Українська  English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

Введение

Разливка стали на МНЛЗ является основным способом разливки стали на современных металлургических заводах. Данный метод значительно повышает качество и скорость выпуска отливок, однако с ужесточением экономических требований все острее становится необходимость выпуска заготовок, наиболее приближённым по габаритам к уже готовой продукци. Одним из таких направлений является создание МНЛЗ для отливки заготовок сверх крупного сечения, на данный момент известно применение установки шириной кристаллизатора более трёх метров. На всех современных МНЛЗ применяется подача в кристаллизатор шлакообразующей смеси (ШОС), которая предотвращает контакт металла с кислородом, способствует более свободному прохождению образовавшейся корочке металла через кристаллизатор, и как следствие улучшению качества поверхности заготовки.

1. Актуальность темы

В настоящее время на большинстве МНЛЗ подачу ШОС производят ручным методом, что приводит к большему расходу и менее равномерному распределению смеси. В связи с этим осушествляют постепенный переход на автоматическую подачу ШОС. В связи с этим кафедрой МОЗЧМ был спроектирован ряд установок для автоматической подачи ШОС в кристаллизаторы различных размеров, одной из них является установка подачи ШОС в кристаллизатор особо крупного. При использовании данной установки за счёт автоматизации процесса подачи ШОС, можно обеспечить равномерное покрытие жидкого металла шлакообразующей смесью, снижение расхода смеси, и улучшению качества отливаемой заготовки.

2. Влияние шлакообразующих смесей на условия формирования непрерывнолитой заготовки

В соответствии с классическим представлением [2], механизм взаимодействия ШОС с жидкой сталью в кристаллизаторе и с его стенками схематично показан на рис. 1. Как видно из приведенной схемы, некоторая часть ШОС, находящаяся непосредственно на зеркале металла, расплавляется и затекает в зазор между стенками кристаллизатора и твердой корочкой слитка, выполняя роль смазки. Для улучшения процесса скольжения твердой корочки вдоль поверхности кристаллизатора, а также защиты зеркала металла от контакта с атмосферой и от потерь тепла излучением, в практике непрерывной разливки применяют специальные ШОС, подаваемые в определенном количестве на поверхность металла в кристаллизаторе (рисунок 1). Причем некоторая часть ШОС, которая расположена непосредственно на зеркале металла, расплавляется и затекает в зазор между кристаллизатором и твердой оболочкой стали, выполняя роль смазки

При этом по мере удаления от поверхности жидкой стали, вследствие её теплового воздействия, в толще смеси образуется три ярко выраженных слоя: жидкий, размягченный и спеченный.

По данным работ [2, 3] жидкий слой ШОС выполняет следующие основные технологические функции:

- уменьшает отдачу тепла с зеркала металла в кристаллизаторе и предотвращает образование на нем твердой корочки;

- предотвращает вторичные окисления при контакте зеркала металла с атмосферой;

- ассимилирует всплывающие в шлак неметаллические включения;

- уменьшает силы трения между заготовкой и стенкой кристаллизатора за счет наличия жидкого слоя шлака;

- повышает равномерность и позволяет регулировать интенсивность теплоотвода от твердой корочки к стенке кристаллизатора;

- повышает качество поверхности непрерывно литой заготовки.



Рисунок 1 – Схема распределения фаз в кристаллизаторе при использовании ШОС

Поэтому при разработке смесей для кристаллизаторов МНЛЗ определяющими характеристиками являются химический состав, физические свойства (размер частиц, температура и скорость плавления) и природа исходных компонентов, которые обеспечивают комплекс технологических свойств [4 – 6].

Работа смеси в процессе разливки определяет условия образования и параметры шлакового гарнисажа на поверхности заготовки, который влияет на усилие вытягивания, а также на интенсивность и равномерность отвода тепла от корочки заготовки к стенкам кристаллизатора, что, в свою очередь, влияет на качество поверхности заготовки [7 – 9].

