RU2029656C1

RU2029656C1 - Billet continuous casting machine crystallizer

Info

Publication number: RU2029656C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Лоза
Original assignee: Мариупольский металлургический институт
Priority date: 1992-03-10
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: crystallizer has housing and working walls, which may be subjected to cooling. One of walls is made uncooled and lined for a length of at least 0.25 of effective length of crystallizer. Uncooled part of wall may be provided with heating members. EFFECT: increased efficiency and enhanced reliability in operation. 4 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к машинам непрерывного литья заготовок. The invention relates to metallurgy, and in particular to continuous casting machines.

Известен кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок, в котором при реализации процесса двухступенчатой разливки ввод дополнительных элементов в жидкую фазу формирующейся заготовки осуществляют подачей жидкого металла во второй кристаллизатор после кристаллизации металла в первом кристаллизаторе (патент Франции N 1296729, кл. В 22 В, 14.05.62). Недостатками указанного кристаллизатора являются сложность его конструкции, необходимость дополнительных заливочных устройств и неравномерность распределения дополнительно вводимых во второй кристаллизатор элементов по сечению образующейся заготовки. A known mold of a continuous casting machine, in which, when implementing a two-stage casting process, the introduction of additional elements into the liquid phase of the formed billet is carried out by feeding liquid metal to the second mold after crystallization of the metal in the first mold (French patent N 1296729, class B 22 V, 05/14/62 ) The disadvantages of this mold are the complexity of its design, the need for additional casting devices and the uneven distribution of additional elements introduced into the second mold over the cross section of the resulting billet.

Известен кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок [1], включающий корпус и охлаждаемые рабочие стенки. Known mold continuous casting machine [1], comprising a housing and cooled working walls.

Недостатками указанного кристаллизатора являются невозможность гибкого изменения технологии непрерывного литья, сложность введения дополнительных элементов (например, газообразного азота - при необходимости получения в металле нитридообразующих элементов либо элементов, имеющих высокое сродство к кислороду). Это сужает возможности технологического использования кристаллизаторов известных конструкций и ограничивает диапазон процесса непрерывного литья. The disadvantages of this mold are the impossibility of flexible changes in the technology of continuous casting, the difficulty of introducing additional elements (for example, gaseous nitrogen - if necessary, to obtain nitride-forming elements in the metal or elements having a high affinity for oxygen). This limits the technological use of molds of known designs and limits the range of the continuous casting process.

Целью изобретения является разработка конструкции кристаллизатора, обеспечивающего возможность расширения технологических параметров кристаллизатора, улучшение качества слитка за счет изменения условий его кристаллизации и ввода дополнительных элементов в рабочую полость кристаллизатора. The aim of the invention is to develop the design of the mold, providing the possibility of expanding the technological parameters of the mold, improving the quality of the ingot by changing the conditions of its crystallization and introducing additional elements into the working cavity of the mold.

Для этого в кристаллизаторе, включающем корпус и охлаждаемые рабочие стенки, одна из рабочих стенок кристаллизатора выполнена неохлаждаемой и футерованной на участке не менее 0,25 Н, где Н - рабочая длина кристаллизатора; при этом неохлаждаемый участок стенки кристаллизатора имеет нагревательные элементы. To this end, in the mold, including the housing and the cooled working walls, one of the working walls of the mold is made uncooled and lined in the area of at least 0.25 N, where H is the working length of the mold; wherein the uncooled portion of the mold wall has heating elements.

Известно, что в процессе непрерывного литья металлов на машинах непрерывного литья заготовок отвод теплоты от жидкого расплава в кристаллизаторе производится через внешние поверхности формирующегося слитка рабочими стенками. Это обуславливает протекание процесса кристаллизации расплава от внешней поверхности заготовки и ведет к быстрому образованию твердой оболочки. В то же время сердцевина слитка долгое время находится в жидком и жидкотвердом состояниях, что обуславливает ее пониженное качество и наличие внутренних дефектов, большинство из которых не устраняется на дальнейших переделах. Изменить условия кристаллизации и повысить качеcтво оcевой зоны при cовременном уровне технологий непрерывного литья не удается никакими методами. Введение целого ряда химических элементов в жидкий металл практически невозможно, поскольку они обладают высоким сродством к кислороду, что делает затруднительным их применение. В то же время значительные трудности возникают при подаче всех реагентов в жидкий расплав в кристаллизаторе, поскольку их необходимо подавать непосредственно в струю металла, так как поверхность металла покрыта слоем шлака. Существующие устройства для ввода химических реагентов, а также инокуляторов сложны по конструкции и громоздки по габаритам. It is known that in the process of continuous casting of metals on continuous casting machines, heat is removed from the molten liquid in the mold through the external surfaces of the formed ingot by the working walls. This causes the process of crystallization of the melt from the outer surface of the workpiece and leads to the rapid formation of a hard shell. At the same time, the core of the ingot has been in a liquid and liquid-solid state for a long time, which leads to its reduced quality and the presence of internal defects, most of which cannot be eliminated at further stages. It is not possible to change any crystallization conditions and improve the quality of the axial zone with the modern level of continuous casting technology by any methods. The introduction of a number of chemical elements in a liquid metal is practically impossible, since they have a high affinity for oxygen, which makes their use difficult. At the same time, significant difficulties arise when all reagents are fed into the liquid melt in the mold, since they must be fed directly into the metal stream, since the metal surface is covered with a slag layer. Existing devices for introducing chemical reagents, as well as inoculators, are complex in design and bulky in size.

