Тахаутдинов Р.С., Носов А.Д.,
Горосткин С.В., Киселев В.Д.
(ОАО "Магнитогорский
металлургический комбинат")
Казнов В.Ф. (ЗАО "Техноап")

На ОАО "ММК" в настоящее время производится реконструкция ККЦ, а именно модернизация машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), включая системы автоматизации.

Производительность четырех машин непрерывного литья заготовок, предназначенных по проекту ПО "УРАЛМАШ" для разливки слябов толщиной 250 мм и шириной 750…1050 мм в четыре ручья, а 1100…2350 мм в два ручья, объемом 5 млн.т. за 5 мес. 2001достигнута 7,6 млн.т, а за отдельные периоды производительность машин достигала 8 млн.т.

Значительное увеличение производительности МНЛЗ достигнуто за счет ряда технических и организационных мероприятий, таких как:

• увеличение ширины отливаемых слябов в четырехручьевом режиме за счет комбинирования слябов шириной 850…910 мм и 1250…1310 мм и разлив-ки слябов шириной 2520 мм;
• увеличение продолжительности серии разливки на МНЛЗ до 100 и более плавок (максимальное число - 123 плавки);
• расширение скоростных интервалов разливки за счет внедрения систем автоматизации.

Основной сортамент, разливаемых непрерывнолитых заготовок, составляют слябы шириной 1250…1350 мм - более 50 % (по итогам работы за 5 мес. 2001 г).

Для дальнейшего повышения производства стали в ККЦ предусмотрена реконструкция комбинированных двух-четырех ручьевых МНЛЗ №3 и №2, на четырехручьевые с разливкой слябов толщиной 250 мм и шириной 1250…1350 мм.

Краткие технические характеристики :

• Тип МНЛЗ - криволинейная с радиальным кристаллизатором;
• Количество ручьев - четыре;
• Металлургическая длина - 28 м;
  Сечение слябовых заготовок - 250 х 1250…1350 мм;
• Частота качания кристаллизатора - до 250 мин-1 ;
• Амплитуда качания - 3 мм.

Другим важным условием, связанным с повышением производительности МНЛЗ и улучшением качества слябов, является автоматизация процесса непрерывной разливки.

Новые МНЛЗ предусмотрено оснастить современными автоматическими системами. В настоящее время в ККЦ комбинированные двух-четырех ручье-вые МНЛЗ №1, а затем и МНЛЗ №4, оснащены комплексом "Кристаллизатор 2000" разработки ЗАО "ТЕХНОАП", включающим системы "Уровень", "Ка-чание" и "Подвисание".

Система "Уровень" предназначена для автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе с точностью до ±2 мм. Системы "Качание" и "Подвисание" являются информационно-измерительными и служат для определения состояния механизма качания и кристаллизатора в период эксплуатации, индикации параметров пространственной траектории кристаллизатора, амплитуды и частоты качания, сигналов - критериев, характеризующих режим работы шлака в кристаллизаторе, условий формирования корочки слитка, визуализации на мониторе оператора теплового поля поверхности слитка и распространения области прилипания корочки слитка к медным стенкам с одновременной подачей звуковой и световой сигнализации.

Определение режимов работы механизма качания и кристаллизатора системой "Качание" достигается за счет датчиков, установленных на механизме качания, прецизионно измеряющих движение кристаллизатора по трем ортого-нальным осям и трем углам поворота вокруг этих осей, а также прецизионных датчиков, измеряющих силы взаимодействия кристаллизатора и слитка. Результаты текущих измерений обрабатываются компьютерной системой за период качания кристаллизатора.

Информация о ходе разливки в текстовом и графическом виде отображается на экране пультов, установленных в рабочих местах разливщика и оператора МНЛЗ. Это позволяет им контролировать различные ситуации, возникающие в процессе разливки, и предпринимать необходимые меры.

Текущие результаты работы комплекса сохраняются системой архивации и визуализации на электронных носителях информации и служат базой данных, необходимой для контроля и совершенствования технологии использования имеющегося оборудования. Через эту аппаратуру происходит обмен информацией с сетью более высокого уровня.

