Спосіб безперервної розливки сталі та кристалізатор для його реалізації

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности, к получению слябовых заготовок непрерывной разливкой стали. В течение последних лет в области непрерывной разливки стали не раз вставал вопрос получения блюмов и соответственно сортового и профильного проката из слябовой заготовки. Однако, из-за высокого уровня ликвационных процессов, происходящих в кристаллизующемся металле, некачественного внутреннего строения известные в настоящее время способы не гарантируют получения качественного слитка, обеспечивающего высокие прочностные и пластические свойства сортового и профильного проката. Так, например, известен способ непрерывной разливки стали, включающий подачу жидкого металла в кристаллизатор, вытягивание кристаллизующегося слитка и его охлаждение. Для реализации способа применяется кристаллизатор, содержащий широкие и узкие грани и съемную перемычку [1]. В известном способе и кристаллизаторе не обеспечивается снижение ликвационных процессов, так как не учитывается развитие усадочных процессов в слитке и изменение схемы циркуляции металлам это в конечном счете снижает качество получаемого сляба. Известен также способ непрерывной, разливки стали, включающий подачу жидкого металла в кристаллизатор, вытягивание кристаллизующегося слитка с формированием ужимины и последующее охлаждение слитка и разделение его по образовавшейся ужимине на заготовки. Для осуществления способа применяется кристаллизатор, содержащий четыре стенки, образующие внутреннюю полость с водоохлаждающими ребрами на широких гранях [2]. В данном способе и в кристаллизаторе не учитываются такие факторы, как форма ребер, подвод металла, влияющие на ликвационные процессы и структур у сли тка, вследствие чего не достигается требуемый результат. Наиболее близким техническим решением является способ разливки стали, включающий подачу жидкого металла в кристаллизатор, вытягивание слитка с формированием ужимины, охлаждение и перевозку его на несколько частей. Способ включает также кристаллизатор, содержащий узкие и широкие грани, причем на широких гранях выполнены вертикальные водоохлаждаемые ребра, образующие зазоры с противоположной широкой стенкой [3]. Указанный способ и устройство также не обеспечивают получения требуемого результата, так как асимметрия расположения ужимин в слитке, обусловленных расположением ребер только по одной из широких граней приводит к существенному изменению схемы циркуляции потоков металла, затягиванию неметаллических включений, появлению зон с очень низкой скоростью восходящих потоков и, соответственно, с сильно развитой ликвацией элементов, физической и химической неоднородностью. Асимметрия расположения ребер приводит также к асимметрии внутреннего строения сляба, а в случае криволинейных машин непрерывного литья заготовок к резкому ухудшению внутреннего строения слитка, к появлению трещин. Неучет усадочных явлений может привести, с одной стороны, к подвисанию слитка и организации прорыва металла, с другой - к резкому усилению износа ребер. Все это ведет к невозможности получения блюма из слябовой заготовки, отвечающего современному уровню требований. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ непрерывной разливки стали и кристаллизатор для его реализации, в котором новые условия осуществления действий, новая форма и взаимное расположения конструктивных элементов позволили бы получить слябы с низким уровнем ликвационных процессов, повышенной химической и физической однородностью, мелкодисперсной структурой, без поверхностных и внутренних трещин и, за счет этого - сортовой и профильный прокат с улучшенными прочностными и пластическими свойствами. Для решения поставленной задачи в способе непрерывной разливки стали, включающем подачу жидкого металла в кристаллизатор, вытягивание из кристаллизатора с формированием ужимины в кристаллизующемся слитке и его охлаждение, в соответствии с изобретением, ужимины формируют в плоскости симметрии, параллельной узким граням, а подвод металла осуществляют асимметрично указанной плоскости на расстоянии, определяемом из соотношения где - расстояние от места подвода металла до ужимины в слябе; - расстояние между вершинами ужимины. При этом способ отличается тем, что охлаждение осуществляют в асимметричном режиме путем дискретной работы секций вторичного охлаждения в соответствии с выражением где - число работающих секций вторичного охлаждения; - общее число секций вторичного охлаждения; - время разливки в относительных единицах. Для осуществления способа непрерывной разливки слябов, предложен кристаллизатор, образованный широкими и узкими гранями и расположенными вдоль широких граней вертикальными водоохлаждаемыми ребрами. В соответствии с изобретением, ребра расположены на широких гранях кристаллизатора напротив друг друга с формой поперечного сечения, имеющей вид сопряженных между собой трапецией и параболой, образующей вершину ребра, причем форма поперечного сечения преобразована на высоте ребра в соответствии с соотношениями где и - длины больших оснований трапеций у вер хнего и нижнего торцов кристаллизатора соответственно; и - длины меньших оснований у верхнего и нижнего торцов кристаллизатора соответственно. Кроме того, форма параболы, образующей вершину ребра, определяется выражением где Учет расположения места подвода металла в зависимости от расстояния между ужиминами, расположенными напротив друг друга на широких гранях кристаллизатора, позволит в максимально возможной степени добиться благоприятной картины циркуляции жидкого металла, наиболее равномерного распределения температур по сечению жидкой лунки, избежать перегрева поверхности вершин ребер. Выполнение этих условий позволит предотвратить появление трещин и обеспечит более равномерное распределение элементов по сечению сляба. Выбор размера обусловлен тем, что при будет иметь место перегрев поверхности ребер и резкое утонение корочки сляба в этой зоне, что может стать причиной прорыва металла и образования поверхностных дефектов (трещин, заворотов корки и т.