Машина непрерывного литья заготовок

Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) — это металлургический агрегат, предназначенный для получения непрерывной литой заготовки (сляба, блюма, сортовой заготовки) из жидкой стали или цветных металлов. Процесс, реализуемый на МНЛЗ, называется непрерывной разливкой стали и является основным способом производства заготовок в современной чёрной металлургии, вытеснившим традиционную разливку в изложницы.

История

Идея непрерывной разливки металла возникла в середине XIX века. В 1857 году американский изобретатель Генри Бессемер получил патент на устройство для получения непрерывной полосы из жидкой стали, однако практическая реализация столкнулась с техническими трудностями, прежде всего с проблемой кристаллизации металла в движущейся форме.

Первая промышленная МНЛЗ была запущена в 1939 году в Германии на заводе «Юнкерс» (г. Дессау) для разливки медных сплавов. В 1943 году в Австрии на заводе «Бёлер» (г. Капфенберг) была введена в строй первая установка для разливки стали. В 1950-х годах технология получила развитие в СССР: в 1955 году на Новотульском металлургическом заводе была запущена первая советская промышленная МНЛЗ для разливки стали.

Массовое внедрение МНЛЗ в мировую металлургию началось в 1960–1970-х годах. К концу XX века доля стали, разливаемой на МНЛЗ, в развитых странах превысила 90 %. В России и странах СНГ этот показатель к началу 2020-х годов также достиг 95–98 %.

Классификация

МНЛЗ классифицируются по нескольким признакам.

По типу получаемой заготовки

• Слябовые МНЛЗ — для получения плоских заготовок (слябов) толщиной от 50 до 400 мм и шириной до 2500 мм и более. Используются в производстве листового проката.
• Блюмовые МНЛЗ — для получения крупных сортовых заготовок квадратного или прямоугольного сечения (блюмов) со стороной от 150 до 400 мм. Предназначены для последующего производства сортового проката (балки, швеллеры, рельсы).
• Сортовые МНЛЗ — для получения мелких заготовок (квадрат, круг) сечением от 80 до 150 мм. Используются для производства арматуры, катанки, проволоки.
• Трубные МНЛЗ — для получения круглых заготовок (трубной заготовки), используемых при производстве бесшовных труб.

По конструктивному исполнению

• Вертикальные МНЛЗ — классическая конструкция, где кристаллизатор и зона вторичного охлаждения расположены строго вертикально. Отличаются большой высотой (до 30–40 м) и сложностью обслуживания. В настоящее время применяются редко, в основном для специальных марок стали.
• Радиальные МНЛЗ — наиболее распространённый тип. Кристаллизатор и зона вторичного охлаждения имеют криволинейную форму (радиус от 5 до 15 м). Заготовка движется по дуге, а затем выпрямляется. Такие МНЛЗ компактнее вертикальных.
• Криволинейные МНЛЗ — разновидность радиальных, где радиус кривизны постепенно увеличивается, что позволяет снизить механические напряжения в заготовке.
• Горизонтальные МНЛЗ — компактные установки, где кристаллизатор и зона охлаждения расположены горизонтально. Используются для разливки цветных металлов и специальных сталей.

По числу ручьёв

• Одноручьевые — одна заготовка одновременно.
• Многоручьевые (от 2 до 12 ручьёв) — одновременная разливка нескольких заготовок. Производительность многоручьевых МНЛЗ выше.

Устройство и принцип работы

Основные узлы МНЛЗ:

1. Поворотный стенд (сталевоз, сталеразливочный стенд) — устройство для установки и перемещения сталеразливочного ковша. Обеспечивает его точное позиционирование над промежуточным ковшом.
2. Промежуточный ковш — промежуточная ёмкость между сталеразливочным ковшом и кристаллизатором. Выполняет функции: стабилизация напора металла, отделение шлака, усреднение температуры, распределение металла по ручьям.
3. Кристаллизатор — водоохлаждаемая медная форма, в которой начинается кристаллизация жидкой стали. Имеет форму, соответствующую сечению будущей заготовки. Внутренняя поверхность кристаллизатора смазывается специальными шлакообразующими смесями для предотвращения прилипания металла. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательные движения (качание) для облегчения выхода заготовки.
4. Зона вторичного охлаждения (ЗВО) — система форсунок, распыляющих воду или водовоздушную смесь на поверхность заготовки. Обеспечивает контролируемое охлаждение и полную кристаллизацию металла по всему сечению. ЗВО разделена на несколько секций с регулируемым расходом охладителя.
5. Тянущая клеть (тянуще-правильная машина) — система роликов, которая вытягивает заготовку из кристаллизатора и зоны охлаждения, а также выпрямляет её (для радиальных и криволинейных МНЛЗ).
6. Машина газовой резки (МГР) — устройство для резки непрерывной заготовки на мерные длины (обычно от 4 до 12 м). Используются кислородно-газовые горелки или плазменные резаки.
7. Рольганг и транспортёры — система подачи готовых заготовок на склад или в прокатный цех.

