Непрерывное литьё заготовок. Разливочные и промежуточные ковши МНЛЗ

 
 
 
 
 
 
 
 
В. А. Ульянов, В. Н. Гущин 
 
 
 
 
НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЁ ЗАГОТОВОК 
РАЗЛИВОЧНЫЕ И ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ КОВШИ МНЛЗ 
 
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  
машиностроения АН РФ В. В. Мишакин  
 
 
Ульянов, В. А. 
У51  
Непрерывное литьё заготовок. Разливочные и промежуточные 
ковши МНЛЗ : учебное пособие / В. А. Ульянов, В. Н. Гущин. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 212 с. : ил., табл. 
 
 
ISBN 978-5-9729-1179-0 
 
Рассмотрены вопросы применения разливочных и промежуточных ковшей 
в условиях непрерывной разливки. Приведены результаты экспериментальных и 
модельных исследований, изложены рекомендации по совершенствованию использования ковшей для внепечной обработки расплавов. Освещены вопросы, 
связанные с влиянием внепечной обработки расплавов на качества литых заготовок. 
Для студентов металлургических направлений подготовки. Может быть 
полезно для инженеров, специализирующихся в области непрерывного литья. 
 
УДК 621.746 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1179-0 
” Ульянов В. А., Гущин В. Н., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................... 4 
1. РАЗЛИВОЧНЫЕ КОВШИ .................................................................... 6 
    1.1. Внешние воздействия на расплавы металлов в ковшах 
.................. 6 
    1.2. Печь-ковш ......................................................................................... 19 
    1.3. Энергетические и экономические параметры воздействий 
.......... 26 
1.4. Особенности обработки упругими колебаниями 
........................... 31 
2. ОБРАБОТКА РАСПЛАВОВ В РАЗЛИВОЧНЫХ КОВШАХ 
УПРУГИМИ КОЛЕБАНИЯМИ ............................................................. 42 
    2.1. Электрогидроимпульсное воздействие на расплавы 
..................... 42 
2.2. Футеровка ковшей и её стойкость в условиях наложения  
упругих колебаний ...................................................................................... 59 
    2.3. Результаты рафинирования и гомогенизации расплава 
................ 67 
    2.4. Разливка обработанного расплава в изложницы и формы ........... 84 
3. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ МНЛЗ ............................................... 94 
3.1. Роль промежуточных ковшей в формировании качества  
литых заготовок 
........................................................................................... 94 
    3.2. Конструкции промежуточных ковшей МНЛЗ ............................. 100 
3.3. Поведение неметаллических включений при различных  
конструктивных решениях и продувке расплава ................................... 133 
4. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОВШ КАК РЕАКТОР 
............................. 135 
    4.1. Управление потоками расплавов .................................................. 135 
    4.1.1. Разливка через прямоугольные промковши 
.............................. 135 
    4.1.2. Разливка через трапециевидные и другие промковши 
............. 155 
    4.2. Промышленное освоение результатов моделирования .............. 190 
    4.2.1. Продувка жидкой фазы ............................................................... 190 
    4.2.2. Обработка расплавов упругими колебаниями .......................... 193 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... 200 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
................................................. 202 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
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. 
Значительные отличия появляются в работе установки ковш-печь 
(УКП) в условиях предприятий, ориентированных на выпуск высококачественной уникальной продукции. 
 
При производстве заготовок наибольшее распространение в мире 
получили УКП, работающие по совмещенной модульной схеме в комплексе с дуговой сталеплавильной печью или кислородным конвертером и 
высокопроизводительной МНЛЗ. При этом режим работы УКП соответствует технологической цикличности разливки стали на МНЛЗ, а для 
обеспечения некоторого демпфирующего резерва времени (для поддержания непрерывности процесса литья) перед началом процесса разливки 
предусматривается один дополнительный ковш металла, что, соответственно, предполагает увеличение времени пребывания стали в нем. 
В целом же функциональная эффективность УКП может существенно отличаться в зависимости от стратегии завода и структуры металлургического производства, что соответственно определяет круг требований к 
отдельным параметрам обработки и огнеупорам, используемым в ковшах, 
в зависимости от длительности пребывания в них металла и уровня качества стали. 
Промежуточный ковш, установленный на транспортном манипуляторе, выполняет функции рабочего инструмента по подаче жидкого металла через разливочные отверстия в кристаллизатор и одновременно 
оснащается специализированными манипуляторами и устройствами для 
распределения потоков жидкой стали по объёму промежуточного ковша. 
4 