п.). С другой стороны увеличение приведет к резкому усилению асимметрии потоков в жидкой лунке, подмыву одной из узких граней и повышению неравномерности распределения элементов по сечению, осевой и внецентренной ликвации и появлению осевых тре щин. При этом для кристаллизаторов крупных размеров благоприятно мм) соотношение для меньших - размер узкой стенки, - размер широкой стенки). Асимметричный режим охлаждения с дискретной подачей воды по малому радиусу сляба за счет наличия ужимин на поверхности сляба позволяет существенно улучшить теплоотвод от верхней части заготовки, снизить градиент температур по сечению слитка и добиться увеличения зоны мелкодендритного строения и практически полного отсутствия осевой ликвации элементов. Эксперименты показали, что при одновременном снижении асимметрии строения верхней и нижней части слитка снижение расхода воды на вторичное охлаждение достигает 20 - 30% в зависимости от марки стали, температуры металла и скорости разливки. Конструктивное исполнение кристаллизатора позволяет решить поставленную задачу за счет: - рационального с точки зрения циркуляции потоков в жидкой лунке расположения ребер: одно напротив другого на двух широких гранях. Это позволит сохранить симметрию потоков в плоскости, параллельной узким граням, и избежать возникновения разнотолщинности корочки по широким граням; - выбора оптимального зазора между вершинами ребер. Это расстояние составляет: где - расстояние между вершинами ребер; - размер узкой стенки кристаллизатора. Выбор данного зазора объясняется нахождением оптимума между толщиной реза и сохранением общей циркуляции металла в объеме сляба. В результате теплотехнических и гидродинамических расчетов, а также проведения плавок на модельных и натурных установках и был выбран данный размер, причем меньший размер характерен для больших размеров кристаллизаторов, а больший - для меньших; - выбора геометрии поверхности ребер, играющей ведущую роль в получении гарантированного качества заготовки. Основываясь на данных теплофизических расчетов и опытах на водяных моделях было определена, что наиболее оптимальной кривой, описывающей форму вершинной части (10) поверхности ребра (11) в сечении, параллельном мениску, является парабола (см. выше) (фиг.3). Величина коэффициента зависит от размера кристаллизатора, для кристаллизаторов больших размеров оптимален коэффициент, равный 0,009 0,01, для малых - 0,007 - 0,0075. При выборе данной линии, описывающей поверхность, удалось достичь (по результатам экспериментов) наименьшей разнотолщинности корочки слитка на поверхности ребра (5 - 8%) и наименьшего градиента температур от вершины до основания ребра. Соотношение большего (12) и малого (13) оснований трапецеидального параллелограмма диктуется конкретной формой кривой, описывающей поверхность вершинной части. Выбор сложной геометрической формы реберв продольном сечении по их высоте вызван различной закономерностью усадки у основания и у вершин ребер. В результате теоретических выкладок и натурных экспериментов было определено наиболее рациональное соотношение длин трапецеидальных частей ребер у мениска металла и у нижнего среза кристаллизатора. Соотношение длин большего основания трапеций (6) и (7) равно 0,90 - 0,92, а меньшего - 1,06 - 1,08 (8 и 9) соответственно (фиг.2). Это позволило добиться максимально возможной идентичности газового зазора по всей поверхности ребра на любом выбранном горизонте, до минимума снизить термические напряжения в корочке слитка. На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства; на фиг.2 - общий вид ребра; на фиг.3 - поперечное сечение ребра. Устройство состоит из кристаллизатора с широкими (1) и узкими (2) гранями и расположенных вдоль широких граней вертикальных ребер (3) с водоохлаждаемыми отверстиями (4) и системы вторичного охлаждения (5) (фиг.1). Пример. Разливка стали 09Г2С осуществляется на двухр учьевой слябовой МНЛЗ криволинейного типа в кристаллизатор сечением 300 ´ 1850мм. Скорость разливки составляет 0,7м/мин, температура металла в промковше 1530°C. Расстояние между вершинами ребер составляет 60мм, расстояние от ужимины до места подвода металла - 300мм. Режим охлаждения ребер аналогичен режиму охлаждения кристаллизатора. В первоначальный момент разливки работает 9 секций вторичного охлаждения. Режимы подачи воды по малому радиусу сляба от начала до конца разливки представлены в табл.1. В результате асимметричного вторичного охлаждения в данном случае экономия расхода воды составляет порядка 20% при существенном улучшении качества литой заготовки. Выбор оптимального расстояния от вершины ужимины до места подвода металла поясняется табл.2. По предлагаемому способу с использованием заявляемого устройства была отлита серия плавок стали марки 09Г2С. В результате исследования макроструктуры литого металла установлено снижение ширины зоны столбчатых дендритов, отсутствие расслоя и трещин, ярко выраженной осевой ликвации. В пробах от швеллера, квадрата и шахтной стойки обнаружено мелкодендритное строение. Изучение механических свойств проката показало, что для квадрата получено превышение уровня механических свойств над требованиями ГОСТа в среднем на 17%. Для швеллера уровень прочностных свойств превышает требования ГОСТа на 20%, пластичности на 40%, вязкостные характеристики выросли в 5 - 8 раз. Аналогичные результаты получены и для шахтной стойки. Применение данного способа и устройства позволяет получить сортовой прокат различного профиля повышенного качества из слябовой заготовки с одновременным снижением расхода воды на ее охлаждение.