Машиностроение и механика

Установки непрерывной отливки полосы

Патент на прямую отливку полосы с подачей металла в за­зор между двумя вращающимися валками получен в 1866 г. Генри Бессемером. Особенно большое внимание прямой от­ливке полосы стало уделяться в последние 15 лет в Японии, Корее, США, Австралии, Австрии, Ка­наде, Китае, Франции и Германии. Было создано 45 промыш­ленных, полупромышленных и опытных установок.

В подавляющем большинстве случаев это были ролико­вые машины той или иной конструкции (рисунок), и только единичные машины предусматривали подачу металла на дви­жущуюся полосу.

Принципиальные схемы валковых установок непре­рывной отливки полосы: а — одновалковые с переливом (1), вытягиванием (2) и подачей по желобу жидкого металла (3); б — с двумя валками одинакового диаметра и подачей металла сверху (4), снизу вверх (5), по диагонали (6); в — с двумя валками разно­го диаметра, их тангенциальным расположением и внешней (7— 9) или внутренней (10) подачей металла

Технология прямой отливки полосы обладает многими пре­имуществами, но прежде всего она исключает такие операции традиционного процесса, как отливка и зачистка слябов, по­вторный нагрев и горячая прокатка. В результате значитель­но сокращаются капитальные вложения, связанные с оборудо­ванием, и уменьшаются примерно на 85% энергозатраты по сравнению с традиционной технологией.

Из всех валковых машин в настоящее время находятся в эксплуатации только двухвалковые машины (рисунок). В этих установках кристаллизатор состоит из двух валков, расположенных непосредственно под промежуточным ковшом и вращающихся в противоположных направлениях. Жидкая сталь 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.

Схема двухвалковой УНРС: 1 — ковш, 2 — разли­вочный узел, 3 — погружной стакан, 4 — валки, 5 — уплотнение, 6 — регулятор нагрузки, 7 — направляющий желоб, 8 — прием­ные валки, 9 — сматыватель

Очень важная проблема — отвод тепла из зоны кристал­лизации, скорость потока которого составляет 10² —10⁴ °С/с. Вначале валки изготавливали из стали, затем из меди, сейчас наиболее широко используют сплав меди с хромом, в некото­рых случаях с покрытием поверхности валка никелем, что обес­печивает высокую теплопроводность и достаточную механи­ческую прочность инструмента. Для отвода выделяющегося тепла валки охлаждают водой.

Серьезную проблему представляет конструкция боковых стенок, которые должны удерживать жидкую сталь, предотв­ращая ее прорывы из кристаллизатора, и обеспечивать одина­ковую температуру металла около стенок и в средней части кристаллизатора, чтобы исключить деформацию кромок лис­та. В качестве материала боковых стенок используют нитрид бора или кремния.

Проводятся исследования по удержанию ванны жидкой стали с помощью электромагнитного поля.

Еще одна важная задача — получить лист заданной толщи­ны. Расширение валков при нагреве приводит к уменьшению зазора. Если при отливке сляба толщиной 150 мм изменение ширины на 1 мм несущественно и при горячей прокатке испра­вимо, то при отливке 2-3мм листа оно недопустимо. Следует, безусловно, избегать образования трещин и морщин на поверх­ности листа, так как при отливке тонкого листа трещина глубиной 1 мм может оказаться сквозной.

Для предотвращения образования трещин и обеспечения постоянства толщины листа необходимо поддерживать посто­янным уровень стали в кристаллизаторе с точностью ±2 мм и не допускать волнения поверхности расплава. Разными фир­мами разрабатываются специальные системы подачи жидкой стали в межвалковое пространство с помощью плоского сопла, обеспечивающие равномерное распределение металла по ши­рине кристаллизатора при постоянной температуре и небольшую скорость поступления металла в зазор между валками.

До промышленной реализации доведен ряд проектов. Один из наиболее масштабных и в наибольшей степени отработан­ных — Eurostrip. В декабре 1999 года на заводе в Крефельде была разлита первая промышленная плавка массой 36 т с получением листа шириной 1100 мм и толщиной 3 мм. С марта 2000 года на этом заводе устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т на МНЛЗ, которая имеет следующие характеристики: диаметр валка — 1500 мм, скорость разливки — 60—100м/мин (макс. — 150м/мин). При этом толщина получаемого листа — 1,5—4,5 мм, ширина — 1100 мм, емкость промковша — 16т, производительность — около 400 тыс., т в год.

Схема двухроликовой установки «Eurostrip»: 1 и 2 — сталеразливочный и промежуточный ковши, 3 — ролики, 4 — тянущие ролики, 5 — дисковые ножницы продольной резки по­лосы, 6 — моталки

Продолжительность непрерывной разливки зависит глав­ным образом от срока службы прижимных боковых плит-уплотнителей (ограничителей жидкой ванны). Последние из­готавливают из несмачиваемых сталью композитных материа­лов. Износ использованных на установке плит составлял 0,5 и 1,3 мм/км полосы при отливке соответственно тонкой (2,8 мм) и толстой (4,2 мм) полос. Максимальный срок соответственно 100 и 129 мин (при разливке 90-т плавки).

Расчетная стойкость никелевого покрытия роликов отве­чает разливке 3 — 7 тыс.т стали в зависимости от толщины от­ливаемой полосы.

Основными поверхностными дефектами литой полосы яв­ляются трещины и оксидные пятна. В структуре литой полосы представлены однородные столбчатые дендриты и центральные равноосные кристаллы, характеризующие надежность процесса. Незначительная цен­тральная пористость устраняется при соответствующей горя­чей прокатке. Механические свойства литой стальной полосы близки к механическим свойствам обычной горячекатаной по­лосы. После отжига, травления, холодной прокатки и оконча­тельного отжига механические свойства сравнимы с механи­ческими свойствами обычной холоднокатаной стальной поло­сы.

Технологическая схема получения тонкого листа с применением двухвалковых МНЛЗ позволяет в 8—10 раз снижать затраты энергетических ресурсов, в 40—50 раз сократить потери металла в окалину, в 5—10 раз повысить производительность труда, в 10—20 раз снизить выбросы парниковых газов при существенном уменьшении затрат на капитальное строительство, что обеспечивает экономическую мотивацию в части его дальнейшего развития и совершенствования.

Наряду с двухвалковыми существу­ют и опытные ленточные МНЛП

Схема ленточной МНЛП приведена на рисунке.

Схема установки для отливки полосы: 1 — печь, 2 — разливочное устройство, 3 — натяжной ролик, 4 — водяная камера, 5 — холодильник, 6 — прокатная клеть, 7 — моталка

По оптимистическим прогнозам многих специалистов про­цесс прямой отливки будет широко использован для нержаве­ющей стали через 5—8 и для углеродистой стали через 10—15 лет, что позволит уменьшить себестоимость рядового проката на 20 — 30 долл./т и высококачественного проката на 30 — 60 долл./т.

В России работы по созданию двухвалковых машин и на­учно-исследовательские работы в этой области проводятся в АХК ВНИИМЕТМАШ имени акад. А.И. Целикова. В этом институте созданы опытные двухвалковые машины, проведен комплекс научно-исследовательских работ по производству полос от 150 от 300 мм из стали разных марок. На этих ма­шинах отработана технология литья ленты как толщиной 0,1 — 0,3 мм с микрокристаллической структурой, так и обычной тол­щиной 1 —2 мм.