Непрерывное литьё заготовок. Кристаллизаторы и зона вторичного охлаждения

 
 
 
 
 
 
 
 
В. А. Ульянов, В. Н. Гущин 
 
 
 
 
НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ ЗАГОТОВОК 
КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ И ЗОНА ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
 

Рекомендовано ученым советом Нижегородского 
государственного технического университета 
им. Р. Е. Алексеева в качестве учебного пособия 
для студентов, обучающихся по металлургическим и 
машиностроительным направлениям подготовки  
22.03.02, 22.04.02, 15.03.01, 15.04.01 
УДК 621.746 
ББК 34.3 
У51 
 
 
 
 
 
Рецензент: 
доктор технических наук, профессор Института проблем  
машиностроения РАН В. В. Мишакин 
 
 
Ульянов, В. А. 
У51  
Непрерывное литьё заготовок. Кристаллизаторы и зона вторичного 
охлаждения : учебное пособие / В. А. Ульянов, В. Н. Гущин. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 184 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1135-6 
 
Обобщены и систематизированы материалы о конструкциях кристаллизаторов и зон вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок 
(МНЛЗ) и происходящих в них тепломассообменных процессах. Приведены результаты физического и математического моделирования гидродинамических 
процессов с учётом конструктивных параметров применения сталеразливочных 
стаканов, водоохлаждаемых виброхолодильников в кристаллизаторах и технологических режимов ввода упругих колебаний в непрерывнолитые заготовки в зонах вторичного охлаждения. Рассмотрены различные принципы интенсификации формирования непрерывнолитых заготовок в условиях направленного или 
градиентного воздействия на них, позволяющие оптимизировать условия всплывания неметаллических включений, формирования макро- и микроструктуры литого металла. 
Для студентов металлургических и машиностроительных направлений 
подготовки. Может быть полезно для инженеров, специализирующихся в области непрерывного литья. 
 
УДК 621.746 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1135-6 
” Ульянов В. А., Гущин В. Н., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 4 
1. ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ .................................................... 5 
1.1. Кристаллизаторы для МНЛЗ 
..................................................................... 5 
1.2. Способы подвода расплава в кристаллизаторы 
..................................... 20 
1.3. Тепловые расчёты кристаллизаторов ..................................................... 28 
1.4. Динамика потоков и интенсивность теплоотдачи от расплава 
............ 31 
2. РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОДВОДА МЕТАЛЛА  
В КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ ............................................................................... 42 
2.1. Масштабы моделирования и структура проведения модельного  
и промышленного экспериментов ................................................................. 42 
2.2. Гидростабилизирующие способы подвода расплава в слябовые  
кристаллизатры ............................................................................................... 42 
2.3. Гидростабилизирующие способы подвода расплава в сортовых  
заготовках ........................................................................................................ 48 
2.4. Формирование оболочки и структуры заготовки 
.................................. 58 
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НЕПРЕРЫВНОЙ  
РАЗЛИВКИ СОРТОВЫХ И СЛЯБОВЫХ ЗАГОТОВОК ........................... 65 
3.1. Ввод экзогенных центров кристаллизации ............................................ 65 
3.2. Механическое и электромагнитное перемешивание ............................ 76 
3.3. Применение водоохлаждаемых волноводов 
.......................................... 78 
3.4. Экспериментальное исследование подвода расплава  
в кристаллизаторы 
......................................................................................... 124 
4. ПРОЦЕССЫ В ЗОНЕ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ....................... 130 
4.1. Конструктивные элементы и режимные параметры ЗВО .................. 130 
4.2. Электромагнитное перемешивание в ЗВО 
........................................... 139 
4.3. Электрогидроимпульсное воздействие в ЗВО 
..................................... 142 
4.4. Теплофизические параметры формирования непрерывнолитых  
заготовок ........................................................................................................ 149 
4.5. Теплотехнические расчёты 
.................................................................... 157 
4.6. Двухфазная зона и механизм её взаимодействия с внешними  
воздействиями ............................................................................................... 164 
4.7. Развитие дефектов литого металла и модельных сред при  
применении внешних воздействий 
.............................................................. 170 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 174 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.......................................................... 176 
 
 
 
 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Большая потребность промышленности в профильных и листовых 
заготовках требует расширения и совершенствования непрерывной разливки железоуглеродистых и цветных сплавов, которая, кроме того, позволяет значительно повысить выход годного и улучшить качество литья 
по сравнению с отливкой в стационарные формы, а также облегчает механизацию и автоматизацию процесса разливки. 
В настоящее время в мире на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) разливается больше половины всей выплавляемой стали, а 
также значительное количество получаемых чугунов, алюминиевых и 
медных сплавов. 
Успешное решение задач увеличения объёма разливки на МНЛЗ с 
одновременным расширением сортамента и повышением качества отливаемых заготовок невозможно без теплотехнического, гидродинамического 
и массообменного обоснования режимов работы МНЛЗ и вспомогательного оборудования, так как качество получаемого литого металла в значительной степени зависит в процессе кристаллизации и затвердевания от 
этих факторов. Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования, оборудование МНЛЗ и технология непрерывного литья ещё далека от 
совершенства, что позволяет продолжить поиск новых технических и технологических решений.  
Учебное пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области непрерывного литья, а также может быть полезно специалистам, инженерам, работающим в этой области. 
 