При затекании жидкой ШОС в зазор между поверхностями заготовки и кристаллизатора образуется тонкая пленка, состоящая из:

- слоя стекловидной пленки, которая намерзает на стенки кристаллизатора;

- слоя кристаллической шлаковой пленки, расположенной на стекловидной пленке;

- жидкого слоя, прилегающего к поверхности заготовки.

Процесс проникновения шлака непосредственно в зазор между заготовкой и кристаллизатором, и формирования в нем шлаковой прослойки является наиболее ответственным в работе ШОС, так как этим процессом фактически определяется возможность возникновения поверхностных и подповерхностных дефектов заготовки, а также вероятность прорыва металла. На этом этапе существенную роль играют вязкость и температура затвердевания шлака ("температура излома"), поверхностное натяжение на границах шлак – твердый металл и шлак – кристаллизатор, значение теплового потока от заготовки к кристаллизатору, а также стабильность поступления жидкого шлака с поверхности расплавленного металла через участок мениска [10, 11].

3. Анализ существующих конструкций систем мехнизированной подачи ШОС в кристаллизатор слябовых МНЛЗ

Результаты проведенного литературного и патентного поиска и их анализ позволили установить, что дозированная выдача шлакообразующей смеси в кристаллизатор может осуществляться вибрационным, пневматическим, механическим и пневмомеханическим способами. Любая система дозированной подачи ШОС по сути представляет одну из комбинаций двух механизмов, реализующих перечисленными способами дозирование и распределение смеси. Поэтому целесообразно подробно остановиться на тех технических решениях, которые нашли или могут найти промышленное применение.

Одним из первых устройств для автоматической дозированной подачи флюса в кристаллизатор МНЛЗ при отливке слябов сечением 150х(1000-1200) мм было разработано для Донецкого металлургического завода [1]. В этом механическом устройстве (рис. 2), использован в качестве импульса подачи порошкообразного материала режим возвратно-поступательного движения кристаллизатора.

Как видно из приведенного рисунка, при использовании такой конструкции дозирующей системы подача ШОС осуществляется в локальную зону на поверхности металла в кристаллизаторе, поэтому с ее помощью нельзя добиться равномерного распределения вводимого флюса по всему зеркалу расплава, что является существенным недостатком.



Рисунок 2 – Устройство для автоматической дозированной подачи флюса в кристаллизатор

Аналогичный принцип действия заложен в конструкцию устройства, схематично представленную на рис. 3. Для создания в



Рисунок 3 – Конструкция устройства для подачи смеси в кристаллизатор МНЛЗ посредством качающегося наклонного лотка

кристаллизаторе шлакового слоя постоянной толщины подачу смеси из бункера 1, подвешенного на промежуточном ковше 2, предложено осуществлять с помощью шарнирно установленного лотка 3 с регулятором 6. Лоток, преодолевая сопротивление пружины 7, может совершать поворотное движение относительно оси 8 за счет передачи его заднему концу посредством пружинного толкателя 4 возвратно-поступательного движения плиты 5 кристаллизатора [12]. При таком конструктивном выполнении устройства количество поступающего из бункера смеси зависит от отклонения лотка, устанавливаемого регулятором 6, и частоты качания кристаллизатора. Следует отметить, что при очевидной простоте механизма дозированного ввода смеси, обусловленной отсутствием специального привода для его функционирования, указанная система не может успешно использоваться на слябовой МНЛЗ ввиду ограниченной площади поверхности металла, на которую она позволяет подать ШОС в кристаллизатор.

С целью устранения отмеченного недостатка в устройстве, предложенном специалистами ИЧМ им. Бардина (рис. 4), включающем стационарно расположенный бункер 1, соединенный с трубой 2, смонтированной на подшипниках качения 3 и 4 и имеющей отверстия 5 с задвижками 6.

