Непрерывное литье , также называемое литьем в непрерывную заготовку , представляет собой процесс, при котором расплавленный металл затвердевает в «полуфабрикатную» заготовку , блюм или сляб для последующей прокатки на чистовых станах. До внедрения непрерывного литья в 1950-х годах сталь заливалась в стационарные формы для формирования слитков . С тех пор «непрерывное литье» развивалось для достижения улучшенного выхода, качества, производительности и экономической эффективности. Оно позволяет производить металлические профили с более низкой себестоимостью и лучшим качеством из-за изначально более низких затрат на непрерывное стандартизированное производство продукта, а также обеспечивает повышенный контроль над процессом за счет автоматизации. Этот процесс чаще всего используется для литья стали (с точки зрения тоннажа литья). Алюминий и медь также непрерывно льются.
Сэр Генри Бессемер , известный своими конвертерами Бессемера , получил патент в 1857 году на литье металла между двумя вращающимися в противоположных направлениях роликами. Основная схема этой системы недавно была реализована сегодня при литье стальной полосы.
Расплавленный металл выливается в ковш из печей. После прохождения всех обработок ковша, таких как легирование и дегазация, и достижения нужной температуры, ковш транспортируется на верхнюю часть литейной машины. Обычно ковш находится в гнезде на вращающейся башне литейной машины. Один ковш находится в положении «на литье» (подача в литейную машину), в то время как другой готовится в положении «вне литья» и переключается в положение литья, когда первый ковш пуст.
Из ковша горячий металл поступает через огнеупорный кожух (трубу) в ванну выдержки, называемую промежуточным ковшом . Промковш позволяет резервуару металла питать литейную машину, пока ковши переключаются, таким образом, выступая в качестве буфера горячего металла, а также сглаживая поток, регулируя подачу металла в формы и очищая металл (см. ниже).
Обычно используется одноразовая рабочая футеровка , известная как « доски разливочного ковша».
Металл сливается из разливочного устройства через другой кожух в верхнюю часть медной формы с открытым основанием . Глубина формы может составлять от 0,5 до 2 метров (от 20 до 79 дюймов) в зависимости от скорости литья и размера сечения. Форма охлаждается водой для затвердевания горячего металла непосредственно при контакте с ней; это основной процесс охлаждения . Она также колеблется вертикально (или по почти вертикальной изогнутой траектории), чтобы предотвратить прилипание металла к стенкам формы. Смазка (либо порошки, которые плавятся при контакте с металлом, либо жидкости) добавляется к металлу в форме для предотвращения прилипания и для улавливания любых частиц шлака, включая частицы оксидов или окалины, которые могут присутствовать в металле, и выведения их на поверхность ванны для образования плавающего слоя шлака. Кожух устанавливается таким образом, чтобы горячий металл выходил из него ниже поверхности слоя шлака в форме, и поэтому называется погружным входным соплом (SEN). В некоторых случаях кожухи между промежуточным ковшом и кристаллизатором не используются (литье «открытой заливки»); в этом случае сменные дозирующие сопла в основании промежуточного ковша направляют металл в кристаллизаторы. Некоторые схемы непрерывного литья питают несколько кристаллизаторов из одного и того же промежуточного ковша.
В форме тонкая оболочка металла рядом со стенками формы затвердевает до центра, а затем отформованный металл, теперь называемый струей, выходит из основания формы в распылительную камеру. Основная часть металла внутри стенок струи все еще расплавлена. Струя немедленно поддерживается близко расположенными, охлаждаемыми водой роликами, которые поддерживают стенки струи против ферростатического давления (сравните гидростатическое давление ) все еще затвердевающей жидкости внутри струи. Чтобы увеличить скорость затвердевания, струя опрыскивается большим количеством воды, когда она проходит через распылительную камеру; это процесс вторичного охлаждения . Окончательное затвердевание струи может иметь место после того, как струя вышла из распылительной камеры.
