора;

- уменьшается диаметр поддерживающих роликов в ЗВО;

- обязательно используется система автоматического контроля уровня металла в кристаллизаторе, а также система автоматической подачи ШОС (шлаковых смесей) в кристаллизатор.

В результате вышеперечисленных изменений существенно повышается производительность МНЛЗ, улучшаются качества поверхности и внутренней структуры сляба, снижаются затраты на строительство машины, ее обслуживание и т.п.

Резкое изменение представлений о современной слябовой МНЛЗ привело к тому, что большинство машин в странах Европы, Японии и США подвергаются серьезной реконструкции и модернизации. На рис. 3 в качестве примера приведена схема общего вида слябовой МНЛЗ завода «Лейк Эрай Стал» (Нантикоук, Канада) до и после реконструкции.

Рис. 3. Схема технологической линии слябовой МНЛЗ до реконструкции а (число сегментов 7, диаметр роликов 146мм .. 480 мм, две точки разгиба) и после реконструкции б (число сегментов 15, диаметр роликов 146 мм..310 мм, четыре точки разгиба)

Необходимость повышения производительности уже существующих слябовых МНЛЗ во многом определяется теми показателями, которые достигнуты в практике кислородно-конвертерного процесса. В первую очередь это касается среднесуточной и среднемесячной производительности современных конвертеров (рост в среднем на 25...30%). При этом простое увеличение скорости вытяжки заготовки на уже существующих МНЛЗ представляется, как правило, достаточно сложной процедурой в силу необходимости увеличения протяженности зоны порезки заготовки. С другой стороны, тенденции развития мирового рынка металлопродукции свидетельствуют о том, что все большее предпочтение отдается слябовой заготовке толщиной 150...200 мм при ее ширине 1000... 1200 мм. Для большего количества МНЛЗ выполнение этих требований приводит к снижению средней производительности машины по сравнению с проектной.

В таких условиях существенным фактором, увеличивающим среднемесячную производительность МНЛЗ, является повышение серийности разливки между остановками. Как показывает практика ведущих металлургических предприятий США и Японии, при определенных условиях (синхронизации работы цеха и обеспечении промежуточных горячих обслуживании МНЛЗ) длительность работы МНЛЗ может составлять месяц и более. Безусловно, такие показатели следует считать рекордными. Однако нормальная практика непрерывного литья слябов уже сегодня базируется на сериях в несколько суток. Не останавливаясь на подробном анализе условий обеспечения непрерывной разливки сверхдлинными сериями, отметим, тем не менее, что такая технология требует принципиально новых подходов к автоматизации процесса разливки, подготовке стали к разливке при ковшевой обработке, рациональной конструкции промежуточного ковша и огнеупоров для разливки стали и т.п.

Производительность МНЛЗ, сооруженных по вышеперечисленным принципам, в 1,5... 1,8 раза выше, чем у МНЛЗ, построенных 15 лет назад. Это позволяет предположить, что существенного роста количества МНЛЗ в мире наблюдаться не будет, поскольку возрастет их удельная производительность. Некоторое увеличение будет происходить за счет стран Восточной Европы, Украины, России и Дальнего Востока (в первую очередь Китая).

Наиболее серьезным научным прорывом представляется создание рядом западных фирм МНЛЗ для разливки сляба средней толщины, обеспечивающей качество листа на уровне традиционного сляба. Преимуществами такой технологии являются: высокое качество продукции, возможность получения слябов шириной более 2500 мм, уменьшение потерь энергии и металла в ходе последующего прокатного передела и пр. В данном случае в основу технологии получения листа положена концепция литейно-прокатных модулей. Это создало необходимые условия для строительства мини металлургических заводов, конкурентоспособных по ряду параметров с интегрированными заводами, работающими по традиционной технологии. Литейно-прокатные модули, созданные на базе непрерывной разливки стали на сляб средней толщины, в настоящее время получают все большее распространение в развивающихся странах (в странах, где наращивается потребность в листовом прокате). Благодаря использованию наиболее современных достижений в области непрерывной разливки стали (электромагнитное перемешивание, «мягкое» обжатие, погружной стакан типа «бобровый хвост» и пр.) эти модули продолжат развиваться и в будущем.

