Металлоизделия в Луганске и области

Металлокострукции, входные двери, заборы, оградки,
решетки, лестницы, ковка, модули,
вальеры, декоративная мебель

Конструкции машин

В этом разделе нами будут рассмотрены основные узлы и особенности конструкции описанных выше машин непрерывной разливки стали: кристаллизаторы; устройства для вытягивания слитка из кристаллизатора; устройства для охлаждения выходящего слитка (вторичное охлаждение); механизмы для резки и уборки слитков.

Кристаллизатор. В табл. 9 представлены основные характеристики кристаллизаторов описанных выше машин непрерывной разливки стали.

На заводе Хуккинген (ФРГ) разливка производится в вертикальные водоохлаждаемые кристаллизаторы Юнганса с поступательно-возвратным движением для получения круглого (130 мм), квадратного (300 x300 мм) и плоского (140x180 мм) профилей. Скорость разливки находится в пределах 0,8—1,2 м/мин для круглого и 0,5—0,9 м/мин для плоского профиля. Остальные данные конструкции кристаллизаторов в литературе не описаны.

 

На заводе фирмы Белер в Капфенберге (Австрия) установлены неподвижные вертикальные водоохлаждаемые кристаллизаторы для

отливки круглого (круг 80 и 130 мм) и плоского (140ХІ8Ф мм) профилей. При длине кристаллизатора 300 мм для круглого профиля скорость вытягивания слитка равна 0,6 м/мин, а для опытного кристаллизатора длиной 1 000 — 1400 мм скорость вытягивания составляла 1,2—2,0 м/мин. Средняя скорость равна 1,0 м/мин. Внутренние стенки кристаллизаторов из латуни толщиной 5 мм или стальные толщиной 3 мм. Расход охлаждающей воды в кристаллизаторе —280 л/мин при  скорости протекания ее до 30 м/мин.

Чтобы получить данные для расчета конструкции кристаллизатора, который является основной частью установки, Крайнер и Тарман провели исследование теплопередачи на опытном кристаллизаторе диаметром 80 мм. Коэффициент теплопередачи между жидкой сталью и стенкой кристаллизатора необходимо подсчитывать на основе экспериментальных данных. На рис. 77 представлена схема опытного кристаллизатора, в котором для определения условий теплоотвода были проведены измерения температуры медной и стальной стенок со стороны воды в шести точках по высоте, при помощи константановых проволок диаметром 0,3 мм, которые закреплялись в небольших углублениях, чтобы устранить дополнительное охлаждение их. Вторым электродом термопары была сама стенка кристаллизатора, к которой в одной точке приваривалась проволока из того же материала, что и материал кристаллизатора. Все устройство было проградуировано в воде и масляной ванне. На этой опытной установке были отлиты с различной скоростью легированные и нелегированные стали. Теплопередача от слитка к воде определяется коэффициентом теплопередачи между

слитком и кристаллизатором, теплопроводностью кристаллизатора, коэффициентом теплопередачи между кристаллизатором и водой, а также разностью температур между поверхностью слитка и водой вторичного охлаждения.

Общий коэффициент теплопередачи К равен

Рассмотрим результаты проведенных экспериментов.

Изменение температуры наружной поверхности железной стенки кристаллизатора толщиной 3 мм при разливке углеродистой стали с 0,35% С со скоростью 0,6 м/мин представлено на рис. 78. Разброс данных измерений составляет от 5 до 10%, что, видимо, связано с колебанием уровня жидкого металла в кристаллизаторе, которое хотя и было в пределах 30—50 мм, но при коротком кристаллизаторе (300 мм) все же влияло на распределение температур. Одновременно с этим имеет значение и эксцентричность слитка при его вытягивании из кристаллизатора. В этом отношении, видимо, имеет преимущества относительно длинный кристаллизатор. Род разливаемой стали не оказывает значительного влияния. Поэтому тепловое состояние при непрерывной разливке разных марок стали

можно установить, взяв среднее значение от всех проведенных экспериментов.

Чтобы подсчитать теплоотвод, необходимо знать скорость отвода тепла. Измерения показали, что при скорости разливки 0,6 м/мин круглого профиля диаметром 80 мм, что соответствует 23 кг/мин

расход воды на охлаждение кристаллизатора был равен 280 л/мин, а толщина корки слитка при выходе из кристаллизатора составляет 22 мм. Вода при этом нагревалась с 10 до 17°, что соответствует расходу тепла 2000 ккал/мин.

