Введение
Процесс затвердевания расплавленного металла
Непрерывное литье, также называемое литьем в полову, – это процесс, при котором расплавленный металл затвердевает в "заготовку" (полуфабрикат) для последующей прокатки на отделочных станах. До внедрения непрерывного литья в 1950-х годах сталь заливали в стационарные формы для получения слитков. С тех пор "непрерывное литье" развивалось для повышения выхода годного, качества, производительности и экономической эффективности. Оно позволяет снизить себестоимость производства металлических профилей с улучшенными характеристиками благодаря изначально более низким затратам на непрерывное, стандартизированное производство, а также обеспечивает более точный контроль над процессом за счет автоматизации. Этот процесс наиболее часто используется для литья стали (в тоннаже). Алюминий и медь также подвергаются непрерывному литью. Сэр Генри Бессемер, прославившийся конвертером Бессемера, получил патент в 1857 году на литье металла между двумя встречно вращающимися валками. Основной принцип этой системы недавно был реализован при производстве стальной ленты.
Загрязнение кислородом
Хотя значительная автоматизация помогает производить отливки без усадки и с минимальной сегрегацией, непрерывная разливка бесполезна, если металл не очищен предварительно или загрязняется в процессе литья. Один из основных способов загрязнения расплавленного металла – окисление, которое протекает быстро при температурах расплава (до 1700 °C для стали); также могут присутствовать включения газа, шлака или нерастворившихся сплавов. Для предотвращения окисления металл максимально изолируется от атмосферы. Для этого открытые поверхности жидкого металла покрываются защитными кожухами, а в случае ковша, промежуточной емкости и формы – синтетическим шлаком. В промежуточной емкости любые включения, менее плотные, чем жидкий металл – пузырьки газа, другой шлак или оксиды, или нерастворившиеся сплавы – могут также всплывать на поверхность и задерживаться в слое шлака. При первом заполнении промежуточной емкости и формы в начале разливки жидкость сильно загрязнена кислородом, и первые полученные изделия обычно отправляются на карантин или поставляются потребителям, не предъявляющим высоких требований к качеству. Восходящая разливка решает эту проблему, формируя непрерывный продукт из металлического (например, медного или серебряного) зародыша (например, металлического стержня).
Прорывы
Основная проблема, возникающая при непрерывном литье, – это прорыв жидкого металла: по какой-либо причине твердая оболочка слитка разрушается, позволяя находящемуся внутри еще расплавленному металлу вылиться и привести к загрязнению оборудования. В большинстве промышленных условий это событие обходится очень дорого, поскольку приводит к остановке слитка и, как правило, требует длительного простоя, связанного с удалением вытекшего металла из оборудования слитка и/или заменой поврежденных машин. Прорыв обычно происходит из-за недостаточной толщины стенки оболочки для поддержания столба жидкого металла над ней – состояния, имеющего несколько первопричин, часто связанных с тепловым режимом. Недостаточный поток охлаждающей воды в кристаллизатор или на охлаждающие распылители может привести к неэффективному отводу тепла от затвердевающегося металла, что замедляет утолщение твердой оболочки. Если скорость вытяжки металла слишком велика, оболочка может не успеть затвердеть до необходимой толщины даже при использовании усиленного охлаждения распылителями. Кроме того, поступающий жидкий металл может быть перегрет, и окончательное затвердевание может произойти ниже по слитку, чем ожидалось; если эта точка находится ниже выпрямляющих роликов, оболочка может разрушиться под действием напряжений при выпрямлении. Прорыв также может произойти из-за физических дефектов или повреждений оболочки, возникающих в кристаллизаторе в первые секунды затвердевания. Избыточная турбулентность внутри кристаллизатора может привести к образованию неровного рисунка оболочки, который растет аномально, или к захвату капель шлака внутри оболочки, что снижает прочность стенки. Часто оболочка прилипает к поверхности кристаллизатора и разрывается; современные оснащенные датчиками кристаллизаторы и компьютерные системы управления обычно обнаруживают это и временно замедляют машину, чтобы позволить стенке переохладиться и восстановиться, пока она поддерживается в кристаллизаторе. Если разрыв происходит вблизи выхода из кристаллизатора или имеет неожиданно большую величину, оболочка все равно может разрушиться после выхода из стенок кристаллизатора. Если поступающий металл сильно перегрет, может быть предпочтительнее остановить машину, чем рисковать прорывом. Кроме того, загрязнение металла свинцом (вызванное противовесами или свинцово-кислотными аккумуляторами в исходной стальной шихте) может образовывать тонкую пленку между стенкой кристаллизатора и сталью, препятствуя отводу тепла и росту оболочки, что увеличивает риск прорывов.
Другие соображения
Другая проблема, которая может возникнуть, – это углеродное кипение. Растворенный в стали кислород реагирует с присутствующим углеродом, образуя пузырьки монооксида углерода. Как следует из названия, эта реакция чрезвычайно быстрая и бурная, генерирует большое количество горячего газа и особенно опасна, если происходит в замкнутых пространствах разливочной машины. Кислород можно удалить, "дегазируя" сталь путем добавления кремния или алюминия, которые вступают в реакцию с образованием оксида кремния (кремнезема) или оксида алюминия (глинозема). Однако избыток глинозема в стали может забивать изливочные сопла и приводить к прекращению подачи стали. Методы вычислительной гидродинамики и другие техники анализа потоков жидкости широко используются при проектировании новых установок непрерывной разливки, особенно в промежуточном ковше, для обеспечения удаления включений и турбулентности из жидкого металла, при этом гарантируя, что весь металл достигает кристаллизатора до того, как он слишком остынет. Незначительные корректировки условий потока в промежуточном ковше или кристаллизаторе могут существенно повлиять на процент брака готовой продукции.
Стартерная панель
Стартерная планка, также называемая макетной планкой, имеет свободный конец, который является гибким для хранения, и существенно жесткий конец, который закрывает форму. Стартерная планка состоит из отдельных блоков, закрепленных на одной стороне плоского хребта, выполненного в виде сегментов и расположенных торец в торец. Регулируемые прокладки в виде конических блоков расположены между блоками планки, что позволяет стартерной планке быть самонесущей в изогнутой конфигурации, соответствующей траектории разливки. Более гибкий хребет в концевой части стартерной планки позволяет изгибать планку по радиусу меньше, чем радиус траектории разливки, при этом блоки расходятся в неподдерживаемой конфигурации. Предусмотрен упор для хранения, поддерживающий гибкий конец в сложенном положении. Перед началом разливки стартерные планки подаются через разливочный ковш (в направлении, обратном процессу разливки) с помощью гидравлических приводов. После того, как планки достигнут дна формы, процесс уплотнения формы может продолжаться для обеспечения плавного запуска.
Прямое литье ленты
Прямое литье в полосы — это непрерывный процесс литья, позволяющий получать металлический лист непосредственно из расплава, что минимизирует потребность в значительной вторичной обработке. Для низкоуглеродистых листовых сталей это относительно новый процесс, который достиг коммерческого успеха лишь с начала 2000-х годов.