Технологический процесс

1. Жидкая сталь из сталеплавильного агрегата (конвертера, электропечи) заливается в сталеразливочный ковш.
2. Ковш устанавливается на поворотный стенд, затем его содержимое поступает в промежуточный ковш.
3. Из промежуточного ковша через погружной стакан металл подаётся в кристаллизатор. Уровень металла в кристаллизаторе поддерживается автоматически.
4. В кристаллизаторе начинается кристаллизация — образуется твёрдая корка толщиной 10–30 мм. Заготовка непрерывно вытягивается тянущей клетью.
5. В зоне вторичного охлаждения происходит полная кристаллизация металла. Скорость разливки составляет от 0,5 до 6 м/мин в зависимости от сечения заготовки и марки стали.
6. Затвердевшая заготовка выпрямляется (если это радиальная МНЛЗ) и разрезается на мерные длины.
7. Готовые заготовки маркируются, осматриваются и отправляются на склад.

Преимущества

• Высокая производительность — одна МНЛЗ может заменить до 10–15 разливочных площадок с изложницами.
• Повышение выхода годного — потери металла на обрезь и литники снижаются с 10–15 % (при разливке в изложницы) до 1–3 %.
• Улучшение качества заготовки — однородная структура, отсутствие усадочных раковин и трещин, более стабильный химический состав.
• Энергоэффективность — заготовка сразу поступает в прокатный стан, минуя нагрев в колодцевых печах (технология «горячего посада»).
• Автоматизация — процесс полностью управляется компьютерными системами, что снижает влияние человеческого фактора.

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования — строительство современной МНЛЗ требует значительных капитальных вложений (от нескольких десятков до сотен миллионов долларов).
• Сложность эксплуатации — требует высокой квалификации персонала и точного соблюдения технологических параметров (температура, скорость, расход охладителя).
• Ограничения по маркам стали — не все стали (например, некоторые высоколегированные или быстрорежущие) могут быть разлиты на МНЛЗ из-за склонности к трещинообразованию.
• Необходимость в ремонте — кристаллизаторы и ролики ЗВО изнашиваются и требуют периодической замены.

Применение

МНЛЗ являются основным оборудованием в сталеплавильных цехах металлургических комбинатов и мини-заводов. Они используются для производства заготовок, идущих на дальнейший передел:

• Листовой прокат (слябы → толстолистовой стан, горячекатаный стан, холоднокатаный стан).
• Сортовой прокат (блюмы → рельсобалочный стан, крупносортный стан).
• Мелкосортный прокат (сортовая заготовка → мелкосортный стан, проволочный стан).
• Трубная продукция (круглая заготовка → трубопрокатный агрегат).

Кроме стали, МНЛЗ применяются для разливки алюминия, меди, латуни, бронзы и других цветных металлов.

Интересные факты

• Самая крупная в мире МНЛЗ для разливки слябов была построена в Китае в 2010 году. Она имеет 2 ручья и производит слябы толщиной до 400 мм.
• Скорость разливки на современных сортовых МНЛЗ может достигать 6–8 м/мин, что позволяет получать до 1,5 млн тонн заготовок в год с одной установки.
• В СССР первая промышленная МНЛЗ была запущена в 1955 году на Новотульском металлургическом заводе. Она была радиального типа и предназначалась для разливки стали в блюмы.
• В 2020-х годах активно развиваются технологии «близкой к конечной форме» разливки (near-net-shape casting), позволяющие получать заготовки, максимально приближенные по размерам к готовому прокату, что сокращает количество переделов.

Источники

• Металлургические машины и агрегаты. Учебник для вузов / Под ред. А. И. Целикова. — М.: Металлургия, 1988.
• Технология непрерывной разливки стали. / Под ред. В. А. Ефимова. — М.: Металлургия, 1987.
• Современные процессы непрерывной разливки стали. / Под ред. В. И. Бородина. — М.: Машиностроение, 2004.
• Continuous Casting of Steel. — The Iron and Steel Institute of Japan, 1995.
• Steelmaking and Refining Volume. — The AISE Steel Foundation, 1998.