 

Отсюда следует, что каждый килограмм стали отдает  87 ккал/кг. Температура стали при разливке была 1510°. Если значение удельной теплоемкости стали при этой температуре принять равным от 0,16 до 0,18 ккал/кг, то как показывает расчет, удаление 87 ккал/кг будет соответствовать охлаждению металла на 250—300° ниже точки плавления. После того, как слиток выходит из кристаллизатора с имеющимся температурным градиентом, это значение охлаждения рассматривается как среднее. Количество тепла, которое должно быть удалено, почти одинаково для всех марок стали и может быть принято равным 100 ккал/кг стали. Это значение может служить основой для расчетов, связанных с конструкцией кристаллизатора. Поверхность стенок кристаллизатора равна 0,08 м2, а количество тепла, отводимого через стенки, составляет 1,5 хЮ“6 ккал/м2. На основании измерений температур подсчитан коэффициент теплопередачи между стенкой кристаллизатора и водой, равный 22 000 ккал/м2 час. град.

На рис. 79 показано влияние скорости протекания воды на теплоотвод в кристаллизаторе; из рисунка видно, что на интенсивность охлаждения влияет главным образом не количество, а скорость протекания воды. Также ясно, что температура воды имеет малое влияние на теплопередачу, так как небольшое повышение температуры воды фактически возмещается повышением коэффициента теплопередачи. Поэтому необходимо, чтобы конструкция кристаллизатора обеспечила такие скорости протекания воды, при которых коэффициент теплопередачи составлял бы 20 000 ккал/м2. час.. град. Увеличить скорость можно повышением количества протекающей воды, но этот способ повышает стоимость установки. Поэтому более выгодно получение турбулентного потока, которое должно быть достигнуто без чрезмерной потери давления. Поток чистой воды должен равномерно охлаждать всю поверхность кристаллизатора, не оставляя накипи.

На рис. 80 показано влияние толщины стенки кристаллизатора на теплопередачу; вследствие высокой теплопроводности меди толщина стенки имеет малое значение. Влияние толщины стенки выражается сильнее в случае применения латуни или стали. Коэффициент теплопередачи между слитком и кристаллизатором был вначале равен 1500 ккал/м2 • час.-град. По истечении 30 сек. коэффициент теплопередачи падает до 1000 ккал/м2. час. град и через одну минуту —до 750 ккал/м2. час. град. Это уменьшение теплоотвода связано с усадкой стали при продолжающемся охлаждении и образованием газового зазора между слитком и стенками кристаллизатора. Однако если подсчитать коэффициент теплопередачи для зазора, то оказывается, что он в несколько раз больше, чем значение его, подсчитанное в предположении, что теплопередача происходит только путем излучения. Это может быть объяснено,

если предположить, что газ, заключающийся в зазоре, по крайней мере, наполовину состоит из водорода, появившегося в результате разложения паров воды при соприкосновении ее с поверхностью выходящего слитка во вторичном охлаждении.

 

На рис. 81 показано распределение температуры на поверхности слитка. Низкая температура поверхности слитка в момент выхода слитка из кристаллизатора указывает на низкую теплопроводность стали. Резкий подъем температуры на поверхности слитка по выходе его из кристаллизатора показывает, как велико охлаждающее действие кристаллизатора. Следует ожидать, что слиток выходит из кристаллизатора с еще жидкой сердцевиной. Величина закристаллизовавшегося слоя слитка как внутри, так и вне кристаллизатора, показана на рис. 82.

На рис. 83 показан продольный разрез через слиток непрерывной разливки, быстро опорожненный от жидкой стали. Тонкая корочка вверху кристаллизатора растет затем по мере опускания слитка. Малый наклон фронта кристаллизации (V-образная лунка) показывает, что тепловой поток в слитке почти полностью идет в радиальном направлении, и что затвердевание внутренней жидкой части слитка полностью заканчивается только после выхода его из кристаллизатора.

Если необходимо отнять большее количество тепла от слитка в кристаллизаторе, то надо увеличить длину кристаллизатора.

Серией опытов установлено, что колебания температуры металла при разливке в пределах 20—30° (обычный интервал температур при разливке из ковша) не влияют на процесс затвердевания, так как изменение температуры разливки на 30° соответствует изменению содержания тепла в жидкой стали примерно на 6 ккал, что составляет около 6% общего количества тепла, выделенного из стали в кристаллизаторе.

