Непрерывные процессы в металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Непрерывные процессы в металлургии

литье сталь кристаллизатор металлургический

Многие разработанные непрерывные технологические процессы и созданные для их выполнения машины и агрегаты оригинальны и характеризуются большой эффективностью. Ими широко оснащены советские металлургические и машиностроительные заводы, кроме того, эта технология экспортируется во многие страны мира.

Один из путей снижения технологических отходов - применение способа непрерывного литья, или разливки стали. Этот способ состоит в том, что жидкая сталь непосредственно из ковша или через промежуточное разливочное устройство непрерывно заливается в водоохлаждаемую форму, называемую кристаллизатором. Перед началом разливки в кристаллизатор вводится специальное устройство с замковым захватом ("затравка") как дно для первых порций металла. После затвердевания металла у стенок кристаллизатора затравка при помощи тянущих механизмов вытягивается из кристаллизатора, увлекая за собой формирующийся слиток. Поступление жидкого металла продолжается и слиток непрерывно наращивается.

В кристаллизаторе затвердевают лишь поверхностные слои металла, образуя твердую оболочку слитка, имеющего жидкую фазу по центральной оси. Поэтому за кристаллизатором расположена зона вторичного охлаждения, называемая также второй зоной кристаллизации. В этой зоне в результате форсированного поверхностного охлаждения того или иного вида заготовка затвердевает по всему сечению. Этот процесс слиткообразования является способом получения слитков неограниченной длины, В этом случае по сравнению с разливкой в изложницы резко уменьшаются потери металла на обрезку концов слитков, которые, например, при литье спокойной стали составляют 15-25%. Кроме того, благодаря непрерывности литья и кристаллизации достигается полная равномерность структуры слитка по всей его длине.

Для осуществления процесса непрерывного литья, или разливки стали, сначала применялись машины вертикального типа (а), в которых формирование слитка и его резка происходили на вертикальном участке. Высота таких машин могла превышать 40 м, поэтому их размещение требовало сооружения башен или колодцев. Стремление уменьшить высоту машин непрерывного питья привело к созданию машин радиального типа (б). В этих машинах кристаллизатор и зона вторичного охлаждения расположены по дуге определенного радиуса (обычно радиус равен 30-40 толщинам слитка). В конце радиального участка слиток проходит через тянущие ролики и выводится в горизонтальное положение, в котором производится его резка. В машинах радиального типа на горизонтальный участок выходит неполностью затвердевший слиток, что позволяет значительно повысить скорость литья при крупных сечениях слитка, так как участок резки может быть расположен на достаточно большом расстоянии от кристаллизатора (30-35 м). Высота таких машин, как правило, не превышает 12 м. Следующим достижением в развитии непрерывно-литейных машин явилось создание машин горизонтального типа (в). Такие машины имеют высоту не более 8 м. Они могут быть установлены не только на металлургических предприятиях, но и на машиностроительных.

Для осуществления этого процесса сначала применялись машины вертикального типа с высотой жидкой фазы порядка 15-25 м, что требовало сооружения колодцев или башен. Этот существенный недостаток удалось устранить, расположив зоны кристаллизации по дуге окружности или близкой к ней кривой с последующим выпрямлением слитка при выходе его на горизонтальную плоскость. Кристаллизация заканчивается при движении слитка в этой плоскости.

Создана ВНИИметмашем совместно с Южно-Уральским машиностроительным заводом. Литье блумов сечением 250х320 мм осуществляется в 4 ручья, каждый из которых имеет свой кристаллизатор. На снимке показана часть зоны вторичного охлаждения, в которой происходит дальнейшее охлаждение слитков, вышедших из кристаллизаторов. Непрерывные слитки движутся сверху вниз по направляющим устройствам зоны вторичного охлаждения. В каждом ручье кристаллизатор и направляющие устройства расположены по дуге определенного радиуса, поэтому машина называется радиальной. Температура поверхности слитков к моменту их выхода в горизонтальное положение лежит в пределах 600-800°С. Максимальная скорость выхода слитков 3 м/мин.