Одним из направлений улучшения слябовых МНЛЗ является удовлетворение возрастающих требований к качеству продукции. Для этих целей на практике все чаще применяют усовершенствованные прямолинейные кристаллизаторы, которые могут быть использованы и на уже работающих машинах после соответствующей реконструкции.

В целом же современные разработки в области конструкции кристаллизаторов сфокусированы на увеличении скорости разливки путем интенсификации режимов охлаждения и частоты качаний, оптимизации закона колебаний кристаллизатора; воздействии на потоки металла в кристаллизаторе электромагнитным торможением для снижения односторонней ассимиляции неметаллических включений при использовании криволинейного кристаллизатора, а также для смягчения флуктуации уровня ванны при очень больших скоростях разливки; дальнейшем увеличении долговечности плит кристаллизатора с помощью новой техники нанесения покрытий и пр. [1].

К приоритетным направлениям совершенствования конструкции МНЛЗ относится применение гидравлического привода для обеспечения качания кристаллизатора при использовании несинусоидального закона колебаний. Гидравлическая система привода кристаллизатора обеспечивает следующие технологические и операционные преимущества:

* оперативное варьирование амплитуды колебаний кристаллизатора;

* то же, частоты колебаний кристаллизатора;

* изменение формы кривой колебаний (задание скоростей движения кристаллизатора на различных этапах);

* предотвращение дрожаний (вибраций) кристаллизатора, обычно сопровождающих работу электромеханического привода;

* более безопасную и быструю замену кристаллизатора;

* удобство в обслуживании привода кристаллизатора в ходе разливки вследствие выноса гидроцилиндров из труднодоступной зоны;

* значительное уменьшение общей массы движущихся в процессе качаний частей.

Дополнительным, но достаточно перспективным фактором, способствующим повышению качества поверхности сляба, может стать применение метода наложения на кристаллизатор горизонтальных колебаний, которые синхронизированы с качаниями в вертикальной плоскости. По мнению различных исследователей, этот метод значительно уменьшает следы качания на поверхности сляба и соответственно число прорывов металла [1].

Большое значение, с точки зрения повышения качества сляба, имеет оптимизация движения потоков стали в жидкой ванне кристаллизатора. Особое внимание уделяется оптимизации геометрической формы погружных стаканов. Многочисленными исследованиями подтверждено, что в зависимости от скоростей разливки, сечения заготовки и марки стали, сечения внутренней полости погружного стакана и его выходных отверстий, а также угол наклона выходных отверстий могут изменяться в широких пределах [1]. Безусловно, конструкция погружных стаканов будет развиваться и в дальнейшем.

Применение новых материалов и способов обработки огнеупорных изделий позволяет повышать стойкость погружных стаканов против термических ударов, уменьшать скорость износа в зоне шлакового пояса и интенсивного движения потоков жидкой стали, а также предотвращать зарастание внутренней полости при разливке сталей, раскисленных алюминием. При этом особое внимание должно уделяться обеспечению симметричности течения потоков и условий эффективной инжекции аргона в жидкую ванну кристаллизатора [1].

В настоящее время все большее распространение получает метод электромагнитного торможения потока стали, попадающей в кристаллизатор. Это дает возможность существенно снизить скорость движения потоков, ограничить их проникновение вглубь жидкой фазы заготовки, а также обеспечить их рациональное движение. Вероятно, в ближайшее время этот метод получит развитие в совокупности с использованием погружных стаканов оптимальной геометрической формы, которая будет создаваться для каждого конкретного случая [1].