Именно здесь конструкция машин непрерывного литья может различаться. Это описывает литейную машину с «изогнутым фартуком»; также используются вертикальные конфигурации. В литейной машине с изогнутым фартуком ручей выходит из формы вертикально (или по почти вертикальной изогнутой траектории) и по мере того, как он проходит через распылительную камеру, ролики постепенно изгибают ручей к горизонтали. В вертикальной литейной машине ручей остается вертикальным, проходя через распылительную камеру. Формы в литейной машине с изогнутым фартуком могут быть прямыми или изогнутыми, в зависимости от базовой конструкции машины.
В настоящей горизонтальной литейной машине ось кристаллизатора горизонтальна, а поток стали горизонтален от жидкого состояния к тонкослойному и твердому (без изгиба). В этом типе машины для предотвращения застревания в кристаллизаторе используется либо колебание ручья, либо кристаллизатора.
После выхода из распылительной камеры стренга проходит через правильные валки (если она отлита не на вертикальной машине) и тянущие валки. После стренги может быть предусмотрена горячая прокатная клеть, чтобы использовать горячее состояние металла для предварительной формовки окончательной стренги. Наконец, стренга разрезается на заданные длины механическими ножницами или передвижными кислородно-ацетиленовыми горелками, маркируется для идентификации и отправляется либо на склад, либо на следующий процесс формовки.
Во многих случаях ленту можно продолжить через дополнительные ролики и другие механизмы, которые могут сплющивать, прокатывать или выдавливать металл до его окончательной формы.
Разработки, проведенные с середины 1980-х годов, привели к уменьшению толщины отливаемых заготовок, первоначально до стержней толщиной около 50 мм, также называемых тонкими слябами [1] , а затем, совсем недавно, до тонких полос толщиной 2 мм. [2]
Алюминий и медь можно отливать горизонтально, и их легче отливать в форму , близкую к заданной, особенно в полосу, благодаря их более низким температурам плавления.
Запуск машины непрерывной разливки подразумевает размещение затравки (по сути, изогнутой металлической балки) через распылительную камеру, чтобы закрыть основание формы. Металл заливается в форму и извлекается вместе с затравкой после затвердевания. Крайне важно, чтобы последующая подача металла была гарантирована, чтобы избежать ненужных остановок и перезапусков, известных как «перевороты». Каждый раз, когда литейная машина останавливается и перезапускается, требуется новый промежуточный ковш, так как любой неотлитый металл в промежуточном ковше не может быть слит и вместо этого замерзает в «череп». Чтобы избежать переворотов, плавильный цех, включая ковшовые печи (если таковые имеются), должен строго контролировать температуру металла, которая может существенно меняться в зависимости от легирующих добавок, шлакового покрытия и удаления шлака, а также предварительного нагрева ковша перед приемом металла, среди прочих параметров. Однако скорость литья может быть снижена за счет уменьшения количества металла в промежуточном ковше (хотя это может увеличить износ промежуточного ковша), или если у литейной машины несколько ручьев, один или несколько ручьев могут быть остановлены для компенсации задержек на входе. Перевороты могут быть запланированы в производственной последовательности, если температура промежуточного ковша становится слишком высокой после определенного количества плавок или истекает срок службы несменного компонента (например, погружного входного сопла (SEN) в тонкослитковой литейной машине).
Многие операции непрерывного литья теперь полностью контролируются компьютером. Несколько электромагнитных, тепловых или радиационных датчиков на кожухе ковша, промежуточном ковше и кристаллизаторе определяют уровень или вес металла, расход и температуру горячего металла, а программируемый логический контроллер (ПЛК) может устанавливать скорость вытягивания слитка посредством управления скоростью вытягивающих роликов. Поток металла в кристаллизаторы можно контролировать тремя способами:
Общую скорость литья можно регулировать, изменяя количество металла в промежуточном ковше с помощью шиберного затвора ковша. ПЛК также может устанавливать скорость колебания кристаллизатора и скорость подачи порошка в кристаллизатор, а также поток воды в охлаждающих распылителях внутри ручья. Компьютерное управление также позволяет передавать важные данные о литье в другие производственные центры (в частности, сталеплавильные печи), что позволяет регулировать их рабочие скорости, чтобы избежать «перелива» или «недолива» продукта.