При этом через трубу 2 пропущен шнек 7, вал 8 которого установлен на подшипниках 10 и имеет возможность поворота с помощью привода 9. Труба 2 снабжена рычагом 11, соединенным с пневматическим цилиндром 12, а также лотками 13 и направляющими 14. В процессе работы труба 2 устройства расположена параллельно широкой стенке кристаллизатора 16. При вращении шнек 7 перемещает смесь по трубе 2, отверстия 5 которой с лотками 13 находятся в верхнем положении. В момент заполнения трубы смесью на всю ее длину включают пневматический цилиндр 12, воздействующий на рычаг 11 и поворачивающий трубу 2. Смесь высыпается из трубы и по лоткам 13 попадает на мениск металла, где образуется слой шлака 17. После полного высыпания смеси из трубы 2 она пневматическим цилиндром поворачивается в исходное положение для очередного заполнения материалом.



Рисунок 4 – Дозирующая система конструкции ИЧМ им. Бардина для ввода шлакообразующих смесей в кристаллизатор МНЛЗ для отливки заготовок большого сечения

Для регулирования количества подаваемой смеси служат задвижки, перемещающиеся вручную в направляющих 14. Дополнительно расход смеси можно корректировать путем изменения частоты поворота трубы 2 в процессе разливки стали [13].

Следует отметить, что данная установка, располагающаяся стационарно на рабочей площадке вдоль кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок, является помехой для тележки ее перемещении в резервную позицию после окончания разливки для выполнения обслуживания промежуточного ковша или его замены. В устройстве для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизатор, запатентованном специалистами ОАО «Северсталь» (рис. 5), по разные



http://ru.sport-wiki.org/vidy-sporta/strelba-iz-luka/

стороны погружного стакана 16 разливочного устройства промежуточного ковша 17 предлагается использовать два расходных бункера 6, каждый из которых жестко соединен с дозатором 7 и подвижно посредством пружинных подвесок 11 с приемным бункером 5. При этом дозатор выполнен в виде корпуса с каналом для перемещения поршня 8, приводимого в действие пневматическим цилиндром 9. Корпуса дозаторов неподвижно соединены с распределителем 10 в виде раструбов, снабженных вибраторами 15 и нависающими над кристаллизатором 4. Дозирующая система смонтирована на тележке 3, установленной на рельсы со стороны боковой стенки промежуточного ковша.

Массовый расход дозируемой смеси, подаваемой в кристаллизатор, задается сечением канала для перемещения поршня и его ходом [14]. Недостатком системы является то, что она загромождает рабочую площадку, создавая неудобства разливщику, и является помехой при аварийном съезде тележки с промежуточным ковшом.

По-другому устроена и работает система дозированной подачи смеси, защищенная патентом США (рис. 6). Равномерную подачу смеси в кристаллизатор предлагается выполнять с помощью передвижной установки, включающей тележку 8, на платформе 13 которой смонтированы два шнековых дозатора 11, примыкающих к нижней части бункера 10, накрытого крышкой 9 с дозирующим отверстием 7. Вращение шнеков дозаторов осуществляется с помощью мотор-редукторов 12, управляемых с пульта 19. Каждый из дозаторов с помощью двухколенчатого вала 23, вращаемого двигателем 14 и шатуном 24, может совершать качательное движение в горизонтальной плоскости в секторе, ограниченном узкой стенкой кристаллизатора и погружным стаканом 4. Для спрямления траектории движения относительно широкой стенки кристаллизатора подающих насадок 18, закрепленных на концах труб шнековых дозаторов с возможностью относительного продольного перемещения, на 



Рисунок 6 – Система дозированной подачи ШОС в кристаллизатор слябовой МНЛЗ с помощью спаренных шнековых питателей

платформе 13 выполнены два профилированных паза 15, в которых размещены ролики 21, связанные с концами тяг 16, закрепленных в опорах 26 и соединенных с насадками 18.

При такой кинематической схеме в процессе функционирования дозирующей системы, благодаря сложению возвратно-поступательного (относительного) и качательного (переносного) движений насадок, обеспечивается равномерная подача смеси по всей поверхности зеркала металла в кристаллизаторе [15].

Существенным недостатком данной системы является то, что она загромождает рабочую площадку возле промежуточного ковша со стороны расположения рычагов управления его стопорных разливочных устройств и является препятствием во время аварийного съезда тележки с кристаллизатора.