Изменять параметры течения стали в промежуточном ковше можно только путем использования специальных элементов, которые устанавливаются во внутреннюю полость ковша. Комбинация их в промежуточном ковше образует систему распределения потоков стали. Несмотря на то, что 
отдельные элементы этой системы с успехом применяются на многих металлургических предприятиях, обоснованных методик расчета и конструирования их в научной литературе не представлены. 
 
Приведённые в учебном пособии материалы могут быть полезны для 
студентов и аспирантов металлургических специальностей, а также специалистов в этой области. 
5 

1. РАЗЛИВОЧНЫЕ КОВШИ 
 
1.1. Внешние воздействия на расплавы металлов в ковшах 
 
В процессе заполнения металлами ковша и изложницы идет непрерывное насыщение расплава кислородом и водородом. При заливке 12 т 
изложницы сверху, например, контактная поверхность соприкосновения 
металла с воздухом с учетом циркуляции металла в изложнице достигает 
при разливке 30 м2, а снизу 70 м2. При разливке металла на воздухе среднее содержание кислорода в прибыльной части слитка достигает 0,006 % в 
защитной атмосфере – 0,0053 %, в вакууме – 0,0036 % [1–3]. 
Прирост концентрации газа в зависимости от времени приближенно 
выражается уравнением [2]  
 
 
/ IJ
(
)/
р
dN d
K S N
N
V
c
 

,  
 
где Кc – коэффициент массопереноса, учитывающий конвекцию и диффузию;  
S  – поверхность раздела жидкий металл-атмосфера;  
V  – объем металла;  
р
N  и N  – растворимость и концентрация газа в металле при давлении. 
Из приведённого уравнения следует, что скорость растворения газа в 
жидком металле зависит не только от свойств газа (коэффициента диффузии, вязкости, поверхностного натяжения), но и от отношения поверхности контакта к объему. 
Основное количество неметаллических включений (НВ), образующихся на ранних стадиях производствах стали, успевает всплыть из металла. Однако часть включений, появившихся в металле на ранних стадиях, обнаруживается и в готовом прокате, поковках и изделиях. Этим обусловливается необходимость снижения НВ на всех стадиях выплавки и 
разливки металла. 
Газы, растворенные в металле, выделяются в самостоятельную фазу 
в том случае, если их общее давление превышает внешнее. 
Образование новой газовой фазы в жидком металле идет значительно труднее, чем окисной фазы. Среднее содержание азота в металле, выплавленного в электропечи, колеблется в пределах 0,004–0,008 % и может 
изменяться в небольших пределах в зависимости от химсостава, способа 
выплавки и разливки. 
Растворимость водорода в жидком металле до 25 см3/100 г, в твердом – до 14,2 см3/100 г при высоких температурах [4]. Технология выплавки стали в электропечах позволяет получить сталь с содержанием во6 

дорода перед выпуском в пределах 3,5–5,0 см3/100 г. При разливке 13 т 
слитка содержание водорода в жидкой стали меняется от 7,0 до 13,7 
см3/100 г. Присутствие водорода в жидкой стали оказывает влияние на характер образующейся структуры слитка, усиливает транскристаллическую 
структуру литого металла, способствует появлению флокенов и приводит 
к снижению пластических свойств стали при определенных условиях. 
Ковшовая металлургия предполагает в настоящее время широчайший 
круг проведения разного рода операций над металлом вне печи. При производстве стали и чугуна это, в частности, ковшовое рафинирование от примесей, десульфурация и дефосфорация, дегазация, гомогенизация, легирование 
и модифицирование и т. д. Для производства стали применяют доводку путём вдувания инертных газов, порошков (VAD – процесс). Вакуумнокислородное обезуглероживание используют при производстве высоколегированных, нержавеющих и жаростойких сталей (VOD-процесс). 
 