Комплексное создание нового процесса непрерывного литья стали одновременно со строительством высокопроизводительных машин явилось революционным шагом на пути развития непрерывных процессов в черной металлургии. От ведущихся в этой области научно-исследовательских работ следует ожидать улучшения однородности структуры по сечению слитка на основе применения электромагнитного перемешивания стали в процессе ее кристаллизации и повышения скорости выхода слитка путем автоматизации системы форсуночного охлаждения сразу же после прекращения его контакта с медными стенками кристаллизатора. Электромагнитное перемешивание особенно важно при литье высоколегированных и высокоуглеродистых сталей, в том числе шарикоподшипниковых. Положительный эффект электромагнитного перемешивания объясняется созданием в жидкой фазе слитка потока металла, приводящего к образованию более равномерной структуры и уменьшению осевой пористости.

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что возможен также непрерывный метод литья стали, когда кристаллизатор располагается горизонтально. С одной стороны этого кристаллизатора имеется промежуточная емкость, из которой в него поступает жидкий металл. Заготовка, выходящая из кристаллизатора, попадает в зону вторичного охлаждения, где подвергается дополнительному охлаждению водой и после полного затвердевания разрезается на мерные длины. Такой метод не требует применения высоких зданий и значительно снижаег капиталовложения.

В этой области были проведены большие исследовательские и конструкторские работы, которые привели к очень важным результатам. Сначала требовалось устранить дефекты в виде кольцевых спаев на поверхности слитка, появляющиеся при его периодическом (для стабилизации процесса) вытягивании. С этой целью был применен оригинальный метод, состоящий в том, что подвод металла был сделан в середине горизонтального кристаллизатора, из которого вытягивание слитков может осуществляться непрерывно в обе стороны. Сталь, попадая в такой кристаллизатор, получает два фронта кристаллизации. В результате удалось устранить дефекты поверхности и внутренней структуры слитка, имевшие место при одностороннем вытягивании слитков. Кроме того, этот принципиально новый процесс непрерывного литья в 2 раза повышает производительность одного кристаллизатора.

Двустороннее вытягивание слитков из горизонтально расположенного кристаллизатора является принципиально новым способом непрерывного литья стали. Этот способ схематически представлен на рисунке. Сталь, попадая по металлопроводу из огнеупорного материала в медный кристаллизатор, охлаждаемый водой, получает два противоположных фронта кристаллизации. Начало этих фронтов автоматически удерживается точно по центру металлопровода. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение {показано черными стрелками), предотвращающее прилипание металла к его стенкам. Такой способ позволил устранить дефекты поверхности и внутренней структуры слитка, имевшие место при горизонтальном литье с односторонним вытягиванием слитков, а также повысить в 2 раза производительность одного кристаллизатора. Первая машинадля литья этим способом блумов сечением до 250х250 мм построена и успешно эксплуатируется на опытном заводе ВНИИметмаша.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных во ВНИИ-метмаше, позволили стабилизировать этот процесс. Была создана система автоматического удержания начала обоих фронтов кристаллизации точно по центру металлопровода, по которому жидкая сталь поступает в кристаллизатор. Первая машина для литья этим методом блумов сечением до 250х250 мм построена и успешно эксплуатируется. Создание метода непрерывного литья с двусторонним вытягиванием слитков несомненно является крупным изобретением, и в ближайшие годы оно должно найти широкое применение. Ввиду простоты устройства непрерывнолитейной машины, не требующей специальных высоких зданий, она может быть с успехом применена не только на металлургических предприятиях, но и на машиностроительных. Это открывает широкие возможности совмещения процессов непрерывного литья с прокаткой, а также непрерывными процессами изготовления деталей машин давлением.

Схема литейно-прокатного агрегата для производства из разных легированных сталей проволоки диаметром от 8 до 12 мм. В агрегате используется одноручьевая непрерывно-литейная машина радиального типа, позволяющая получать слиток сечением 80х60 мм. Из литейной машины слиток поступает в зачистную машину, в которой производится очистка его поверхности. Перед зачистной машиной установлены летучие ножницы для обрезания переднего конца слитка в начале процесса, либо самого слитка в случае нарушения процесса прокатки. После зачистки поверхности слиток подается в индукционный подогреватель, а затем в планетарный стан с двусторонним обжатием, где происходит его деформация до квадратного (20х20 мм) сечения. На выходе из планетарного стана передний конец слитка обрезается летучими ножницами барабанного типа, а слиток далее поступает в непрерывный прокатный стан, состоящий из черновых и чистовых клетей, в котором производится его прокатка в проволоку требуемого сечения. За прокатным станом установлены летучие ножницы барабанного типа, разрезающие проволоку при нарушении процесса ее сматывания. В сматывающих устройствах проволока сматывается в бунты, а затем поступает на склад. Скорость выхода проволоки до 15 м/сек.