При повышении качества внутренних зон непрерывнолитых слябов особое внимание уделяется условиям движения заготовки в зоне вторичного охлаждения. Помимо объективных процессов развития ликвации в ходе затвердевания, на качество заготовки существенно влияют интенсивность охлаждения, ферростатическое давление, соблюдение геометрических размеров в зависимости от установки направляющих роликов и пр. Вполне понятно, что устранить эти факторы без дополнительных мероприятий на практике крайне сложно. По свидетельству ряда исследователей, эта задача достаточно успешно решается при использовании метода «мягкого» обжатия заготовки в конце жидкой зоны [2]. Основные положительные эффекты указанного метода: значительное подавление осевой пористости, снижение коэффициента осевой ликвации и улучшение условий формирования кристаллической структуры в зоне равноосных кристаллов, уменьшение V-
-образной ликвации [1].

В конце 80-х и начале 90-х г.г. в мире сформировалось новое направление непрерывной разливки на слябы - литье тонких слябов и сооружение МНЛЗ, совмещенных с прокатным станом [3]. Такая производственная линия предназначается для конкретного диапазона размеров заготовки и марок стали; т.е. имеет целевое назначение. В развитии МНЛЗ для литья тонких слябов в большей степени заинтересованы
мини-заводы, пытающиеся попасть на рынок листовой продукции, и металлургические заводы с полным циклом, которые нуждаются в реорганизации производства и в замене существующих агрегатов. В настоящее время таких МНЛЗ насчитывается чуть более сорока, около двух третей из них находится в США и развитых странах.

Как всякий новый процесс, литье тонких слябов имеет ряд многообещающих особенностей, но также характеризуется некоторыми «узкими» местами.

Последние данные промышленного использования метода литья тонких слябов показывают, что конструктивная реализация таких МНЛЗ требует принципиально новых решений в следующих вопросах: конструкции кристаллизатора; оптимизации подвода жидкой стали из промежуточного ковша в кристаллизатор; использования метода «мягкого» обжатия; использования специальной системы по предотвращению прорывов; разработки специальной системы удаления окалины; оптимизации отрицательного времени раздевания слитка и пр.

Между тем, уже сегодня можно говорить, что технология непрерывного литья тонких слябов с обжатием при наличии жидкой фазы с последующей прокаткой позволяет снизить капитальные затраты и затраты по переделу, улучшить свойства материала готовой продукции при равномерном качестве поверхности.

Таким образом, можно сформулировать общие тенденции развития процессов непрерывной разливки стали на слябовых МНЛЗ:

* в предстоящие годы существенного количественного увеличения объема непрерывнолитых слябов происходить не будет; основное внимание будет уделяться проблемам качества заготовки, снижения издержек на разливку и т.п.;

* повышение качества поверхности непрерывнолитых слябов будет достигаться модернизацией конструкции кристаллизаторов (прямолинейный кристаллизатор) с использованием гидропривода для механизма качания;

* улучшение параметров течения металла в кристаллизаторе за счет использования погружных стаканов оптимальной геометрической формы и метода электромагнитного перемешивания;

* развитие функциональных возможностей промежуточного ковша: повышение его эксплуатационных показателей (стойкость) и доводка стали (рафинирование и регулирование температуры);

* использование систем прогрессивного многоточечного загиба и разгиба заготовки для уменьшения пораженности заготовки внутренними трещинами;

* применение метода «мягкого» обжатия заготовки с жидкой сердцевиной с целью подавления осевой пористости и ликвации.

* развитие концепции непрерывного литья тонких слябов с их обжатием и последующей прокаткой в горячем состоянии и соответствующим повышением конкурентоспособности мини-заводов на мировом рынке листовой продукции;

* повышение степени автоматизации работы МНЛЗ с включением в единую систему всех параметров жидкой стали, условий охлаждения стали в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения при наличии обратной связи.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША

2.1 УСЛОВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТАЛИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ ПРИ РАЗЛИВКЕ НА МНЛЗ

Основными источниками дополнительного загрязнения металла неметаллическими включениями может служить вторичное окисление стали при ее движении от сталеразливочного ковша до кристаллизатора, а также огнеупорные и вспомогательные материалы, с которыми сталь вступает в контакт в процессе движения [4]. Общий анализ возможных источников загрязнения стали неметаллическими включениями (рис. 5) позволяет с достаточной степенью уверенности разделить их в зависимости от механизма проявления на следующие группы:

1. Не всплывшие в шлак неметаллические включения, являющиеся продуктами реакций раскисления стали;

2. Мелкие частицы шлака, которые вовлекаются в металл в результате турбулентного перемешивания струи с жидкой ванной металла и покрывающего ее шлака;

3. Продукты разрушения огнеупоров при контакте с металлом и шлаком;

4. Продукты прожигания канала шиберного затвора кислородом;

5. Вторичное окисление стали в ходе технологических переливов. Безусловно, для обеспечения высокой чистоты стали в непрерывнолитой заготовке необходимо предусматривать специальные мероприятия, препятствующие развитию вышеперечисленных явлений. Наибольшее значение имеют следующие процессы:

* вторичное окисление стали в начале процесса непрерывной разливки стали;

* реакции с футеровкой промежуточного ковша и покровным шлаком;

* потоки в промежуточном ковше и всплытие включений;

* перетекание эмульгированного шлака из ковша в промежуточный ковш с последними порциями металла;

* способы раннего обнаружения попадания шлака в ковш;

* зарастание погружных стаканов;

* распределение неметаллических включений в заготовках в радиальных и криволинейных МНЛЗ.

В начале разливки заполнение промежуточного ковша происходит при открытом зеркале металла вплоть до засыпки теплоизолирующей смеси.

Весь этот период металл активно контактирует с окружающей атмосферой. По некоторым данным, в первые 5...6 мин. разливки содержание кислорода в стали в 3...4 раза выше, чем при установившемся процессе разливки (например, через 10 мин. содержание кислорода в стали падает в два раза, а через 30 мин. уменьшается в 3...3,5 раза) [5].

Степень чистоты стали на заднем конце заготовки вновь ухудшается, так как при полном опорожнении ковша в промежуточный ковш попадает некоторое количество шлака. Дополнительно шлаковые включения могут попасть в сталь при разливке последних порций каждого сталеразливочного ковша из-за эффекта «воронки». В начале подачи металла из нового промежуточного ковша также возможно загрязнение стали следствие попадания в промежуточный ковш продуктов «прожигания» канала шиберного затвора кислородом.

Для переднего конца заготовки установлено, что загрязненность неметаллическими включениями значительно уменьшается при использовании торкрет покрытия на основе магнезита и теплоизолирующего покрытия на основе золы рисовой шелухи.

Особое значение для ритмичной работы МНЛЗ специальные по химическому и гранулометрическому составу засыпки, которые размещаются в канале шиберного затвора перед заполнением металлом (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5. Общая схема источников загрязнения стали неметаллическими включениями при разливке на МНЛЗ

Рис. 6. Общая схема заполнения отверстия шиберного затвора засыпкой:

1 - засыпка без термофизических превращений;2 - спеченный при контакте со сталью слой засыпки;3 - гнездовой блок; 4- верхний стакан; 5- шиберный затвор; 6- коллектор.

Функциональное назначение засыпки заключается в предотвращении проникновения жидкой стали в канал шиберного затвора до его открывания, а также быстром и беспрепятственном высыпанием из канала при открытии затвора. Следует отметить, что с внедрением в технологический процесс методов внепечной обработки время пребывания металла в ковше существенно увеличилось, что соответственно повысило требования к качеству и эксплуатационным свойствам засыпки.

Известно, что в случае неоткрытия шиберного затвора (засыпка самопроизвольно не высыпалась) его канал прожигают кислородом. Этот процесс сопровождается образованием большого количества оксидов железа, которые попадают в промежуточный ковш. На практике отмечено повышение в 1,5...2 раза содержания кислорода в головной части заготовки при прожигании канала шиберного затвора.

На многих металлургических заводах Украины и России используют смесь природного кварцевого песка с определенным количеством аморфного графита [6]. Однако такие засыпки характеризуются низким уровнем открывания канала шиберного затвора (30...60%) при высокой степени колебаний результатов от одной партии материала к другой. На японских заводах, если используют в качестве засыпки кварцевый песок, уделяют особое внимание его химическому составу (SiO; > 98%), чтобы повысить показатель открываемости затвора без прожиганий.