В то время как большое количество автоматизации позволяет производить отливки без усадки и с небольшой сегрегацией, непрерывное литье бесполезно, если металл не был очищен заранее или стал «грязным» в процессе литья. Одним из основных методов, посредством которых горячий металл может стать грязным, является окисление, которое происходит быстро при температурах расплавленного металла (до 1700 °C для стали); также могут присутствовать включения газа, шлака или нерастворенных сплавов. Чтобы предотвратить окисление, металл максимально изолируется от атмосферы. Для достижения этого открытые поверхности жидкого металла покрываются — кожухами или, в случае ковша, промежуточного ковша и кристаллизатора, синтетическим шлаком . В промежуточном ковше любые включения, которые менее плотны, чем жидкий металл — пузырьки газа, другие шлаки или оксиды или нерастворенные сплавы — также могут всплывать на поверхность и задерживаться в слое шлака. При первом заполнении промежуточного ковша и формы в начале литейного цикла жидкость сильно загрязнена кислородом, и первые произведенные изделия, как правило, отправляются на карантин или перенаправляются заказчикам, которым не требуется высококачественный материал.
Литье под давлением решает эту проблему путем формирования непрерывного продукта из металлической (например, медной или серебряной) затравки (например, металлического стержня). [4] [5]
Основная проблема, которая может возникнуть при непрерывном литье, — это прорыв жидкого металла: по какой-либо причине твердая оболочка ручья разрывается и позволяет все еще расплавленному металлу, содержащемуся внутри, выливаться и загрязнять машину. В большинстве промышленных сред это событие очень дорогостоящее, поскольку приводит к остановке ручья и, как правило, требует длительного ремонта, включающего удаление пролитого материала из оборудования ручья и/или замену поврежденного оборудования. Прорыв обычно происходит из-за того, что стенка оболочки слишком тонка, чтобы поддерживать столб жидкости над ней, состояние, которое имеет несколько основных причин, часто связанных с управлением теплом. [6] Неправильный поток охлаждающей воды в форму или распылители охлаждения ручья может привести к недостаточному отводу тепла от затвердевающего металла, в результате чего твердая оболочка будет загустевать слишком медленно. Если скорость извлечения металла слишком высокая, оболочка может не успеть затвердеть до требуемой толщины даже при усиленных распылителях охлаждения. Аналогичным образом, поступающий жидкий металл может быть слишком горячим, и окончательное затвердевание может произойти дальше по ручью в более поздней точке, чем ожидалось; если эта точка находится ниже выпрямляющих роликов, оболочка может сломаться от напряжений, приложенных во время выпрямления. Прорыв также может произойти в результате физических неровностей или повреждения оболочки, происходящих внутри формы в течение первых секунд затвердевания. Чрезмерная турбулентность внутри формы может привести к нерегулярному рисунку оболочки, который растет ненормально, или может захватить капли шлака внутри оболочки, что снижает прочность стенки. [7] Обычным явлением является прилипание оболочки к поверхности формы и разрыв; современные инструментальные формы и компьютерные системы управления обычно обнаруживают это и временно замедляют литейщик, чтобы дать стенке снова застыть и зажить, пока она все еще поддерживается в форме. [8] Если разрыв произойдет вблизи выхода из формы или будет неожиданно серьезным, оболочка все равно может разрушиться в результате прорыва, как только она выйдет из стенки формы. Если входящий металл сильно перегрет, может быть предпочтительнее остановить литейщика, чем рисковать прорывом. Кроме того, загрязнение металла свинцом (вызванное противовесами или свинцово-кислотными аккумуляторами в начальной загрузке стали) может привести к образованию тонкой пленки между стенкой формы и сталью, что препятствует отводу тепла и образованию корки, а также увеличивает риск прорывов.
Другая проблема, которая может возникнуть, — это углеродное кипение — кислород, растворенный в стали, реагирует с также присутствующим углеродом , образуя пузырьки оксида углерода . Как следует из термина «кипение» , эта реакция чрезвычайно быстрая и бурная, генерируя большое количество горячего газа, и особенно опасна, если она происходит в замкнутом пространстве литейной машины. Кислород можно удалить, «убив» его путем добавления кремния или алюминия в сталь, который реагирует с образованием оксида кремния (кремнезема) или оксида алюминия (глинозема). Однако слишком большое количество глинозема в стали забьет литейные сопла и приведет к «запиранию» стали.