Качество непрерывно-литого металла выше по сравнению с металлом, отлитым в изложницы. Однако оно уступает качеству металла, подвергнутого последующей обработке давлением, т.е. прокатке. В связи с этим возникла идея объединить процессы непрерывного литья и прокатки в одном агрегате. Разработка и применение технологии получения проката непрерывным методом из жидкого металла открывают огромные перспективы в повышении эффективности металлургического производства. Во-первых, появляется возможность более полно использовать первичную теплоту слитка для его последующей деформации. Во-вторых, отпадает необходимость выполнения всех промежуточных операций между металлоплавильным и прокатным цехами; становятся ненужными транспортные операции и склад слитков. В-третьих, исходный слиток, поступающий в валки стана, практически приобретает непрерывность, или бесконечность. Это преимущество имеет особое значение в связи с тем, что при прокатке бесконечного слитка может быть использован эффект беспрерывного натяжения, благодаря которому принципиально изменяется сущность самого процесса пластической деформации. Если в процессе продольной прокатки прикладывать значительные растягивающие усилия по оси прокатываемого тела, т.е. в направлении движения, то характер пластической деформации тела существенно изменяется. Благодаря эффекту беспрерывного натяжения стремление прокатываемого изделия деформироваться в поперечном направлении уменьшается при одновременном снижении усилий на валки прокатного стана.

Беспрерывный, безостановочный процесс прокатки дает возможность создавать натяжение, более высокое, чем при обычной прокатке, - близкое по величине к половине сопротивления пластической деформации прокатываемого изделия. Уширение его тогда будет не только отсутствовать, но может стать отрицательным, т.е. ширина изделия будет уменьшаться. Иными словами, применение беспрерывного процесса прокатки с использованием эффекта беспрерывного натяжения открывает возможность полностью устранить излишнее уширение прокатываемого изделия и тем самым повысить коэффициент полезного действия прокатного стана.

Литейно-прокатные агрегаты с кристаллизатором роторного типа успешно применяются для литья меди и алюминия с последующей их прокаткой в проволоку. На рисунке представлена схема агрегата для получения медной проволоки диаметром 8, 10 и 12 мм. Расплавленная медь поступает из приемной ванны литейной машины в кристаллизатор. Отлитая заготовка, вышедшая из кристаллизатора, подается к прокатному стану. Между ним и литейной машиной установлены первые летучие ножницы для обрезания начала заготовки, а также для обрезания самой заготовки в случае нарушения процесса прокатки. Отлитая заготовка имеет сечение 1600 мм², по форме приближающееся к трапеции. При прокатке заготовка обжимается до требуемого сечения. За прокатным станом установлены вторые летучие ножницы, разрезающие проволоку при нарушении процесса сматывания, и линия обработки поверхности проволоки. В сматывающих устройствах обработанная проволока сматывается в бунты весом от 2 до 5 т, которые затем перемещаются на склад. Ниже показано последовательное изменение профиля медной заготовки при ее прохождении через трехвалковые клети прокатного стана. Всего в стане используется 17 таких клетей.

Указанное достоинство беспрерывного процесса прокатки, называемого также бесконечным, имеет особенно большое значение при прокатке проволоки и других профилей, ширина которых значительно меньше диаметра валков. В создании агрегатов для производства прокатных профилей непосредственно из жидкого металла основная трудность состоит в отыскании таких кристаллизаторов, которые обеспечивали бы достаточно высокую скорость выхода слитка. Это требование необходимо для того, чтобы загрузка непрерывного прокатного стана была достаточной и не снижалась от того, что процесс начинается с машины непрерывного литья, установленной в линии стана. Указанному требованию наиболее полно удовлетворяет кристаллизатор, у которого стенки, соприкасающиеся с кристаллизующимся металлом, движутся вместе со слитком. В этом случае почти исключено скольжение слитка по кристаллизатору, и к выходящей из кристаллизатора части слитка не требуется прикладывать усилия для его вытягивания. Тем самым протяженность кристаллизатора увеличивается и скорость выхода слитка соответственно возрастает.