В отличие от известных кристаллизаторов в заявляемом кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок одна из рабочих стенок кристаллизатора выполнена неохлаждаемой и футерованной на участке длиной не менее 0,25 Н. Это позволяет на указанном участке сохранить область металла в незакристаллизованном состоянии (жидком либо жидко-твердом, но обязательно - без твердой корки). Таким образом, на указанном участке рабочей стенки кристаллизатора создается возможность для введения необходимых химических реагентов в жидкий расплав. Кроме отсутствия охлаждения параметры рассматриваемого участка рабочей стенки кристаллизатора по своим характеристикам отличаются от остальной площади его рабочей поверхности. Материал может быть выбран из широкого спектра термостойких элементов. Это может быть либо пористый огнеупор, позволяющий вести продувку жидкого металла газообразным реагентом (например, продувку азотом для создания в теле слитка нитридообразующих элементов, или аргоном для удаления неметаллических включений из расплава и дегазации жидкого металла), либо керамический блок с металлическими вставками и системой подводящих каналов для ввода необходимых реагентов в жидкий расплав под давлением, либо графитовый блок с литником для подвода требуемых реагентов в жидком состоянии под собственным весом без создания внешнего давления и т.д. Указанные варианты ввода необходимых реагентов могут быть скомбинированы друг с другом для создания оптимальных условий для ввода реагентов, обеспечивающих получение слитка с требуемыми свойствами и структурой. Выбор материалов для неохлаждаемого участка рабочей стенки кристаллизатора определяется условиями технологического процесса литья, прежде всего химическим составом и температурой разливаемого металла или сплава. Это допускает применение материалов для рассматриваемого участка в достаточно широком диапазоне изменения их свойств и рабочих характеристик (могут быть использованы как металлы, так и неметаллы, причем и те, и другие выполняют функцию недопущения образования твердой фазы у неохлаждаемой стенки). In contrast to the known crystallizers in the inventive mold of the continuous casting machine, one of the working walls of the mold is made uncooled and lined in a section with a length of at least 0.25 N. This allows the region of the metal to remain in the uncrystallized state (liquid or liquid-solid, but necessarily - without hard crust). Thus, in the specified area of the working wall of the mold, it is possible to introduce the necessary chemicals into the liquid melt. In addition to the lack of cooling, the parameters of the considered section of the working wall of the mold differ in their characteristics from the rest of the area of its working surface. The material can be selected from a wide range of heat-resistant elements. This can be either a porous refractory that allows the liquid metal to be purged with a gaseous reagent (for example, nitrogen purge to create nitride-forming elements in the body of the ingot, or argon to remove non-metallic inclusions from the melt and degass the liquid metal), or a ceramic block with metal inserts and a lead system channels for introducing the necessary reagents into the liquid melt under pressure, or a graphite block with a gate for supplying the required reagents in the liquid state under its own weight without creating Nia external pressure, etc. The indicated input options for the necessary reagents can be combined with each other to create optimal conditions for the input of reagents, providing an ingot with the desired properties and structure. The choice of materials for the uncooled portion of the working wall of the mold is determined by the conditions of the casting process, primarily the chemical composition and temperature of the cast metal or alloy. This allows the use of materials for the considered area in a fairly wide range of changes in their properties and operating characteristics (both metals and non-metals can be used, both of which perform the function of preventing the formation of a solid phase near an uncooled wall).

