Общие закономерности непрерывной разливки стали

Лабораторная работа 4. Моделирование непрерывной разливки стали

Цель работы

- закрепление знаний по теоретическим основам непрерывной разливки стали и конструкции МНЛЗ;

- приобретение навыков управления процессом непрерывной разливки стали на МНЛЗ криволинейного типа;

- приобретение навыков расчета основных параметров непрерывной разливки.

Теоретическое введение

Общая характеристика непрерывной разливки стали

Способ непрерывной разливки заключается в том, что жидкую сталь из сталеразливочного ковша через промежуточное устройство (промежуточный ковш) заливают в интенсивно охлаждаемую сквозную форму — кристалли­затор, в котором он начинает затвердевать. Частично затвердевший слиток непрерывно протягивают через него и дополнительно охлаждают в так называемой зоне вторичного охлаждения. В результате в процессе непрерывной заливки металла и его затвердевания образуется непрерывный слиток. В основе процесса непрерывной разливки находится синхронизация скоростей подачи жидкого металла, его кристаллизации и вытягивания слитка.

Агрегаты для разливки стали этим методом называют машинами непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или установками непрерыв­ной разливки стали (УНРС).

отвечающему готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы – тянущей клети поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит полное затвердевание заготовок. Затвердевший слиток режется на мерные длины и готовые заготовки и с помощью рольганга или других транспортных средств направляются в прокатный цех или на склад.

При непрерывной разливке различают четыре периода, в течение которых меняются условия затвердевания слитка.

Первый период характеризуется наполнением кристаллизатора и одновременным формированием наружной корки металла в условиях интенсивного теплоотвода. Во время второго периода начинается вытягивание слитка и затвердевание его наружной корки происходит в условиях ее движения, образования воздушного зазора и возрастающего ферростатического давления. При этом часть слитка попадает в зону вторичного охлаждения, где начинается формирование его внутренней структуры.

В третьем периоде процессы кристаллизации протекают при установившемся для каждого сечения по высоте слитка ферростатическом давлении, определяемом глубиной жидкой лунки в условиях постоянного теплоотвода во вторичной зоне охлаждения. Во время четвертого периода прекращается поступление жидкого металла в кристаллизатор и процессы кристаллизации центральных зон слитка протекают при постепенно понижающемся ферростатическом давлении с образованием усадочных дефектов слитка.

Кристаллическая структура непрерывного слитка определяется
скоростью разливки, интенсивностью охлаждения и химическим составом металла. Как правило, в непрерывном слитке различаются три зоны кристаллизации: поверхностная - с мелкими разноориентированными кристаллами, столбчатая, а также осевая - с крупными неориентированными кристаллами. Первая зона образуется в верхней части кристаллизатора в условиях интенсивного теплоотвода. Толщина этой зоны колеблется в пределах 4-6 мм, зависит от интенсивности охлаждения, химического состава, температуры перегрева и скорости вытягивания.

Зона столбчатых кристаллов начинает формироваться в условиях замедленного теплоотвода при образовании воздушного зазора между образовавшейся корочкой и стенками кристаллизатора. Размеры этой зоны определяются в первую очередь химическим составом ме­талла и его исходной температурой. Третья зона возникает в условиях дальнейшего снижения интенсивности теплоотвода, имеющего место в центральной части слитка.

Заготовки из непрерывных слитков имеют более однородную кристаллическую структуру, чем обычные слитки. Они также более однородны по химическому составу, так как ликвационные процессы в условиях высоких скоростей кристаллизации не получают такого развития, как в обычных слитках.

Общие закономерности непрерывной разливки стали

Производительность машин непрерывной разливки тесно связана со скоростью разливки. Однако достижение высоких скоростей раз­ливки зависит как от скорости кристаллизации металла, так и раз­меров кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения. Во всех случаях общая длина кристаллизатора и зоны вторичного охлаждения должна быть больше глубины жидкой фазы в отливаемой слитке.

Скорость затвердевания непрерывного слитка определяется
условиями его охлаждения и временем нарастания корочки затвердевающего металла. Нарастание затвердевающего слоя в кристаллизаторе описывается уравнением:

                                                  (4.1)

где  ξ – толщина корочки металла, мм;

τ_з – продолжительность затвердевания, мин;

К_ф – коэффициент формы поперечного сечения заготовки (см. раздел 3);

k – коэффициент затвердева­ния, который для спокойной стали в зависимости от ее состава и ус­ловии затвердевания изменяется в пределах 24 – 28 мм/мин^1/2.

Зная общую высоту металла в кристаллизаторе, можно определить толщину твердой корки на выходе из кристаллизатора в зависимости от скорости разливки:

                                           (4.2)

где ζ_{К –} толщина затвердевшего слоя металла на выходе из кристаллизатора, мм;

W – скорость вытягивания слитка, м/мин;

H_К – расстояние от зеркала металла до низа кристаллизатора, м.

Толщина корочки затвердевшего металла на выходе из кристалли­затора является важнейшей величиной, от которой зависят как воз­можность осуществления самой разливки, так и производительность машины. Во всех случаях прочность корочки должна противостоять напряжениям, возникающим в ней под действием ферростатического давления и температурных градиентов.

Внутри вытягиваемой из кристаллизатора заготовки находится лунка жидкого металла, длина которой определяется по формуле:

                                        (4.3)

где L_ж – глубина жидкой лунки, м;

τ_з – время полного затвердевания слитка, мин.

Обязательным условием получения плотной осевой зоны непрерывнолитой заготовки и безаварийной работы МНЛЗ является соблюдение соотношения

                                             (4.4)

где L_м – металлургическая длина МНЛЗ (расстояние по оси заготовки от уровня жидкого металла в кристаллизаторе до последнего поддерживающего ролика), м.