4 

1. ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ 
 
1.1. Кристаллизаторы для МНЛЗ 
 
Кристаллизатор МНЛЗ выполняет две основные функции: формо- 
образователя и теплообменного аппарата. В нём отводится около 20–25 % 
всего тепла. 
Качество непрерывнолитой заготовки, повышение стабильности работы МНЛЗ и её производительность в значительной степени зависят от 
правильной организации тепловых процессов в кристаллизаторе, так как 
именно в нём появляется вероятность возникновения различных дефектов 
в нарастающей оболочке. 
При получении сортовых заготовок основными дефектами литья являются осевая рыхлость, газовые пузыри, трещины, ромбичность для 
квадратных и овальность для круглых заготовок и ряд других, связанных с 
нарушением технологии выплавки и разливки стали, короблением кристаллизаторов, отклонением от технологической оси МНЛЗ [1–7]. Такие 
дефекты неблагоприятно влияют на литье, ограничивают круг изделий, 
изготавливаемых из такого слитка. 
Форма и размеры сечений сортовых заготовок оказывают определённое влияние на специфику образования дефектов. На рис. 1.1 показаны 
гильзовый (а) и блочный (б) кристаллизаторы круглого сечения. Значительная часть возникающих дефектов для этих видов кристаллизаторов 
связана с появлением овальности. 
 
 
 
Рис. 1.1. Гильзовый (а) и блочный (б) кристаллизаторы 
5 

На рис. 1.2 приведены поперечные сечения сборного (а) и гильзового 
(б) кристаллизаторов квадратного сечения. Для этого типа кристаллизаторов 
развитие ряда дефектов связано с возникновением разнодиагональности. 
Исследование качества макроструктуры поперечных темплетов заготовок 220u220 мм из стали 40 показало, что угловые трещины в основной 
массе залегают на расстоянии 10–20 мм от наружной поверхности. Полость трещин заполнена неметаллическими включениями, преимущественно сульфидного, оксисульфидного, корундового и шпинелевого характера. Возникновение этих дефектов является следствием неравномерного подмыва нарастающей корки и охлаждения непрерывнолитой заготовки [17]. На основе металлографических и электронно-фрактографи- 
ческих исследований был сделан вывод о необходимости увеличения скорости кристаллизации на глубине 250–500 мм. 
Основными дефектами труб, особенно труб, полученных на пилигримовых станах из непрерывнолитых заготовок диаметром 265–540 мм, 
являются внутренние и наружные плены, трещины и шлаковые включения. Одной из причин их возникновения является неотработанный способ 
подачи металла в кристаллизатор. Рекомендовано применение сталеразливочных стаканов с увеличенным сечением металлопровода, четырьмя боковыми, направленными вверх, и одним донным разгрузочным отверстиями [4]. Исследованиями в этой работе показано, что организация раннего 
теплоотвода при горячем мениске в круглом кристаллизаторе способствует улучшению геометрии заготовок и заметному снижению пораженности 
их различными дефектами. 
 
 
Рис. 1.2. Сборный (а) и гильзовый (б) квадратные кристаллизаторы 
 
Способ подвода металла и температуры его перегрева в значительной степени определяют неравномерность нарастания оболочки непрерывнолитых заготовок, которая, в свою очередь, вносит большой вклад в 
образование и развитие дефектов усадочного характера [3–16]. 
6 