Было создано и испытано несколько разных конструкций кристаллизаторов этого типа. Вполне удовлетворительные результаты получены при использовании кристаллизатора роторного типа. Он состоит из колеса с медным ободом. По окружности обода делается углубление, размер которого соответствует сечению требуемого слитка. Обод колеса обтягивается стальной лентой с углом обхвата около 180°. В пространство, образованное между колесом и лентой поступает жидкий металл, который по мере вращения колеса кристаллизуется и выходит в виде бесконечного слитка. Этот слиток далее поступает в многоклетевой стан, где прокатывается в проволоку.

Первый такой агрегат для производства алюминиевой проволоки был создан ВНИИметмашем (под руководством сотрудника ВНИИметмаша П.И. Софийского) совместно с Запорожским алюминиевым заводом. Благодаря полной непрерывности процесса, устранению специального нагрева перед прокаткой и использованию первородного тепла слитка достигается повышение производительности труда более чем в 5 раз, а срок окупаемости агрегата составляет менее года.

Следующим этапом решения проблемы получения проката из жидкого металла стала разработка процесса непрерывного производства медной проволоки. После проведения экспериментов в лаборатории ВНИИметмаша и на Балхашском горно-металлургическом комбинате был создан опытно-промышленный агрегат, установленный на Алмалыкском горно-металлургическом комбинате. Здесь после дополнительных исследовательских работ (под руководством сотрудника ВНИИметмаша А.Ю. Шевченко) удалось получить проволоку более высокого качества, чем традиционным методом. Успешный опыт эксплуатации агрегата показал, что для дальнейшего увеличения производства в стране медной проволоки наиболее целесообразно использовать этот метод. Впоследствии был создан еще более эффективный литейно-прокатный агрегат. Его основное отличие состоит в применении более высокой скорости прокатки - до 15 м/сек и в осуществлении обработки поверхности проволоки с целью освобождения ее от окалины перед сматыванием в бунты. Эта операция дала возможность получать бунты с рядным укладыванием витков и благодаря этому довести массу бунта до нескольких тонн.

Для стали совмещение процессов непрерывного литья и прокатки сложнее, чем для цветных металлов. Основная причина состоит в отсутствии эффективных методов кристаллизации стали, которые обеспечивали бы достаточно высокую скорость выхода слитка, соответствующую принятым скоростям прокатки. Исследование этой проблемы, однако, свидетельствует, что в ряде случаев скорости прокатки стали в пределах возможностей обычного кристаллизатора могут быть вполне приемлемы для создания литейно-прокатного агрегата. Такой агрегат мог бы быть использован для производства из разных легированных сталей мелких профилей, сматываемых в бунты. ВНИИметмашем был создан такой агрегат и успешно введен в эксплуатацию на одном из металлургических заводов. Он состоит из машины радиального типа для литья слитка сечением 80х60 мм, индукционного подогревателя, специального планетарного стана с двусторонним обжатием, группы клетей и моталок. Диаметр прокатываемой проволоки 8-12 мм, скорость ее выхода до 15 м/с. Этот агрегат оказался очень эффективным при прокатке высоколегированных сталей, обладающих пониженными пластическими свойствами и требующих при этом ограниченного температурного интервала для деформации.

При применении непрерывного литейно-прокатного агрегата процесс от жидкой стали до готового бунта занимает 10-15 минут, обычный же процесс требует выполнения следующих 6 операций: отливка слитков в изложницы; их обдирка; нагрев и ковка; второй нагрев и прокатка; чистка поверхности; третий нагрев и прокатка проволоки. Все операции связаны с отходами металла и занимают в общей сложности около 75 часов. Опыт эксплуатации этого агрегата в течение нескольких лет свидетельствует о явных преимуществах освоения процесса получения проката непосредственно из жидкой стали.

Размещено на Allbest.ru