4. Обзор исследований и разработок

С учетом того, что за рубежом в настоящее время эксплуатируется несколько слябовых машин непрерывного литья заготовок сверхкрупного сечения [10], при создании дозирующей системы, предназначенной для работы в условиях производства слитков, ширина и толщина которых превышает соответственно 2 и 0,3 м, была принята конструктивная схема (рис. 3.4), предполагающая наличие двух носков, подающих шлакообразующую смесь раздельно на зеркало металла в кристаллизаторе в зоны, разграниченные погружным стаканом. Причем, каждый из носков совершает движение одновременно в двух направлениях – вдоль и поперек кристаллизатора. Это позволяет повысить равномерность распределения ШОС по всей свободной поверхности стали в кристаллизаторе и снизить скорость перемещения кареток, на которых установлены подающие носки. Разработанная система включает зубчатую рейку 19, смонтированную на двух поворотных консолях 15 и 22 вдоль широкой стенки кристаллизатора 20 и снабженную двумя направляющими 17 и 18, на которые опираются двумя парами роликов 10 две каретки 9, имеющие возможность относительного продольного перемещения на расстояние 0,4 – 0,45 ширины сляба с помощью привода, состоящего из самотормозящегося червячного мотор-редуктора 13 с двумя хвостовиками выходного вала, расположенного вертикально. Нижний хвостовик посредством конической зубчатой передачи 12 связан с валом-шестерней 11, находящейся в зацеплении с зубьями рейки, а верхний хвостовик снабжен кривошипом 5, который с помощью шатуна 4



Рисунок 7 – Система дозированной подачи ШОС в кристаллизатор слябовой МНЛЗ для отливки заготовок сверхкрупного сечения

соединен с планкой 6, несущей подающий носок 8 и имеющей возможность поперечного перемещения относительно каретки, а значит, и кристаллизатора, в двух горизонтальных направляющих 7. Оба подающих носка посредством гибких металлорукавов 16 и 21 связаны с питающим бункером 3, неподвижно закрепленным на двух стойках 2, снабженных кронштейнами 14 и 23, которые в совокупности с поворотными консолями 15, 22 и зубчатой рейкой 19 образуют параллелограммный механизм, благодаря чему рейка при помощи привода 1 может совешать плоско-параллельное перемещение относительно широкой стенки кристаллизатора 20 для отвода от него в положение парковки. Дозированная выдача шлакообразующей смеси одновременно двумя спиральными дозаторами осуществляется от одного привода, включающего мотор-редуктор с регулированной частотой вращения выходного вала, на котором установлена шестерня, находящаяся в зацеплении с двумя зубчатыми колесами, вращающими вертикальные трансмиссионные валы, жестко связанные нижними концами со спиралями гибких металлорукавов. 

Для практического применения разработанных систем автоматизированной подачи шлакообразующих смесей необходима разработка методик расчета их основных конструктивных и энергосиловых параметров.

Диаграмма состояний автомата Мура

Рисунок 8 — Перемещение кареток распределяющих ШОС над ванной кристаллизатора
(анимация: объём 111 кб, кадров 15, количество циклов повторений 5, задержка между кадрами 500 мс)

Выводы

В настоящее время изготовлен опытно-промышленный образец новой системы механизированной подачи ШОС в кристаллизатор слябовой МНЛЗ для отливки заготовок большого сечения(Рис.8), на котором в лаборатории физического моделирования кафедры МОЗЧМ проводят исследования с цельюпроверки правильности принятых технических решений

Список источников

1. Дюдкин  Д. А. Качество непрерывнолитой стальной заготовки / Дюдкин  Д. А. – К.: Техніка, 1988. – 253 с.

2. Процессы непрерывной разливки: Монография / [Смирнов А. Н. [и др.]. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – 536 с.

3. Куклев А. В. Практика непрерывной разливки стали / А. В. Куклев, А. В. Лейтес. – М.: Металлургиздат, 2011. – 432 с.