В последнее время разработаны большое число методов внепечной 
обработки стали, их выбор определяется целесообразностью обработки 
конкретной стали и возможностью способа обработки (рис. 1.1, рис. 1.2). 
 
 
 
Рис. 1.1. Основные способы перемешивания металла в ковше: 
а – продувка аргоном через ложный стопор, б – продувка аргоном через пористую 
пробку, в – продувка аргоном через шиберный затвор, г – электромагнитное  
перемешивание, д – при выпуске из электропечи, е, ж – пульсационный, з – вибрация 
ковша, и – колебание ковша, к – механическое перемешивание металла 
7 

 
 
Рис. 1.2. Схемы установок внепечного вакуумирования: 
а – ковшевое в камере, б, в – ковшевое с перемешиванием аргоном  
и электромагнитным способом, г – при переливе из ковша в ковш, д – порционное,  
е – циркуляционное, ж – при выпуске из электропечи, з – при разливке в изложницу 
 
Внепечная обработка позволяет улучшить качество стали, повысить 
производительность сталеплавильных агрегатов, снизить угар легирующих, обеспечить узкие пределы их содержания в сплавах.  
 
При внепечной обработке стали в ковшах изменились условия службы футеровки, а требования к огнеупорам значительно ужесточились.  
В результате переноса части металлургических процессов в ковши увеличилась температура стали в них, возросла длительность пребывания её в 
ковше, повысилась основность шлаков и химическая реакционная способность расплавов в условиях вакуума, интенсифицировались процессы 
циркуляции и перемешивания расплавов, возросло агрессивное действие 
на кладку различных добавок в сталь. В таких условиях службы стойкость 
традиционной шамотной и монолитной кремнезёмистой футеровки оказалась низкой [5–7]. 
 
Считается, что футеровки внепечных установок для рафинирования 
стали должны выдерживать колебания температур в области 800–1700 °С, 
8 

разряжение атмосферы 1–10–5 Па, основность шлака в пределах 0,5–3,0, 
окисленность стали от 0 до 0,05 % [O]. Кроме того, ковшевые огнеупоры 
должны быть стойкими к эрозии циркулирующих расплавов, термическому растрескиванию, к физико-химическому разъеданию расплавом (коррозии), к износу при дегазации, продувке порошками и инертным газом. 
 
В качестве внепечной обработки чугуна в настоящее время применяется его десульфурация, дефосфорация и обескремнивание (рис. 1.3) [6]. 
 
Для внепечной десульфурации обычно используют чистый магний, 
смеси извести и магния, кусков кокса, пропитанных магнием, а также 
кальцийсодержащие материалы в виде извести, известняка, карбида кальция и соду и др. 
 
 
 
Рис. 1.3. Схема установки десульфурации чугуна с вдуванием реагентов: 
1 – десульфураторы, 2 – пылевой фильтр, 3 – бункер, 4 – сжатый воздух, 
5 – транспортный жёлоб, 6 – взвешивающее устройство, 7 – распределитель  
пылевидных материалов, 8 – пылеулавливание, 9 – вытяжной зонт, 10 – тележка 
фурмы, 11 – погружная фурма, 12 – ковш сигарообразной формы,  
13 – открытый ковш 
9 

 
При использовании порошкообразного реагента в качестве несущего 
газа для его вдувания используют воздух, азот, природный газ. Для перемешивания реагента с металлом используют:  
 падающую струю металла;  
 разные механические мешалки;  
 барботаж в процессе продувки газом;  
 пульсирующую затопленную струю;  
 воздействие вибрации, ультразвук; газлифтное перемешивание и др.  
Основные виды механического перемешивания при десульфурации 
и других подобных процессах показаны на рис. 1.4. 
 
Для удаления из жидкого чугуна фосфора используют смеси окалины железной руды с плавиковым шпатом или известью, вдуваемую в потоке кислорода (рис. 1.5).  
 
 
Рис. 1.4. Основные виды механического перемешивания металла: 
а – падающей струей, б – вибрационным воздействием, в, г – с использованием  
мешалок для подъёма фурм 
10