 

Можно предположить, что с применением кристаллизатора достаточной длины с обратным конусом 1,5—2,0° при интенсивном охлаждении усадочной раковины в слитке может не быть. При длине кристаллизатора 1000—1400 мм и диаметре слитка 80 мм скорость вытягивания была 1,2—2,0 м/мин.

На заводе фирмы Бабкок—Вилкокс в Бивер-Фоллс (США) опытная установка непрерывной разливки стали имеет вертикальный неподвижный кристаллизатор Вильямса (см. рис. 64), который служит для отливки слитков овальных профилей из различных марок электростали при скорости вытягивания 1,2—1,5 м/мин. Кристаллизатор высотой 1800—2135 мм имеет латунную стенку толщиной 4,2-6,3 мм, которая охлаждается водой, проходящей со скоростью 25—30 м/сек. Толщина стенок кристаллизатора ограничивается только необходимостью обеспечить отсутствие коробления во время эксплуатации и для медного кристаллизатора достигает 6—8 мм. Над зеркалом жидкого металла в кристаллизаторе поддерживается восстановительная атмосфера. В отличие от способа непрерывного наполнения кристаллизатора жидким металлом и равномерного вытягивания слитка (у Белера, Австрия) здесь разливка производится путем периодического изменения уровня металла в кристаллизаторе благодаря изменению скоростей вытягивания (патент № 519393). Это изменение высоты уровня при непрерывной и равномерной подаче жидкого металла в стационарный кристаллизатор происходит во время каждого рабочего цикла. Зеркало металла в кристаллизаторе опускается во время периода вытягивания слитка и поднимается во время периода остановки или замедления. При этом часть длины кристаллизатора попеременно обнажается и вновь покрывается жидким металлом.

Главная цель такого способа разливки состоит в том, чтобы имело место чередование периодов с высоким отводом тепла (при состоянии покоя) и периодов с незначительным отводом тепла (при вытягивании слитка), чем, возможно, и достигается более высокий отвод тепла в сравнении со способом равномерного вытягивания слитка. Одновременно с этим, видимо, ослабляется вредное влияние прилипания (зависания) корочки металла и уменьшаются силы трения (имеется возможность осуществления периодической смазки кристаллизатора).

В кожухе кристаллизатора находится рентгеновская труба, а на противоположной стороне —ионизационная камера, которая принимает проходящие через кристаллизатор лучи. Этот прибор контролирует верхнее и нижнее положения уровня металла в кристаллизаторе и путем пуска двигателя определяет продолжительность периодов вытягивания и остановки. Процесс ведется преимущественно таким образом, что период вытягивания продолжается меньше периода остановки. На рис. 84 сплошная линия показывает ход затвердевания стали при постоянном уровне и равномерном вытягивании слитка, а пунктирная — ход затвердевания стали при переменном уровне и периодическом вытягивании слитка. При одинаковых условиях опыта (одинаковые состав металла, температура металла, расход воды в кристаллизаторе и т. д.) количество затвердевшего металла при разливке с переменным уровнем металла и периодическим вытягиванием слитка выше, чем при разливке с постоянным уровнем металла и равномерным вытягиванием его. Указывается, что в результате такой разливки получают слиток с равномерной структурой по всей длине его.

 

На установке непрерывной разливки стали завода Аллегени Лудлум Стил K0 (США) кристаллизатор вертикальный с поступательно-возвратным движением, конструкции Юнганс —Росси, составной из отдельных медных стенок или массивный литой из электролитической меди. Высота его колеблется в пределах 380—915 мм.

Конструкция кристаллизатора, хорошо зарекомендовавшего себя в промышленности цветных металлов, представлена на рис. 85 (патент И. Росси, США, № 575049). Медный кристаллизатор с отбортованным верхом соединен болтами с плитой, которая служит крышкой для водяной рубашки. Рубашка разделена на несколько отделений: внешняя, или подводящая камера, отводящая камера, распределительная камера и собственно холодильник. Вода поступает по трубе в подводящую камеру, из нее по трубе в распределительную камеру. В распределительной стенке имеются вертикальные прорези, через которые вода тангенциально направляется на стенку кристаллизатора. Стенки кристаллизатора имеют желобки, направленные под углом 45°. Тангенциальное направление водяных струй и желобчатость стенки кристаллизатора способствуют под- нятию воды к верху кристаллизатора и удалению ее через отверстие. Вместе с водой удаляются и пузырьки воздуха или пара. По трубе вода поступает во внутреннюю водяную рубашку, герметически закрытую специальными уплотнительными кольцами.