Длина неохлаждаемого участка не менее 0,25 Н, где Н - рабочая длина кристаллизатора, определяется из следующих соображений. Конструкция кристаллизатора с неохлаждаемым участком предназначена для предотвращения преждевременного образования твердой фазы заготовки и обеспечения оптимальных условий ввода химических реагентов в жидкий расплав. Оптимальность условий ввода подразумевает по возможности наиболее равномерное распределение по объему кристаллизующегося слитка и наименьшую степень окисления элементов, имеющих высокое сродство к кислороду. Практика показывает, что наиболее распространенным методом подвода металла в кристаллизатор на современном уровне развития производства является подвод через погружной стакан (для защиты от вторичного окисления) с разделением струи на отдельные потоки, направленные под углом к стенкам кристаллизатора. The length of the uncooled section is not less than 0.25 N, where N is the working length of the mold, is determined from the following considerations. The design of the mold with an uncooled section is designed to prevent premature formation of the solid phase of the workpiece and ensure optimal conditions for the introduction of chemicals into the liquid melt. The optimality of the input conditions implies, as far as possible, the most uniform distribution over the volume of the crystallizing ingot and the lowest degree of oxidation of elements having a high affinity for oxygen. Practice shows that the most common method of supplying metal to the mold at the current level of production development is through a submersible nozzle (to protect against secondary oxidation) with the separation of the jet into separate streams directed at an angle to the walls of the mold.

Результаты экспериментов на моделях и расчеты гидродинамики движения жидкого расплава в результате поступления потоков новых порций металла и конвективного движения расплава показывают, что в кристаллизаторе на расстоянии а ≅ 0,25 Н от его входного сечения образуются устойчивые турбулентные потоки (фиг. 1), создающие циркуляцию металла с наибольшей интенсивностью, и перемешивание всех областей жидкой фазы поперечного сечения. В более удаленных от входного сечения кристаллизатора областях движение циркулирующих потоков и перемешивание металла ослабевает. Поэтому максимально эффективным с точки зрения получения равномерного распределения элементов и однородной структуры слитка было бы использование участка длины кристаллизатора 0,25 Н для введения химических реагентов в расплав. The results of experiments on models and calculations of the hydrodynamics of the movement of a liquid melt as a result of the arrival of flows of new batches of metal and convective motion of the melt show that stable turbulent flows are formed in the mold at a distance of a 0.25 N from its inlet section (Fig. 1), which create circulation metal with the highest intensity, and mixing of all areas of the liquid phase of the cross section. In areas farther from the entrance section of the mold, the movement of the circulating flows and the mixing of the metal are weakened. Therefore, the most effective from the point of view of obtaining a uniform distribution of elements and a homogeneous structure of the ingot would be to use a portion of the mold length of 0.25 N for introducing chemicals into the melt.

Уменьшение длины неохлаждаемой части кристаллизатора менее 0,25 Н нежелательно, так как может привести к неравномерности распределения элементов и возникновению неоднородности в слитке, особенно для слитков больших сечений, что нежелательно. Reducing the length of the uncooled part of the mold to less than 0.25 N is undesirable, since it can lead to uneven distribution of elements and the appearance of inhomogeneity in the ingot, especially for ingots of large cross sections, which is undesirable.

В то же время рекомендации по выбору максимально возможной длины неохлаждаемого участка могут носить лишь прикладной характер для конкретной технологии литья в зависимости от типа разливаемого металла (сплава), его константы затвердевания, температуры кристаллизации, температуры перегрева, скорости литья и размеров слитка. Теоретически возможен случай (в основном для сплавов с узким интервалом кристаллизации и слитков небольшого сечения), когда длина неохлаждаемой стенки кристаллизатора равна рабочей длине кристаллизатора Н (фиг. 4), что, например, может быть использовано при продувке металла в кристаллизаторе аргоном через пористую футерованную стенку для обеспечения процессов дегазации и удаления неметаллических включений из расплава. При этом рост твердой фазы и соответственное уменьшение доли жидкой фазы идет не от стенки кристаллизатора (стенки В на фиг. 4), а со стороны примыкающих и противоположных граней, например грани d). At the same time, recommendations for choosing the maximum possible length of an uncooled section can only be applied for a particular casting technology, depending on the type of metal (alloy) to be cast, its solidification constant, crystallization temperature, superheat temperature, casting speed and ingot dimensions. A theoretically possible case (mainly for alloys with a narrow crystallization interval and small section ingots), when the length of the uncooled wall of the mold is equal to the working length of the mold H (Fig. 4), which, for example, can be used to purge the metal in the mold with argon through a porous lined a wall to ensure the processes of degassing and removal of non-metallic inclusions from the melt. In this case, the growth of the solid phase and the corresponding decrease in the fraction of the liquid phase does not come from the crystallizer wall (wall B in Fig. 4), but from the side of adjacent and opposite faces, for example, face d).