Ряд металлургических заводов применяет ставролитовый концентрат (Al2O3 = 49,6%; SiO2 = 27,5%; Fe2O3, = 12,2%; TiO2 = 3,5%) определенного гранулометрического состава (0,4...0,7 мм). Однако этот материал требует предварительного прокаливания перед применением при температуре 250...350°С, что значительно усложняет процесс его эксплуатации.

В последнее время для засыпок создают специально приготовленные смеси. Например, в США запатентована засыпка состоящая из кварцевого песка с размером зерен 0.5...3,5 мм, которые плакированы мелкими частицами минерала из группы полевых шпатов, имеющих температуру плавления 1000-1700°С. Содержание полевого шпата в засыпке колеблется от 5 до 30%, а размер его частиц - менее 0,15 мм. Особенность данного материала заключается в том, что он, спекаясь в момент контакта с жидкой сталью, образует корочку, которая препятствует проникновению металла в поры между частицами. При открытии шиберного затвора она разрушается под давлением жидкой стали [1].

По данным ККЦ-1 Новолипецкого металлургического комбината, специальная смесь Боровичского огнеупорного завода обеспечила открывание шиберного затвора около 80% [7]. Однако такой показатель вряд ли следует считать удовлетворительным, поскольку в соответствии с теорией статистики существует высокая степень вероятности неоткрывания двух ковшей подряд, что значительно повысит загрязненность стали неметаллическими включениями в течение длительного периода разливки.

На наш взгляд, концепция разработки смеси для засыпки в канал шиберного затвора должна предполагать его открывание во всех случаях, кроме экстремальных, которые, как показывает статистический анализ, не могут превышать 1...1,5%.

В результате исследований установлены основные технологические причины, по которым засыпка не высыпается из канала шиберного затвора:

*наличие в засыпке компонентов, склонных спекаться при высоких температурах и образовывать жесткий каркас, который не разрушается при открытии затвора;

*присутствие компонентов, склонных к газотворным проявлениям. Если в момент возникновения в канале затвора избыточного газового давления на верхней части столба засыпки не успела образоваться достаточно прочная корка, то газы устремляются в жидкий металл, разрушая корку и образуя в столбе засыпке полости, которые могут заполняться металлом;

*высокая пластичность засыпки. Под воздействием ферростатического давления она уменьшает свой объем, что приводит к растрескиванию спекшейся корочки в верхней части столба засыпки и протеканию металла в засыпку;

*низкая текучесть засыпки, не позволяющая ей быстро высыпаться из канала при открывании затвора. При этом часть смеси смешивается с металлом и прилипает к стенкам коллектора, препятствуя нормальному процессу разливки;

*низкая термомеханическая устойчивость, т.е. склонность смеси оплавляться при соприкосновении с жидким металлом;

*разрушение верхней части столба засыпки струей падающего металла, что приводит к образованию «пробок» в канале шиберного затвора.

На первый взгляд, достаточно перспективным представляется использование в засыпке кварцевого песка. Кварц, являющийся одной из форм существования кремнезема (SiOi), обладает высокой огнеупорностью (1713°С), твердостью (7 баллов по шкале Мооса) и низкой химической активностью. К серьезным недостаткам кварца как основы засыпки относятся его аллотропические изменения при нагреве и охлаждении. Известно, что при температуре 575°С в-кварц переходит в б-кварц, что сопровождается увеличением его объема на 2,4%. Кроме того, природные кварцевые пески содержат примеси оксидов железа, полевого шпата, слюды и других материалов. Полевой шпат и слюда содержат оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Все эти примеси являются вредными, так как снижают огнеупорность кварца, образуя с ним и оксидами металла сложные легкоплавкие силикаты. С учетом изложенного следует признать, что создание засыпки только на основе кварцевого песка представляется весьма проблематичным.

