Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом МНЛЗ, так как в нем происходит формирование непрерывного слитка.
Основное назначение кристаллизатора - это формообразование слитка и отвод от кристаллизующейся стали такого количества тепла, которое обеспечивает условия для непрерывного формирования твердой оболочки слитка достаточной толщины и прочности, чтобы она не разрушалась под действием трения и ферростатического давления на выходе из кристаллизатора. Тепловая работа кристаллизатора в значительной мере определяет качество непрерывнолитой заготовки.
Для обеспечения высокой интенсивности теплоотвода применяют кристаллизаторы с водяным охлаждением. При промышленном использовании конструкция кристаллизатора должна обеспечить высокое качество непрерывных слитков из сталей многих марок; необходимую скорость вытягивания слитка; стабильность и надежность процесса непрерывной разливки; высокую стойкость, обеспечивающую рентабельную работу всей установки; безопасность работы.
Пример конструкции кристаллизатора представлен на рис. 4. Кристаллизатор представляет собой жесткую конструкцию, состоящую из внутренних рабочих пластин (1) и внешнего корпуса (2). В стенах кристаллизатора имеются каналы (3) - для протекания охлаждающей воды.
Рис. 4. Кристаллизатор криволинейной МНЛЗ
По принципу работы различают кристаллизаторы стационарные (неподвижные) и подвижные со специальным механизмом качания. Неподвижные кристаллизаторы и на пружинах применялись ранее для малых сечений и низких скоростей. В последнее время для разливки слитков крупных сечений и при сравнительно высоких скоростях разливки применяются кристаллизаторы с возвратно-поступательным движением (качанием), улучшающим скольжение слитка.
Во время разливки кристаллизатору придается возвратно-поступательное движение с шагом 10-50 мм, с частотой качаний 100 в мин. Режимы качания могут быть синусоидальными, поступательными с движением вниз со скоростью вытягивания слитка, вверх - со скоростью, в 3 раза большей и др.
Возвратно-поступательное движение кристаллизатора способствует увеличению скорости затвердевания, особенно в верхней части.
По мере развития способов и технологии непрерывной разливки конструкции кристаллизаторов неоднократно изменялись и совершенствовались.
В зависимости от способов изготовления в настоящее время при непрерывной разливке стали применяются сборный, составной кристаллизатор, рабочие стенки которого выполнены из отдельных плит; блочный кристаллизатор, состоящий из монолитного материала, в котором выполнена рабочая полость; гильзовый кристаллизатор, рабочие стенки которого выполнены из цельной медной гильзы; а также другие типы конструкций (например, в наклонных установках конвейерного типа применяют литье между лентами конвейера и т.д.).
Раньше часто использовались сварные конструкции кристаллизаторов, а в настоящее время применяются преимущественно сборные, которые значительно облегчают монтаж и смену деталей.
По опыту эксплуатации и особенностям тепловой работы можно выделить следующие типы кристаллизаторов:
тонкостенные сборные с прямоугольными каналами для циркуляции воды, частным случаем этого типа являются гильзовые кристаллизаторы;
толстостенные сборные со сверленными цилиндрическими каналами;
блочные толстостенные со сверленными цилиндрическими каналами;
гильзовые кристаллизаторы.
Тонкостенные сборные кристаллизаторы первого типа широко применяются у нас в стране и за рубежом. Кристаллизатор собирается из четырех отдельных стенок, каждая из которых состоит из рабочей медной и опорной стальной (или чугунной) плит, соединенных между собой шпильками. Толщина рабочей медной плиты изменяется в пределах 10-25 мм. Щелевые каналы прямоугольного сечения для прохода охлаждающей воды выполняются или в медных рабочих пластинах или в стальном корпусе (рис. 5а); толщина каналов 5 мм. Стенки кристаллизатора либо собираются в особом корпусе, либо соединяются между собой с помощью специальных стяжек и болтов. Кристаллизаторы этого типа находят широкое применение для сортовых отливок.
Рис. 5. Схемы каналов в стенках кристаллизаторов: а - тонкостенный кристаллизатор с прямоугольными каналами; б - толстостенный кристаллизатор со сверленными цилиндрическими каналами
Тонкостенные кристаллизаторы обладают высоким теплоотбором от слитка, простотой изготовления и невысоким расходом меди на 1 т разливаемой стали. Медные пластины являются сменными, заменяются после 2-3 прострожек, а остальные детали используются длительное время.