Вычислительная гидродинамика и другие методы потока жидкости широко используются при проектировании новых операций непрерывного литья, особенно в промежуточном ковше, чтобы гарантировать, что включения и турбулентность удаляются из горячего металла, но при этом весь металл достигает формы до того, как он слишком сильно остынет. Небольшие корректировки условий потока в промежуточном ковше или форме могут означать разницу между высокими и низкими показателями отбраковки продукта.
Стартовый стержень, также называемый фиктивным стержнем, имеет свободную концевую часть, которая является гибкой для хранения, и существенно жесткую часть на конце, которая закрывает форму. Стартовый стержень сконструирован из дискретных блоков, закрепленных на одной стороне плоского стержня, представленного в сегментах и расположенного встык. Регулируемые распорки в виде конических блоков расположены между блоками стержня, чтобы позволить стартовому стержню быть самоподдерживающимся в изогнутой конфигурации, соответствующей пути литья. Более гибкий стержень в конечной части стартового стержня позволяет стартовому стержню изгибаться до более узкого радиуса, чем радиус пути литья, в то время как блоки расходятся веером в неподдерживаемой конфигурации. Для поддержки гибкого конца в положении хранения предусмотрен пандус для хранения. Перед началом литья стартовые стержни подаются через литейную машину (в обратном направлении литья) с помощью гидравлических приводов. После подачи до самого дна формы процесс упаковки формы может продолжаться, обеспечивая плавный запуск.
Прямое литье полосы — это процесс непрерывного литья для производства металлического листа непосредственно из расплавленного состояния, который сводит к минимуму необходимость существенной вторичной обработки. Для низкоуглеродистых листовых сталей это относительно новый процесс, который достиг коммерческого успеха только с начала 2000-х годов. [9] [10]
Двухленточная непрерывная разливка — это процесс непрерывного литья, который производит непрерывный металлический пруток или полосу постоянного прямоугольного сечения. Двухленточная непрерывная разливка использует подвижную форму, состоящую из параллельных лент из углеродистой стали, удерживаемых в натяжении в качестве верхней и нижней поверхностей литья. Цепи прямоугольных стальных или медных блоков, движущихся вместе с лентами и расположенных в соответствии с желаемой шириной литья, образуют боковые стороны формы.
Расплавленный металл вводится в двухленточную машину непрерывного литья из промежуточного ковша через сопло, расположенное между литейными лентами. Металл охлаждается путем прямого контакта с лентами, которые в свою очередь охлаждаются рециркулирующей водой высокого давления. На литейные поверхности ленты могут быть нанесены различные покрытия для обеспечения требуемых характеристик интерфейса формы и предотвращения адгезии.
Литой металл из двухленточной машины непрерывного литья синхронизируется с горячей прокатной клетью и напрямую подается в нее. Объединение операций литья и прокатки может привести к значительной экономии энергии и затрат по сравнению с другими процессами литья, включающими промежуточные этапы литья и повторного нагрева.
Металлы, отлитые на двухленточных машинах непрерывного литья заготовок: медь (пруток, полоса, анод ), алюминий (полоса), цинк (полоса), свинец (полоса)
Производительность и скорость: производительность двухленточной непрерывной разливки достигает 60 тонн в час при скорости до 14 метров в минуту.
Двухленточная непрерывная разливка — это процесс литья с близкой к чистой форме формой , что значительно снижает потребность во вторичной прокатке или формовке. Например, при литье медной анодной пластины литой сляб не прокатывается, а режется непосредственно на отдельные анодные пластины.
Охлаждающие ремни обычно изготавливаются из низкоуглеродистой стали и удерживаются под натяжением внутри литейной машины для обеспечения плоскостности и точности. Когда «холодный» ремень входит в область формы, он нагревается в зоне литья и подвергается воздействию мощных сил, вызванных тепловым расширением . При литье широкой полосы эти силы необходимо контролировать, чтобы исключить коробление и уменьшить тепловую деформацию ремня на входе в форму. Эти силы можно контролировать путем предварительного нагрева ремней перед входом в форму или путем их магнитной стабилизации после входа в форму.