Признак, обуславливающий наличие нагревательных элементов на неохлаждаемом участке стенки кристаллизатора, объясняется следующим. Даже при наличии футеровки с минимально возможными коэффициентами поглощения тепла и теплопередачи на ее нагрев (особенно при разливке металлов с высокой температурой кристаллизации) расходуется определенное количество внутренней энергии расплава, что неизбежно приводит к повышению его температуры. Для уменьшения тепловых потерь и поддержания требуемого температурного режима литья нужны нагревательные элементы. Тепло нагрева стенки от нагревательных элементов уменьшает температурные градиенты и обеспечивает необходимую температуру расплава. The sign that determines the presence of heating elements on an uncooled portion of the mold wall is explained by the following. Even if there is a lining with the lowest possible coefficients of heat absorption and heat transfer, a certain amount of the internal energy of the melt is consumed, especially when casting metals with a high crystallization temperature, which inevitably leads to an increase in its temperature. To reduce heat loss and maintain the required temperature casting, heating elements are needed. The heat of heating the wall from the heating elements reduces temperature gradients and provides the necessary melt temperature.

На фиг. 1 показана схема образования устойчивых циркуляционных потоков от вводимой струи металла в кристаллизатор; на фиг. 2, 3 - схемы кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок, варианты расположения неохлаждаемого участка по длине кристаллизаторе; на фиг. 3 - то же, вариант, когда длина неохлаждаемого участка равна рабочей длине кристаллизатора. In FIG. 1 shows a diagram of the formation of stable circulation flows from an injected stream of metal into the mold; in FIG. 2, 3 - diagrams of the mold of the continuous casting machine, options for the location of the uncooled area along the length of the mold; in FIG. 3 - the same option, when the length of the uncooled section is equal to the working length of the mold.

Кристаллизатор МНЛЗ включает корпус 1, охлаждаемые рабочие стенки 2, одна из которых выполнена неохлаждаемой и футерованной на участке 3. Неохлаждаемый участок стенки кристаллизатора имеет нагревательные элементы 4. The caster mold includes a housing 1, cooled working walls 2, one of which is made uncooled and lined in section 3. The uncooled section of the mold wall has heating elements 4.

Кристаллизатор работает следующим образом. The mold works as follows.

Жидкий металл 5 подают в рабочую полость, образованную рабочими стенками кристаллизатора. The liquid metal 5 is fed into the working cavity formed by the working walls of the mold.

При соприкосновении с охлаждаемыми стенками жидкий расплав отдает свое тепло, его температура понижается и возникает твердая фаза заготовки в виде твердой корочки. При этом на неохлаждаемом футерованном участке 3 жидкий металл практически не охлаждается либо охлаждается незначительно лишь в пределах исходной величины перегрева жидкого металла (фиг. 3). Это создает возможность для введения в жидкий металл на участке 3 необходимых химических реагентов (либо охладителей). Устойчивые циркуляционные потоки 6 обеспечивают интенсивное перемешивание расплава и равномерное распределение вводимых элементов по сечению слитка. Это позволяет получать литую заготовку с повышенным качеством осевой зоны. Местоположение неохлаждаемого футерованного участка может быть определено не только от входного кристаллизатора (фиг. 2), но и на некотором расстоянии от него (фиг. 3), что может быть использовано, например, для снятия избыточной теплоты перегрева при разливке на высоких линейных скоростях литья. Конструктивное решение этого технического момента зависит от вида разливаемого металла (сплава) и основных технологических параметров процесса. In contact with the cooled walls, the liquid melt gives off its heat, its temperature decreases and a solid phase of the workpiece in the form of a hard crust appears. Moreover, in the uncooled lined section 3, the liquid metal is practically not cooled or is cooled slightly only within the initial value of the overheating of the liquid metal (Fig. 3). This creates the opportunity for the introduction of the necessary chemical reagents (or coolers) into the liquid metal at site 3. Stable circulating flows 6 provide intensive mixing of the melt and a uniform distribution of the introduced elements over the cross section of the ingot. This allows you to get cast billet with high quality axial zone. The location of the uncooled lined section can be determined not only from the inlet mold (Fig. 2), but also at a certain distance from it (Fig. 3), which can be used, for example, to remove the excess heat of overheating during casting at high linear casting speeds . The constructive solution of this technical moment depends on the type of metal (alloy) being cast and the main technological parameters of the process.

