Конструкция кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) представляет собой водоохлаждаемую форму, являющуюся ключевым технологическим узлом для формирования первичной корки слитка. Основная задача данного агрегата — интенсивный отвод тепла от жидкого металла для получения оболочки достаточной прочности. Технические решения, заложенные в конструкцию, определяют качество поверхности заготовки и стабильность всего процесса разливки.
Геометрия и профиль внутренней полости кристаллизатора МНЛЗ в зоне первичного охлаждения
Внутреннее сечение кристаллизатора строго соответствует поперечному профилю будущей заготовки. Для слябовых машин применяется прямоугольная форма с соотношением сторон более 1:3, для блюмовых — квадратная или близкая к квадрату, для сортовых — многоугольная. Обязательным условием для компенсации усадки стали является создание обратного конуса или параболического профиля стенок.
Обратный конус означает, что внутреннее сечение на выходе из кристаллизатора меньше, чем на входе. Усадка аустенитных сталей требует большего сужения, чем усадка ферритных. Величина конусности варьируется от 0,5% до 1,2% на метр длины. Ошибочный расчет конуса ведет к образованию зазоров и перегреву корки.
Длина кристаллизатора в современных МНЛЗ составляет от 700 до 1000 мм. Выбор длины связан с теплофизическими свойствами разливаемой марки стали. Минимальная длина диктуется временем, необходимым для образования корки, способной выдержать ферростатическое давление.
Закругление углов профиля является критическим параметром. Скругление радиусом от 3 до 15 мм снижает концентрацию напряжений в углах слитка. Прямые углы провоцируют образование трещин из-за неравномерного охлаждения в двух плоскостях.
Конструктивные элементы медной гильзы и система каналов охлаждения
Основной корпус кристаллизатора выполняется из медного сплава с высокой теплопроводностью. Наиболее распространены сплавы CuAg (медь с серебром) и CuCrZr (медь с хромом и цирконием). Серебро повышает жаропрочность, а цирконий увеличивает температуру рекристаллизации. Толщина стенки медной гильзы колеблется от 10 до 40 мм.
В толще медной стенки фрезеруются вертикальные или V-образные каналы для принудительного водяного охлаждения. Вертикальные щелевые каналы обеспечивают жесткое направление потока, но создают зоны неравномерного теплоотвода по дуге. V-образная нарезка (диффузорные каналы) стабилизирует поток воды в зоне мениска.
В конструкции предусмотрена рубашка из нержавеющей стали, которая приваривается или припаивается к медной плите. Эта рубашка герметизирует систему водоохлаждения. Скорость протока воды через щелевые каналы достигает 8-12 м/с для обеспечения пузырькового кипения, а не пленочного.
Торцевые поверхности гильзы имеют уплотнительные пазы под резиновые прокладки. Разъемная конструкция позволяет заменять короткие и длинные стенки независимо друг от друга. Это удешевляет ремонт, так как износ рабочих граней происходит неравномерно.
Узел качания и механизм возвратно-поступательного движения
Кристаллизатор монтируется на качающейся платформе, которая совершает возвратно-поступательное движение. Циклограмма движения исключает сваривание корки слитка со стенками формы. При опускании кристаллизатор движется быстрее скорости вытягивания слитка, создавая режим «отрыва» корки.
Привод качания реализуется через эксцентриковый механизм или гидравлические сервоцилиндры. Эксцентрики создают синусоидальный закон движения. Гидравлический привод позволяет задавать несимметричную циклограмму с ускоренным опусканием и замедленным подъемом, что снижает глубину следов качания.
Параметрами режима качания являются амплитуда (2-10 мм) и частота (до 300-400 циклов в минуту). Высокая частота с малой амплитудой уменьшает проникновение дефектов в объем заготовки. Амплитуда регулируется для компенсации высоты мениска жидкой стали в кристаллизаторе.
Направляющие качающегося стола выполняются из износостойких материалов и требуют смазки при помощи консистентных систем. Люфты в механизме качания ведут к флуктуации уровня шлаковой смеси и захвату шлака коркой слитка.
Автоматическая система контроля уровня шлака (Уровень мениска)
Уровень жидкого металла в кристаллизаторе является критическим параметром. Стабильность уровня поддерживается в пределах ±2-3 мм. Основная задача системы — не допустить обнажения стенки или перелива шлака через край.
Бесконтактные датчики уровня базируются на радиоизотопном или электромагнитном методе. Радиоизотопные датчики (Co60 или Cs137) измеряют ослабление гамма-излучения слоем металла. Электромагнитные датчики фиксируют вихревые токи.
Исполнительный механизм — стопорный узел промежуточного ковша со стопором-моноблоком или шиберным затвором. Сигнал от датчика поступает в контроллер, который корректирует открытие канала подачи стали. Время реакции системы должно быть менее 0,1 секунды.
Дополнительно устанавливаются датчики аварийного слива, блокирующие подачу металла при падении уровня ниже допустимого минимума. Это предотвращает «прорыв жидкой фазы», аварийную остановку машины и повреждение роликов зоны вторичного охлаждения.
Устройство подачи и системы смазки для жидкой шлакообразующей смеси
Подача шлакообразующей смеси (ШОС) на поверхность мениска осуществляется дозаторами. ШОС выполняет теплоизоляцию поверхности металла, защиту от окисления и смазку стенок кристаллизатора. Плавление ШОС происходит за счет тепла жидкой стали.