Это подтверждается и данными в работах [5, 18, 19]: ослабленные 
участки оболочки являются концентраторами напряжений, где образуются 
горячие продольные наружные трещины. Исследование заготовок диаметром 360–540 мм показало, что неравномерность фронта затвердевания  
с увеличением сечения возрастает. 
В сортовых заготовках прямоугольного сечения, особенно квадратного, плохо организованный подвод металла и ряд других факторов приводят к аналогичным результатам. Исследование квадратных непрерывнолитых заготовок 150–300 мм показало, что для уменьшения величины 
неравномерности фронта затвердевания и сопровождающей ее ромбичности (разнодиагональности) необходимо снизить теплоотвод в нижней части углов кристаллизатора, начиная с горизонта 200–400 мм ниже мениска. Это можно достичь, помимо применения кристаллизаторов специальных конструкций, также организацией подвода металла [20, 21]. Аналогией зарождения ромбичности является овалообразование круглой заготовки. Различие заключается в пространственном расположении главной оси 
дефекта. 
Снижение разнодиагональности в сортовых заготовках, близких к 
квадратному (280u320 мм), при недостаточно отработанном подводе расплава в кристаллизатор также сопровождается дефектами усадочного и 
ликвационного характера в промежуточной и осевой зонах [8, 15]. 
Для кристаллизаторов более сложного профиля, например, балочного типа (рис. 1.3), возникающая разнодиагональность усугубляется крайне 
неравномерным скоростным полем потоков расплава. 
Повышение качества непрерывнолитых заготовок связано в значительной мере со снижением вероятности появления продольных трещин. 
Целенаправленное исследование [22, 23] по изменению условий разливки 
показало, что перепады температуры жидкой стали в кристаллизаторе и 
изменение жидкотекучести шлакообразующей смеси от перехода в нее частичек ZrO2, вымываемых из огнеупорных погружных стаканов, служат 
причинами появления и развития трещин. Изменение конструкции стаканов и оснащение их теплоизоляционной прослойкой привело к повышению однородности поля температур в сечении кристаллизатора, снижению скорости износа стаканов и снижению индекса пораженности заготовок продольными трещинами. Стойкость разливочных стаканов, в свою 
очередь, зависит как от материалов и технологии их изготовления [24–26], 
так и режимов течения газово-металлической смеси в канале погруженного стакана [27–30]. 
 
7 

 
 
Рис. 1.3. Кристаллизатор для балочной заготовки 
 
Показанная на рис. 1.4 конструкция слябового кристаллизатора с регулируемой шириной полости требует, в отличие от сортовых и профильных, особых условий подвода металла и методов внешних воздействий 
для оптимизации формирования непрерывнолитых заготовок при снижении количества дефектов в литом металле. 
Особенностью формирования слябовых заготовок, как было показано, является крайняя неравномерность скоростных полей гидропотоков в 
верхней части жидкой лунки, что сопровождается повышенной неравномерностью продвижения фронта затвердевания со всеми вытекающими 
последствиями по развитию дефектов ликвационного характера, нарушения сплошности литья, поверхностных дефектов. 
К дефектам слябов, зависящим от нарушения стабильности процесса 
непрерывного литья, относятся пояса, заливины и завороты корки. Современный уровень технологии производства и непрерывной разливки стали 
не позволяет получать заготовки без загрязнений неметаллическими 
включениями, но дает возможность существенно сократить их количество 
и изменить форму и внутреннее строение литого металла. 
Развитость большинства перечисленных дефектов слябов, как показывает практика, в значительной степени снижается при оптимизации 
подвода расплава в кристаллизатор, температурного режима литья, а также различного рода внешних динамических воздействий по всей высоте 
жидкой лунки. 
 
8 

 
 
Рис. 1.4. Конструкция слябового кристаллизатора с передвижными 
узкими стенками 
 
Пример кристаллизатора криволинейной МНЛЗ приведён на рис. 1.5. 
Кристаллизатор представляет собой жёсткую конструкцию, состоящую из 
внутренних рабочих медных пластин 1 и внешнего стального корпуса 2.  
В стенках кристаллизатора имеются каналы 3 для охлаждающей воды. 
Форма каналов в стенках кристаллизаторов зависит в основном от его 
конструкции (рис. 1.6). Длина рабочей части применяемых в промышленности кристаллизаторов при удовлетворительном качестве литья может 
находиться в пределах 300–1000 мм и в значительной степени определяется отливаемым сечением и скоростью вытягивания, ограничивается прочностью затвердевшей на выходе корки толщиной от 15 до 40 мм. 
Кристаллизатор должен обеспечивать основные требования – высокий теплоотвод и условия непрерывного формирования твёрдой оболочки. 
Тепловой режим кристаллизатора организуется так, чтобы на выходе 
твёрдая оболочка заготовки была достаточной толщины, максимально 
равномерна по периметру и прочности для предотвращения возможности 
порыва металла.  
Использование кристаллизаторов с профилированными (ребристыми, волнистыми, рифлёными) широкими стенками приводит к сокращению брака непрерывнолитых заготовок по продольным трещинам при 
условии соблюдения определённого соотношения между шагом и высотой 
применяющихся пилообразных, синусоидальных или параболических выступов профилированных стенок. 
9 

 
 
Рис. 1.5. Кристаллизатор криволинейной МНЛЗ 
 
 
Рис. 1.6. Схемы каналов в стенках кристаллизаторов: 
а – тонкостенный кристаллизатор с прямоугольными каналами, 
б – толстостенный кристаллизатор со сверлёнными цилиндрическими каналами 
 
10