В качестве примера конкретного выполнения кристаллизатора МНЛЗ может быть рассмотрен кристаллизатор для разливки стали с прямоугольным поперечным сечением 200х1000 мм. Высота кристаллизатора 1200 мм. Одна из узких граней на участке длиной 400 мм от входного сечения выполнена неохлаждаемой, футерованной огнеупорной массой. Футерованный участок кристаллизатора имеет 6 нагревательных элементов (индукционные катушки переменного тока). Температура заливаемой стали 1530^оС, перегрев расплава 30^оС. В стенках футерованного участка выполнены 12 каналов диаметром 6 мм для подачи порошкообразного теллура (мелкой фракции) в смеси с аргоном под давлением 1,50 атм. Основной вводимый элемент - теллур. Аргон используется для создания требуемого давления подаваемой смеси в целях обеспечения достаточной глубины проникновения вводимых материалов. (Исполнение неохлаждаемого футерованного участка в форме футерованного блока с каналами не является единственно возможным для заявляемого кристаллизатора. Это может быть, например, стенка из огнеупора с естественной пористостью, используемой для продувки газообразным элементом, либо сплошная керамическая стенка с литником, и т. д. ). При разливке с линейной скоростью 0,8 м/мин устойчивые циркуляционные потоки обеспечивают равномерное распределение вводимых в жидкий расплав элементов за счет интенсивного перемешивания, что обуславливает получение стальной заготовки с повышенным качеством литой структуры (мелкозернистое строение и более высокая плотность). Высота участка кристаллизатора 800 мм (1200-400= 800) достаточна для образования прочной твердой корки по узкой грани с неохлаждаемым участком. При этом величина твердой корки по указанной грани на уровне выходного сечения кристаллизатора составляет
ζ = K

= 24 мм/мин

= 24 мм, что является достаточным для стальных заготовок и гарантирует отсутствие аварийных ситуаций и устойчивость процесса непрерывного литья. В качестве механизма качания кристаллизатора используется вибратор, обеспечивающий высокую частоту качания и малую амплитуду перемещения кристаллизатора, что создает оптимальные условия кристаллизации поверхностных слоев заготовки и наименьшие силы трения между заготовкой и кристаллизатором.As an example of a specific embodiment of the CCM mold, a mold for casting steel with a rectangular cross-section of 200x1000 mm can be considered. Mold height 1200 mm. One of the narrow faces in a section 400 mm long from the inlet section is made of an uncooled, lined refractory mass. The lined section of the mold has 6 heating elements (AC induction coils). Temperature poured steel 1530 ^{° C,} a melt superheat of 30 ° ^C to 12 channels of 6 mm diameter are made in the walls of the lined portion for supplying the powdery tellurium (fines) in a mixture with argon under a pressure of 1.50 atm. The main input element is tellurium. Argon is used to create the required pressure of the feed mixture in order to ensure a sufficient penetration depth of the input materials. (The execution of an uncooled lined section in the form of a lined block with channels is not the only possible for the inventive mold. It can be, for example, a wall of refractory with natural porosity used to purge a gaseous element, or a solid ceramic wall with a gate, etc. ) When casting with a linear speed of 0.8 m / min, stable circulation flows ensure a uniform distribution of elements introduced into the liquid melt due to intensive mixing, which leads to the production of a steel billet with an increased quality of the cast structure (fine-grained structure and higher density). The height of the mold section of 800 mm (1200-400 = 800) is sufficient for the formation of a strong hard crust along a narrow face with an uncooled area. The value of the hard crust along the specified face at the level of the exit section of the mold is
ζ = K

= 24 mm / min

= 24 mm, which is sufficient for steel billets and guarantees the absence of emergency situations and the stability of the continuous casting process. A vibrator is used as a rocking mechanism of the mold, providing a high oscillation frequency and a small amplitude of mold motion, which creates optimal crystallization conditions for the surface layers of the workpiece and the smallest friction forces between the workpiece and the mold.

Таким образом предлагаемый кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок расширяет технологические возможности процесса непрерывного литья и обеспечивает оптимальные условия для ввода необходимых реагентов в рабочую полость кристаллизатора. Thus, the proposed mold of the continuous casting machine expands the technological capabilities of the continuous casting process and provides optimal conditions for introducing the necessary reagents into the working cavity of the mold.

Claims

1. CRYSTALIZER OF THE CONTINUOUS PREPARING MACHINE MACHINE, comprising a body and cooled working walls, characterized in that one of the working walls of the mold is made uncooled and lined in a section with a length of at least 0.25 H, where H is the working length of the mold.

2. The mold according to claim 1, characterized in that the uncooled portion of the mold wall has heating elements.