Таблица 3. Химический состав и физические свойства засыпок, используемых для открывания шиберных затворов

Химический состав, %	А	Б	В	Г
SiO2	36	26	66	24
Cr2O3	28	34...35	-	9...10
ZrO2	-	-	32,5	49...50
Fe2O3	19	14...16	-	6
CaO	0,1	-	0,1	-
TiO2	10,5	-	0,15	-
Al2O3	<0,1	11	0,2	3...4
MgO	6	7,5	0,2
Na2O	<0,1	<0,1	-	-
K2O	<0,1	<0,1	-	-
С	0,5	0,6	-	5
Влажность, %	<0,15	<0,1	<0,15	0,1
Гранулометрический состав, мм	0...1	0,1...1,2	0...1	0,1...1
Насыпная плотность, кг/дм	2	2,2	1,9	2,5
Максимальная температура применения, °С	1750	1800	1800	1870

Поскольку кварцевый песок не обеспечивает достаточных эксплуатационных свойств, в состав засыпок вводят более огнеупорные и химически стойкие наполнители: хромит или циркон [1]. Химический состав и физические свойства таких засыпок, рекомендуемых различными производителями, приведены в табл. 3.

Исследования, выполненные авторами на ряде металлургических заводов Украины и России, показали, что засыпка типа Б, имеющая фирменную маркировку Feurolan SM70A20, имеет индекс открывания шиберного затвора без прожигания кислородом 99,1...99,2%. При этом уровень открываний без внешнего вмешательства (подталкивания смеси трубкой в начальный момент) для большинства металлургических заводов составляет 92,3...95%. Еще более высокими показателями отличается засыпка Г, которая содержит большое количество циркона, однако она примерно в 1,5... 2 раза дороже, чем засыпка Б.

Необходимо отметить, что такой уровень показателя открывания затворов достигается при соблюдении определенной совокупности мероприятий. К их числу относятся строгое соблюдение гранулометрического состава и формы зерен засыпки при обязательном исключении пылевидной фракции (<0,1 мм); исключение попадания в канал шиберного затвора кусков шлака или металла при подаче засыпки, регламентирование количества засыпки с целью создания так называемой «горки»; предотвращение попадания струи металла в зону расположения засыпки.

Таким образом, в настоящее время на практике могут быть использованы засыпки в канал шиберного затвора, обеспечивающие почти 100%-ное его открывание без прожиганий кислородом, что снижает содержание оксидов в стали в начальные момент разливки и при перековшовках.

2.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ. КОНСТРУКЦИЯ. ЭКСПЛУАТАЦИЯ

В обычном понятии промежуточный ковш -- технологический узел, служащий для приема жидкой стали из сталеразливочного ковша и подвода к кристаллизатору или к различным кристаллизаторам с помощью многоручьевой установки. Состоит из промежуточной емкости простейшей геометрической формы, крышки, перегородок, дозирующего узла, пробки продувочной, а при подаче металла под уровень -- питателя. Толщина стального кожуха- 15 мм [8].

Рис. 7. Схема устройства промежуточного ковша: 1 - огнеупорный слой футеровки; 2 - теплоизоляционный слой футеровки; 3 - головка стопора; 4 - стопор; 5 - стакан-дозатор; 6 - сменный блок; 7 - теплоизолирующая крышка.

Промежуточный ковш должен давать возможность точно регулировать количество металла, поступающего в кристаллизатор в единицу времени. Он в ходе замены сталеразливочного ковша при серийной разливке плавок позволяет продолжать разливку без снижения ее скорости, выполняя роль запасной емкости. Емкость таких устройств составляет 6-70 т. В производстве нашли наибольшее распространение промежуточные ковши емкостью 10, 23 и 50 т. Их главная функция - распределение жидкого металла по сталевыпускным дозирующим отверстиям (ручьям) с минимальными потерями тепла. Дополнительно выполняются функции усреднения металла по химическому составу, температуре и повышению качества слитка. Температура стали, поступающей в сталевыпускной канал не должна снижаться более чем на 10-15°С.