4. Производство теплоизолирующих и шлакообразующих смесей для современных МНЛЗ / С. В. Шлемко [и др.] // «50 лет непрерывной    разливке стали в Украине»: Сб. научн. тр. / под ред. проф., д.т.н. Д. А. Дюдкина, проф., д.т.н. А. Н. Смирнова. – Донецк: Изд-во «Ноулидж» (донецкое отделение), 2010. – С. 213 – 223.

5. Комплексное использование высокоосновных теплоизолирующих, шлакообразующих рафинировочных и разливочных смесей при высокоскоростной  разливке  на  слябовой   МНЛЗ /  О. Б. Исаев [и др.] // Бюллетень научно-технической и экономической информации «Черная металлургия» ОАО «Черметинформация». – 2007. – №7. – С. 25–31.

6. Шлакообразующие смеси ТСК для кристаллизатора МНЛЗ ЗАО «АзовЭлектроСталь» / М. А. Шумаков [и др.] // 50 лет непрерывной разливке стали в Украине: науч.-техн. конф., 4-5 ноября 2010 г.: сб. науч. тр.  конф. – Донецк, 2010. – С. 507–514.

7. Механизм формирования шероховатой поверхности шлакового гарнисажа и ее влияние на величину термического сопротивления зазора между оболочкой слитка и стенкой кристаллизатора УНРС / Н. П. Лякишев [и др.] // Металлы. – 2005. – №3. – С. 3–15.

8. Физико-химические основы нового метода управления отводом тепла от слитка к кристаллизатору А. И. Зайцев [и др.] // Сталь. – 2003. – №3. – С. 70–74.

9. Зайцев А. И. Направления и методы создания шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали с высокими эксплуатационными и экологическими характеристиками / А. И. Зайцев, К. Б. Калмыков // Тр. IX конгресса сталеплавильщиков: Старый Оскол, 17–19 октября 2006). – М., 2007. – С. 638–644.

10. Дождиков В. И. Комплексное исследование условий контакта непрерывного слитка со стенками кристаллизатора / В. И. Дождиков, И. И. Шеинфельд, В. Е. Бережанский // Непрерывная разливка стали: сб. науч. тр. ЦНИИчермет. – М.: Металлургия, – 1989. – С. 32 – 43.

11. Смирнов А. Н. Свойства шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали с повышенной скоростью / А. Н. Смирнов, С. Л. Макуров, М. В. Епишев, А. Ю. Цупрун // Металл и литье Украины. – 2006. – №1. – С. 55-57.

12. А. с. 1764790 СССР, МКИ3 В 22 D 11/10. Устройство для подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор / Е. Н. Суханов, Ю. В. Сосин, А. Н. Лазинцев (СССР). – № 4474824/02; заявл. 18.08.88; опубл. 30.09.92, Бюл. № 36. – 3 с.

13. А. с. 644594 СССР, МКИ3 В 22 D 11/10. Устройство для подачи порошкообразных шлаковых смесей в кристаллизатор / В. И. Лебедев, Ю. Е. Кан, А. В. Лейтес, В. М. Паршин, Г. Н. Брикманис, К. П. Веселов (СССР). – № 2412718/22-02; заявл. 18.12.76; опубл. 30.01.79, Бюл. № 4. – 3 с.

14. Пат. 2171157 Российская Федерация, МПК7 В 22 D 11/10. Устройство для подачи шлакообразующих смесей в кристаллизатор / Сандальнев Ю. А., Ведешкин В. В., Ордин В. Г., Плешин Ю. А.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Северсталь». – №99114260/02; заявл. 29.06.1999; опубл. 27.07.2001. – 4 с.

15. Пат. 4312399 The United States, Int. Cl3 В 22 D 11/10. Flux powder supplying apparatus for continuous casting / Nishida Shinji, Okayama; Ohtsuka Takashi, Bizen; Satoh Mitsukuni, Okayama; Kashimoto Satoru, Wake, all of Japan; Assignee Shinagawa Refractories Co., Ltd., Tokio, Japan. – No.129383; filed 31.10.1979; published 26.01.1982. – 7 p.