Предварительный нагрев ленты : для литья широкой полосы можно использовать систему предварительного нагрева ленты, чтобы довести ленту до 150 °C или выше непосредственно перед подачей в литейную форму, что снижает эффект холодного каркаса. Индукционные нагревательные катушки могут использоваться по всей ширине для предварительного нагрева каждой ленты. Помимо предотвращения тепловой деформации, высокая температура предварительного нагрева служит для устранения любой влаги, присутствующей на поверхности ленты.
Магнитная стабилизация: При литье широкой полосы тенденция к локализованной тепловой деформации может быть предотвращена за счет использования высокопрочных магнитных опорных роликов ленты в области кристаллизатора. Движущаяся лента удерживается на опорных роликах с помощью намагниченных вращающихся ребер, удерживающих ленту в плоской плоскости.
В двухленточной машине непрерывного литья расплавленный металл постепенно затвердевает на поверхностях формы по мере его перемещения через область формы, при этом между затвердевающими внешними поверхностями находится отстойник расплавленного металла. Покрытия ленты, текстура и модификации газового слоя используются для точной настройки скорости теплопередачи от литого металла к ленте. Затвердевание на всю толщину может происходить уже на 30% пути через форму для тонкой полосы или до 2 м за выходом из формы для большого прутка, где требуется охлаждение распылением воды на выходе и поддержка роликов.
Закрытая подача в ванну: при литье некоторых металлов, таких как алюминий, может использоваться полностью закрытая система подачи металла «впрыскиванием». Здесь металл вводится под небольшим давлением в закрытую полость формы. Поток металла контролируется путем поддержания заданного уровня в промежуточном ковше. Подающий носик, или сопло, обычно изготавливается из керамического материала, который является термически стабильным и проницаемым для газов, выделяющихся из текущего металла.
Открытая подача ванны: при литье других металлов, таких как медь, цинк и свинец, часто используется система открытой подачи ванны. В этом случае верхний шкив ремня смещен вниз по потоку от нижнего шкива. Металл течет через открытый желоб или промежуточный ковш в стоячую ванну расплавленного металла, образованную в месте схождения ремней. Для защиты от окисления могут использоваться окутывающие газы.
Сужение формы: Двухленточная литейная машина отличается от других литейных машин с подвижными формами тем, что все четыре поверхности формы независимы. Это позволяет поверхностям формы сужаться, чтобы оставаться в контакте с отлитым изделием по мере его усадки. Высокоскоростная охлаждающая вода, которая непрерывно подается на заднюю сторону ленты, ударяется о ленту и создает усилие на ленте. Эта сила действует, прижимая ленту к поверхности полосы или сляба по мере ее усадки, удерживая ленту в тесном контакте с отлитым изделием по всей форме. Каждая сторона формы образована бесконечной цепью блоков-плотин, которые удерживаются на литой полосе регулируемыми подпружиненными направляющими.
Контроль уровня расплавленного металла: для обеспечения высоких скоростей литья и поддержания максимально высокого уровня расплавленного металла можно использовать бесконтактные электромагнитные индикаторы уровня металла для определения уровня расплавленного металла в литейной машине.
Литье алюминиевой или медной полосы: Коммерческие двухленточные машины непрерывного литья полосы способны производить литые размеры толщиной от 10 до 35 мм и шириной до 2035 мм. После прямой подачи в стан горячей прокатки литая полоса обычно прокатывается до толщины 1–3 мм.
Литье медного прутка: литые размеры варьируются от 35 до 75 мм в толщину и от 50 до 150 мм в ширину. После прямой подачи в стан горячей прокатки литой пруток обычно прокатывается в пруток диаметром 8 мм для использования в волочении проволоки.
Литье медных анодов: Специальные блоки плотины, которые содержат формы для анодных выступов и подвижные гидравлические ножницы, добавляются к двухленточной литейной машине для непрерывной отливки медных анодов чистой формы. Ширина анода составляет около 1 метра (без выступов) и толщина от 16 мм до 45 мм. Основным преимуществом этого процесса является однородность литого анода по размеру и качеству поверхности. Аноды, отлитые с использованием этого процесса, не требуют дополнительной подготовки после литья.
Длина формы : Длина формы составляет приблизительно от 2000 мм для машин литья полосы и до 3700 мм для машин литья медных прутков.
