Зона вторичного охлаждения

Зона вторичного охлаждения — это участок технологической линии непрерывной разливки стали (МНЛЗ), расположенный между кристаллизатором и зоной резки (или правильной машиной), в котором осуществляется контролируемое охлаждение непрерывнолитой заготовки (сляба, блюма, сортовой заготовки) для завершения её полного затвердевания и предотвращения дефектов структуры.

Назначение и роль в процессе

После выхода из кристаллизатора (первичного охлаждения) заготовка имеет твёрдую оболочку (корочку) толщиной 15–30 мм и жидкую сердцевину. Основная задача зоны вторичного охлаждения — обеспечить равномерное и дозированное отведение тепла от поверхности заготовки, чтобы:

• предотвратить повторный разогрев поверхности (рекристаллизацию) и образование трещин;
• контролировать скорость роста твёрдой корочки до полного затвердевания;
• минимизировать термические и усадочные напряжения, приводящие к дефектам (продольные и поперечные трещины, осевая ликвация, ромбичность);
• сформировать однородную макро- и микроструктуру металла.

Устройство и конструкция

Зона вторичного охлаждения представляет собой систему форсунок (распылителей), расположенных по длине и периметру заготовки, а также поддерживающих роликов (рольгангов), предотвращающих выпучивание оболочки под давлением жидкой сердцевины.

Основные элементы

• Форсунки (спрейеры) — устройства для распыления воды или водовоздушной смеси. Различают:
• Водяные форсунки — дешёвые, но с низкой равномерностью охлаждения;
• Водовоздушные форсунки — обеспечивают мелкодисперсное распыление, более равномерное охлаждение и меньший расход воды.
• Секции охлаждения — зона делится на несколько (обычно 4–8) независимо регулируемых секций по длине. Каждая секция имеет свой расход воды и давление.
• Поддерживающие ролики — ролики, установленные с шагом 200–600 мм, которые удерживают заготовку от деформации под действием ферростатического давления жидкого металла. В зоне вторичного охлаждения они могут быть как с водяным, так и с воздушным охлаждением.
• Система подачи воды — насосы, трубопроводы, регулирующие клапаны, расходомеры и датчики давления.
• Система управления — автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), которая на основе показаний пирометров, датчиков температуры поверхности и математических моделей корректирует расход воды в каждой секции.

Типы конструкций

• Секции с роликами — наиболее распространённый тип для слябовых МНЛЗ. Ролики поддерживают заготовку, а форсунки расположены между ними или встроены в ролики.
• Безроликовые секции — используются для сортовых заготовок малого сечения (квадрат 100–150 мм), где ферростатическое давление невелико, и заготовка движется по жёлобу или направляющим.
• Секции с водовоздушным охлаждением — применяются для высоколегированных марок стали, чувствительных к термическим ударам.

Режимы охлаждения

Режим охлаждения в зоне вторичного охлаждения определяется скоростью разливки, маркой стали, сечением заготовки и требуемой микроструктурой. Различают три основных режима:

1. Мягкое (равномерное) охлаждение — низкая интенсивность (0,1–0,3 л/кг стали), применяется для сталей, склонных к трещинообразованию (например, высокоуглеродистых, легированных).
2. Умеренное охлаждение — средняя интенсивность (0,3–0,6 л/кг), используется для большинства углеродистых и низколегированных сталей.
3. Интенсивное (жёсткое) охлаждение — высокая интенсивность (0,6–1,2 л/кг), применяется для низкоуглеродистых сталей с целью ускорения затвердевания и повышения производительности.

Кривые охлаждения

В каждой секции зоны вторичного охлаждения температура поверхности заготовки должна снижаться по определённому закону (обычно по параболической или экспоненциальной зависимости). Отклонение от заданной кривой приводит к дефектам. Например, слишком резкое охлаждение в начале зоны вызывает термические трещины, а недостаточное — к выпучиванию оболочки.

Параметры и характеристики

Дефекты, связанные с зоной вторичного охлаждения

При нарушении режимов охлаждения или неисправности оборудования возникают следующие дефекты:

• Продольные трещины — возникают при неравномерном охлаждении по ширине заготовки (например, из-за забитых форсунок).
• Поперечные трещины — появляются при слишком резком охлаждении в начале зоны, особенно на углах заготовки.
• Осевая ликвация — неравномерное распределение примесей (серы, фосфора) в центре заготовки из-за слишком медленного затвердевания.
• Ромбичность — искажение формы заготовки (квадрат превращается в ромб) при неравномерном охлаждении по граням.
• Выпучивание (bulging) — деформация оболочки между роликами при недостаточной интенсивности охлаждения или большом шаге роликов.

Управление и автоматизация

Современные МНЛЗ оснащаются автоматизированными системами управления зоной вторичного охлаждения. Система включает:

• Математические модели — динамические модели теплопереноса, которые в реальном времени рассчитывают температурное поле заготовки и корректируют расход воды.
• Пирометры — бесконтактные датчики температуры поверхности, установленные в нескольких точках по длине зоны.
• Расходомеры и клапаны — обеспечивают точное дозирование воды в каждой секции.
• Системы диагностики — контролируют состояние форсунок (забивание, износ) и роликов.

Эволюция и современные тенденции

Первые МНЛЗ (1950-е годы) имели примитивное вторичное охлаждение — простое разбрызгивание воды без регулировки. В 1970-х годах началось внедрение водовоздушных форсунок и секционирования. С 1990-х годов активно применяются динамические системы управления на основе математических моделей.

Современные тенденции:

• Использование водовоздушного охлаждения — для повышения равномерности и снижения расхода воды.
• Интеграция с системами мягкого обжатия (soft reduction) — в зоне вторичного охлаждения могут устанавливаться обжимные ролики, которые уменьшают осевую ликвацию.
• Применение лазерных и инфракрасных измерителей — для точного контроля температуры и формы заготовки.
• Разработка адаптивных алгоритмов — на основе нейросетей и машинного обучения для прогнозирования дефектов.

Значение в металлургии

Зона вторичного охлаждения является критическим элементом МНЛЗ, определяющим качество непрерывнолитой заготовки. От её работы зависят:

• выход годного металла (снижение брака);
• механические свойства готового проката (прочность, пластичность);
• себестоимость стали (расход воды, энергии, ремонт оборудования).

По оценкам, до 70% дефектов непрерывнолитой заготовки связано с неправильным режимом вторичного охлаждения. Поэтому совершенствование этой зоны — одно из приоритетных направлений в технологии непрерывной разливки стали.

Источники

• Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали. — Донецк: ДонНТУ, 2011.
• Ефимов В.А., Ефимов В.В. Технология непрерывной разливки стали. — М.: Металлургия, 1987.
• Морозов А.Н., Столяров А.М. Оборудование и автоматизация МНЛЗ. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005.
• Технические описания МНЛЗ фирм Siemens VAI, Danieli, SMS Demag (открытые публикации).
• Стандарты ASTM A 1064 / A 1064M — Standard Specification for Continuous Cast Steel.