Автоматические питатели распределяют гранулированную смесь равномерно по всей площади мениска. Интенсивность подачи корректируется в зависимости от скорости вытягивания и ширины сляба. Недостаток смеси ведет к сухому трению.
Внутри системы применяются вибрационные или шнековые дозаторы. Важна фракция гранул: смесь должна плавиться без вскипания и образования углеродистых включений в корке. Состав ШОС (SiO2, CaO, Al2O3, Na2O) влияет на вязкость.
Жидкий шлак стекает в зазор между коркой и стенкой кристаллизатора. Толщина шлакового зазора составляет 0,1-1,5 мм. При нарушении расхода ШОС возникают обрывы и разрывы корки на выходе из кристаллизатора.
Методика крепления и центрирования кристаллизатора в технологической линии МНЛЗ
Кристаллизатор устанавливается на станину через амортизирующие пружины и клиновые фиксаторы. Позиционирование осуществляется с точностью до 0,5 мм относительно оси технологической линии. Отклонение оси вызывает изгиб слитка.
Регулировочные винты позволяют менять угол наклона формы. Для радиальных МНЛЗ кристаллизатор устанавливается на дуге определенного радиуса. Нецентрированность ведет к одностороннему износу медных плит.
Быстросъемные соединения фитингов позволяют менять кристаллизатор за время не более 20-30 минут. В конструкции предусмотрены датчики температуры на выходе воды, сигнализирующие о налипании металла (заворот корки).
Система быстрой смены оборудования (QRS) включает в себя гидравлические зажимы и электрические коннекторы. Фиксация кристаллизатора в очаговой зоне исключает его смещение при тепловом расширении медных плит.
Технические характеристики и гидравлические параметры водоохлаждения
Расход воды через каналы охлаждения кристаллизатора составляет от 100 до 500 кубических метров в час в зависимости от сечения заготовки. Давление воды на входе поддерживается на уровне 0,6-1,2 МПа для преодоления гидравлического сопротивления каналов.
Перепад температур воды на входе и выходе не должен превышать 15-20 градусов Цельсия. Слишком малый перегрев указывает на недостаточный теплоотвод, слишком большой — на риск вскипания воды с потерей теплопроводности. Вода используется химически очищенная (обессоленная).
Контроль расхода осуществляется электромагнитными расходомерами. На каждом канале или секции устанавливается датчик протока для быстрого обнаружения засорения канала окалиной. Засорение одного канала ведет к локальному перегреву стенки.
Для слябовых кристаллизаторов применяются пластинчатые каналы закрытого типа. Для блюмовых ниш — сверленые каналы. Гидравлические потери в системе водоотвода не должны превышать 0,3 МПа для стабильной работы насоса.
Из каких основных элементов состоит конструкция кристаллизатора МНЛЗ?
Кристаллизатор МНЛЗ представляет собой водоохлаждаемую форму (изложницу), обычно состоящую из четырех медных стенок (плит). Включает корпус, систему водяного охлаждения с каналами, рабочие стенки (из меди или медных сплавов), а в современных моделях — встроенную систему электромагнитного перемешивания жидкой стали (ЭМП) и устройство качания. Верхняя часть кристаллизатора имеет воронку (воронку разливки) с погружным стаканом для подачи металла.
Почему стенки кристаллизатора изготавливают из меди, а не из стали?
Медь и её сплавы (например, бронзы) обладают исключительно высокой теплопроводностью. Это необходимо для интенсивного отвода тепла от затвердевающей оболочки слитка: расплавленная сталь отдает тепло меди в 10–20 раз быстрее, чем стали. Кроме того, медь обладает хорошей коррозионной стойкостью к жидкой стали и достаточной пластичностью, чтобы выдерживать термические деформации при нагреве.
Как в кристаллизаторе формируется первичная оболочка слитка?
Процесс начинается, когда расплавленная сталь через погружной стакан поступает в полость кристаллизатора. Медные стенки интенсивно отводят тепло, и металл, контактирующий с ними, мгновенно затвердевает, образуя тонкую (5–15 мм) корочку. Для предотвращения прилипания оболочки к стенкам используется шлакообразующая смесь (ШОС) и возвратно-поступательное качание (вибрация) кристаллизатора, что обеспечивает смазку и регулирует теплоотвод.
В чем разница между монолитным и сменным кристаллизатором (с плитами)?
Монолитный кристаллизатор — цельная медная труба, часто используемая для малых сечений (квадрат, круг). Его изготавливают цельнолитым или вытяжкой, что обеспечивает герметичность, но сложно в ремонте. Современные сменные кристаллизаторы для больших заготовок (слябов, блюмов) состоят из четырех отдельных медных плит, закрепленных на стальном корпусе. Плиты можно быстро заменить по отдельности при износе, что удешевляет эксплуатацию и позволяет менять размеры (конфигурацию) полости без замены всего корпуса.
Какие виды водяного охлаждения применяются в кристаллизаторе?
Используется принудительное водяное охлаждение. Наиболее распространен «щелевой» тип, когда вода с высокой скоростью (до 10–15 м/с) протекает через узкие каналы (щели) между медными плитами и стальной рубашкой. Для сложных профилей может применяться «канальное» охлаждение — система просверленных внутри плит каналов. В современных конструкциях используют высокоскоростное охлаждение с контролем перепада температуры воды на входе и выходе (обычно не более 10–15 °C) для предотвращения кипения и образования паровых пробок.
Оцените статью
Happy
Care
Haha
Suprise