Вторичное охлаждение осуществляется посредством различного рода брызгал или опусканием слитка непосредственно в воду. При этом возникают две трудности: количество удаляемого из слитка с помощью брызгал тепла ограничено, и часто охлаждение слитка происходит неравномерно, что приводит к искривлению слитка и появлению трещин. Этот недостаток устраняется в данной конструкции. На концах труб имеются наконечники (сопла), которые направляют воду тангенциально к поверхности слитка. Как видно из рисунка, эти наконечники расположены на разных уровнях, что способствует созданию быстрого циркуляционного движения воды в рубашке, уносу частиц пара и улучшению охлаждения. Теплая вода из внутренней водяной рубашки удаляется через клапаны сменными коллекторами. Меняя высоту коллекторов, можно менять уровень воды в камере 13 в необходимых пределах.

Схема установки кристаллизатора на машине непрерывного литья и механизм для придания ему поступательно-возвратного движения представлены на рис. 28.

В последнее время были исследованы вопросы конструкции кристаллизатора, смазки и скорости литья, в связи с чем перешли к применению новой конструкции жесткого литого кристаллизатора из электролитической меди с хромированием внутренней поверхности для повышения износоустойчивости. На рис. 67 представлены разрезы такого кристаллизатора, применяющегося для получения слитков круглого, квадратного и прямоугольного (слябы) сечения. Длина кристаллизатора колеблется от 455—610 до 915 мм. Кристаллизатор установлен на подставке так, что она обеспечивает поступательно-возвратное движение и может приспосабливаться к любому искривлению слитка по выходе его из кристаллизатора.

В таком кристаллизаторе был измерен тепловой поток при помощи термопар, установленных на расстоянии 3 мм от внутренней поверхности.

Кривая скорости теплоотвода (рис. 86) характеризуется максимумом его в верхней части кристаллизатора с последующим понижением по направлению к низу кристаллизатора. Интересно повышение теплоотвода в нижней части кристаллизатора, отмеченное на этой кривой. Первоначальное понижение теплоотвода связано с усадкой закристаллизовавшейся корочки металла и образованием, в связи с этим, газового зазора. Повышение же скорости отвода тепла в нижней части кристаллизатора, видимо, обусловлено тем, что корочка слитка, изолированная от стенок кристаллизатора газовым зазором нагревается теплом из сердцевины слитка до высокой температуры, выпучивается под действием металлостати^ ческого давления и вновь соприкасается со стенкой кристаллизатора в нижней его части, где и замечено это повышение.

Недавно Британская исследовательская ассоциация железа и стали (В. I. S. R. А.) провела обширные исследования сил трения между слитком и кристаллизатором и разработала новый процесс, основанный. на применении вертикального подвижного кристаллизатора, смонтированного на пружинах.

Этот процесс основан на том, что подвешенный на пружинах кристаллизатор реагирует на случайные изменения трения опусканием вместе со слитком. Затем следует почти немедленно существенное уменьшение трения, слиток освобождается, а кристаллизатор возвращается в первоначальное положение. При этом разрывы корочки устраняются, в то время как при других методах могут иметь место многочисленные разрывы ее, ухудшающие поверхность слитка.

Указанный процесс осуществляется на опытной промышленной установке непрерывной разливки стали на заводе Вильям Джессоп в Шеффильде (Англия), но никаких данных ни по конструкции кристаллизатора, ни по качеству получаемых слитков не опубликовано.

Устройства для вытягивания слитка из кристаллизатора. В рассмотренных нами установках непрерывной разливки стали (Хуккинген, Капфенберг, Бабкок—Вилкокс и Аллегени Лудлум Стил К°, Атлас Стил К°, Вильям Джессоп, Жакоб Гольтцер) вытягивание слитков из кристаллизатора производится с помощью валков, которые осуществляют это свое назначение лишь в начале движения слитка. При дальнейшем вытягивании слитка (с увеличением его веса) назначение валков изменяется и сводится к поддержанию валками веса слитка. Таким образом, приводной электродвигатель для валков может быть небольшой мощности, обеспечивающей равномерную и регулируемую скорость опускания слитка. Наличие нажимного устройства обеспечивает достаточные силы трения между валками и слитком.

 

 

Форма заказа

Цветная металлургия

Горная проммышленность