К недостаткам тонкостенных кристаллизаторов можно отнести невысокую стойкость из-за сравнительно быстрого истирания углов, нарушения плотности сочленения стенок в углах, сложность сборки.
Толстостенные сборные кристаллизаторы изготавливают из четырех отдельных стенок или из двух гнутых П-образных половин, жестко соединяемых по узким гранями и со стальным корпусом. Толщина медных стенок составляет 50-60 мм, сверленные каналы диаметром 20 мм выполняются вертикально вдоль стен с шагом 45 мм (рис. 56). Расстояние водоохлаждаемого канала до рабочей поверхности составляет 15-20 мм.
Толстостенные кристаллизаторы со сверлеными каналами для охлаждающей воды были разработаны и внедрены с целью снижения неравномерности теплоотвода от корочки в начальный момент затвердевания. Стойкость этих кристаллизаторов в 2 — 3 раза выше, чем тонкостенных. Исследования показали, что по теплоотбору оба эти типа кристаллизатора равноценны.
С увеличением скорости разливки возрастает искажение профиля слитка. Однако на опыте установлено, что кристаллизаторы с толстыми медными стенками, жестко скрепленными со стальным корпусом, обеспечивают наименьшую деформацию рабочей полости.
Основным недостатком толстостенных кристаллизаторов является повышенный расход меди, а также истирание углов и нарушение сплошности стыков в углах.
Блочные толстостенные кристаллизаторы иногда применяются для отливки сортовых заготовок. Они изготавливаются из цельного медного блока. Стойкость блочных кристаллизаторов не выше, чем сборных, а основными недостатками являются сложность изготовления и высокий расход меди. Блочные кристаллизаторы не находят широкого применения. Гильзовые кристаллизаторы до размера 200X200 мм имеют широкое применение.
Каждый из перечисленных типов кристаллизаторов имеет свою специфику и характерную область применения. Так, для плоских (прямоугольных) заготовок применяются, в основном, сборные кристаллизаторы. Для квадратных заготовок - сборные и цельные (блочные). Для отливки круглых заготовок применяются кристаллизаторы из цельнотянутых труб. В машинах криволинейного типа для отливки крупных слябов применяются, как правило, сборные толстостенные кристаллизаторы.
В зависимости от конструкций МНЛЗ различают прямолинейный (в основном, для вертикальных МНЛЗ) или радиальный (для радиальных и криволинейных машин) кристаллизаторы.
В радиальном кристаллизаторе медные плиты образуют внутреннюю рабочую полость, кривизна которой соответствует радиусу технологической оси МНЛЗ. Сверления для охлаждающей воды выполняются в медных плитах до их изгиба по заданному радиусу. Медные плиты, являющиеся узкими сторонами кристаллизатора, зажаты между листами, которые образуют широкие стороны.
Сортовые заготовки часто разливают в кристаллизаторы с параллельными стенками, иногда делают прямую конусность для уменьшения трения и улучшения качества поверхности. При разливке в крупные заготовки с толщиной 300 мм используют кристаллизаторы с обратной конусностью 1 %). При отливке крупных слитков с целью повышения эффективности работы нижней части кристаллизатора и предохранения от прорывов применяют сборные кристаллизаторы с поджатием узких граней. С этой же целью применяются кристаллизаторы с обратной конусностью.
В последнее время получают распространение кристаллизаторы с раздвижными стенками, где имеются возможности для быстрого изменения сечения кристаллизатора.
В конструкции кристаллизаторов предусматривается возможность изменения конусности. Внутренние размеры кристаллизатора соответствуют заданному сечению слитка. Форма сечения кристаллизатора в зависимости от требуемой заготовки может быть прямоугольной, квадратной, круглой, фасонной. Длина кристаллизатора зависит от сечения разливаемых слитков и в общем случае может изменяться от 300 до 1500 мм. Для заготовок мелких сечений иногда применяются кристаллизаторы длиной до 100 мм, при отливке заготовок крупных сечений у нас применяются кристаллизаторы длиной 1100-1200 мм. На зарубежных установках работают более короткие кристаллизаторы длиной 500-1000 мм.