Для того чтобы снижение температуры было незначительным, в частности в начале разливки, путь стали в промежуточном ковше должен быть как можно короче. Днище и стенки промежуточного ковша должны иметь ровные поверхности, чтобы не препятствовать потоку стали. Выступающие углы футеровки, кроме того, подвергаются большому износу, сокращают срок службы и затрудняют удаление настылей из промежуточного ковша. Этим требованиям больше всего удовлетворяет промежуточный ковш, форма которого представляет собой удлиненный прямоугольник. Сечение промежуточного ковша представляет собой сужающуюся к днищу трапецию, что облегчает удаление настылей и позволяет свести повреждения футеровки к минимуму. Высота промежуточного ковша определяется требованием, согласно которому глубина ванны должна быть такой, чтобы шлак, необходимый для защиты от тепловых потерь и ассимиляции неметаллических включений, не затягивался в стакан потоками жидкой стали. Уровень металла 200-400 мм не только не позволяет получить хорошо организованную струю, истекающую в кристаллизатор, но и не может обеспечить требуемые условия отделения шлака и неметаллических включений. В результате исследований влияния высоты металла в промежуточном ковше в пределах 350-600 мм установлено, что увеличение уровня металла в указанных пределах оказывает благотворное влияние на уменьшение количества крупных неметаллических включений. В практических условиях наиболее приемлемым является уровень металла в пределах 600-700 мм. С повышением уровня металла в ковше интенсивность циркуляционных потоков у стенок и дна ковша уменьшается. В районе стакана исчезают ярко выраженные вихревые потоки (воронки), через которые возможно затягивание неметаллических включений в струю жидкой стали, вытекающую из промежуточного ковша. Кроме того, улучшаются условия всплывания крупных неметаллических включений, на которые благоприятным образом сказывается увеличение продолжительности пребывания металла в ковше. В ККЦ-1 высота металла устанавливается равной 900мм.

Промежуточные ковши накрывают крышками, для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, футерованные кирпичом или огнеупорной наливной массой.

В зависимости от числа кристаллизаторов и способа подвода металла в кристаллизатор промежуточный ковш снабжен одним или несколькими стопор-моноблоками.

2.3 КОНСТРУКЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ КОВШЕЙ

В начале внедрения процессов непрерывной разливки стали промежуточный ковш играл роль распределительного устройства, обеспечивающего постоянство напора металла, поступающего в кристаллизаторы МНЛЗ. Опыт показал, что использование промежуточных ковшей простейшей конструкции без учета характера потоков жидкого металла, его повторного окисления в результате взаимодействия с атмосферой, огнеупорами, шлаком может привести к ухудшению качества стали. Рациональное устройство и дополнительное оснащение ковша превращают его в металлургический агрегат непрерывного действия, предназначенный для дополнитель-ного внепечного рафинирования стали и повышения ее качества.

Современный промежуточный ковш (см. рис. 8) снабжен приспособлениями, позволяющими: устранить влияние таких источников загрязнения, как эрозия огнеупоров, повторное окисление, взаимо-действие с ковшевым шлаком; обеспечить всплывание и отделение неметаллических включений путем правильной организации движения металла, исключающей появление застойных зон и укороченных путей; обеспечить использование дополнительных технологических приемов - продувки нейтральными газами, применения специальных крышек и покровных флюсов, размещения порогов и фильтров.

Рис. 8. Общий вид промежуточного ковша с наливной футеровкой арматурного слоя и торкрет-массой в рабочем слое, оснащенный турбогасителем, фильтрационными перегородками и порогами для управления гидродинамикой ванны

Флотация и фильтрация включений при обработке металла в промежуточном ковше определяются целым рядом одновременно действующих факторов: 1) размерами включений, их составом, температурой плавления и плотностью; 2) способностью включений к укрупнению; 3) величинами межфазного натяжения на границах «металл-включение» и «шлак-включение»; 4) интенсивностью перемешивания ванны и характером движения металла; 5)_физическими характеристиками металла и шлака (состав, температура, вязкость); 6) физическими характеристиками и составом контактирующей с перемешиваемым металлом твердой поверхности футеровки ковша, перегородок и т.д.

Управление потоком металла в промежуточном ковше достигается применением таких устройств, как бойные плиты с рифленой поверхностью, устройства для гашения турбулентности, перегородки с различной конфигурацией отверстий и донные фурмы для подачи инертного газа.