Возможность применения коротких кристаллизаторов теоретически обосновывается тем, что корка должна затвердевать лишь такой толщины, которая обеспечит достаточную прочность оболочки слитка. Минимально допустимая толщина корочки на выходе из кристаллизатора в зависимости от сечения заготовки составляет 10-25 мм. Такую толщину корки можно получить при разливке через кристаллизатор длиной менее 1000 мм. Преимуществами таких кристаллизаторов являются простота изготовления и меньший расход меди.
Отечественные исследования и практический опыт эксплуатации современных МНЛЗ показал, что надежная и стабильная работа при удовлетворительном качестве может обеспечиваться с кристаллизатором длиной 800-1000 мм.
Но при возникновении зазора между слитком и стенкой кристаллизатора и неравномерном по периметру затвердевании слитка создается опасность прорывов.
На практике часто возникают осложнения при снижении уровня металла в кристаллизаторе и др., поэтому при работе с короткими кристаллизаторами необходимо строгое выполнение режима разливки.
Материал рабочих стенок кристаллизатора должен обладать прежде всего высокой теплопроводностью, а с другой стороны иметь достаточно высокие механические свойства для уменьшения износа. В большинстве случаев внутренние рабочие стенки кристаллизатора, непосредственно соприкасающиеся с жидкой сталью, изготавливают из красной меди, к чистоте которой предъявляют особые требования. Чем чище медь, тем выше ее теплопроводность, но ниже твердость, поэтому медные стенки сравнительно быстро истираются (изнашиваются). Следствием недостаточной твердости меди является также высокий коэффициент трения между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора.
За рубежом лучшие результаты получали на кристаллизаторах с покрытием из молибдена или чистых молибденовых пластин толщиной 10 мм.
Внешние стенки корпуса кристаллизатора представляют собой жесткую раму. Они изготавливаются из чугуна или стали для придания корпусу необходимой прочности и сохранения профиля. Поверхность рабочих стенок делается гладкой или рифленой.
С увеличением размера широкой грани возрастает абсолютная величина деформации оболочки слитка при усадке металла. Затрудненная усадка широкой грани вызывает появление в оболочке слитка значительных напряжений, которые при наличии местных концентраторов напряжений могут привести к возникновению продольных трещин. Уменьшения напряжений можно достичь путем рассредоточения деформации по многим малым участкам широкой грани, что достигается ее профилированием. Использование кристаллизаторов с профилированными (ребристыми, волнистыми, рифлеными) широкими стенками приводит к сокращению брака непрерывных слитков по продольным трещинам при условии соблюдения определенных соотношений между шагом и высотой применяющихся пилообразных, синусоидальных или параболических выступов профилированных стенок
Заключение
Количество испаряющегося растворителя зависит от конструкции кристаллизатора и режима его работы. В одних случаях оно очень мало и его можно не учитывать (например, в барабанных кристаллизаторах с водяным охлаждением), в других случаях оно уже значительно (например, в качающихся кристаллизаторах) и может быть очень существенным (например, в башенных кристаллизаторах). Оно особенно велико в вакуум-кристаллизаторах, в связи с чем, они иногда рассматриваются как особый тип аппаратов.
Аппараты для изогидрической кристаллизации можно подразделить на кристаллизаторы периодического действия, кристаллизаторы непрерывного действия и вакуум-кристаллизаторы.
Выбор той или иной конструкции зависит от многих факторов: общей технологической схемы производства, физико-химических свойств раствора, требуемой производительности и др. Поэтому ни об одной из рассматриваемых ниже конструкций нельзя говорить как об универсальной, поскольку у каждой из них свои преимущества и свои недостатки и каждая из них имеет свою область применения.
Список литературы
1) Басов Н.И., Любартович С.А., Любартович В.А., Виброформование полимеров, Л., 2009;
2) Вибрационные массообменные аппараты, М., 2015;
3) Вибрации в технике. Справочник, т. 4, под ред. Э.Э. Лавендела, М., 2011;
4) Варсанофьев В. Д., Кольман-Иванов Э. Э., Вибрационная техника в химической промышленности, М., 2001;
5) Дыхневский «Процессы и аппараты химических технологий».2013