Основные характеристики системы:

Размеры сечения типового кристаллизатора, мм	(150…330) х (500…2400)
Разрешающая способность измерения линейных перемещений кристаллизатора, мм	0,05
Разрешающая способность измерения угловых перемещений кристаллизатора, угл. Секунд	2,5
Разрешающая способность измерения усилия вытягивания, Н	300

Применение системы "Уровень", предназначенной для автоматического поддержания уровня металла в кристаллизаторе, позволило улучшить качество поверхности непрерывнолитых слябов и увеличить производительность МНЛЗ на 15 % за счет повышения рабочей скорости вытягивания непрерывнолитой заготовки.

Для работы с системой "Подвисание" с 2001 г на этих же МНЛЗ устанавливаются кристаллизаторы с вмонтированными термодатчиками и системами анализа работы кристаллизаторов, благодаря которым появляется возможность прогнозирования вероятных аварийных ситуаций, связанных с утоньшением корочки слитка. Датчики установлены в три ряда - на расстоянии 168 мм, 280 мм и 430 мм от верхней кромки медных пластин и позволяют контролировать распределение температуры по стенкам кристаллизатора в процессе разливки. На рис.1 показан один из примеров распределения теплового поля стенок кристаллизатора, который фиксирует момент подвисания и локального разогрева медных стенок.

Для каждого изображения по горизонтальной оси указано время, а по вертикальной - температура, снимаемая термодатчиками. В случае локального разогрева стенок, аналогично представленному на рис.1, системой предусмотрена звуковая и световая сигнализация с указанием места подвисания на мониторе оператора МНЛЗ. При работе с данной системой за четыре месяца зафиксиро-вано 16 подвисаний корочки слитка, из них четыре были определены техноло-гами одновременно с системой, а на двенадцати система заранее сигнализировала о возникновении зависания технологу, что позволило принять меры для исключения аварийной ситуации.

Для улучшения качества непрерывнолитых слитков и оценки работы ме-ханизма качания и кристаллизатора большое применение получили акселеро-метрические системы контроля движения кристаллизатора /1-3/. Авторами этих работ отмечается, что отклонения от заданных режимов качания в случае невертикального движения кристаллизатора относительно его оси и возникновения угловых колебаний сопровождается воздействием горизонтальных усилий на затвердевающую корку слитка.

Лев и ПР - обозначение узких стенок кристаллизатора с левой и правой стороны.

Слева на рисунке 1изображение температурного поля стенок кристаллизатора

Качественно новая информация, которую выдает система, это информа-ция о взаимодействии кристаллизатора и слитка. Установленное оборудование позволяет в результате обработки измерить раздельно составляющие трения - "сухую" - без жидкой фазы шлака и "вязкую". Это открывает возможность объективно и оперативно, на основе измерений, определять эффективность работы шлакообразующей смеси в кристаллизаторе в конкретных условиях раз-ливки, подбирать оптимальные скоростные режимы работы и наилучшие шла-кообразующие смеси. При наличии определённого запаса "эталонной" шлакообразующей смеси данной марки возможен текущий контроль вновь поставляемых партий смесей этой марки по сравнительным замерам в стационарных режимах разливки.

Система позволяет подбирать режимы движения механизма качания (частоту, форму и размах колебаний) по минимуму взаимодействия между слитком и кристаллизатором.

На основе измерения взаимодействия кристаллизатора и слитка предсказываются дефекты на поверхности слитка: шлаковые включения, ужимины, некоторые виды трещин. Анализируя величины сигналов-критериев, можно обна-руживать как небольшие отклонения от нормы, не требующие принятия каких-либо специальных мер, так и дефекты, которые требуют дополнительной обработки поверхности слябов.

Вся перечисленная информация, получаемая от комплекса, требует до-полнительной обработки применительно к конкретным условиям разливки с целью определения численных значений сигналов - критериев, которые определяются в результате анализа данных, получаемых при разливке, и сопоставления их с фактическими результатами работы и качеством непрерывнолитых слябов.

Одним из показателей, вырабатываемым комплексом "КРИСТАЛЛИЗАТОР-2000" и указывающим на качество поверхности слитка, является сигнал-критерий "Вибрация" ("Шлак"). Этот критерий отражает состояние трения между кристаллизатором и слитком.

В условиях ОАО "ММК" был проведен сравнительный анализ величины сигнала-критерия "Вибрация" и качества поверхности литой заготовки.

Для этого анализа данной системы было отобрано 678 слябов и проконтролировано качество их поверхности. Из осмотренных слябов 647 шт. с 74 плавок были отлиты в условиях, когда величина сигнала-критерия "Вибрация" находился в пределах 30…100 %. На поверхности этих слябов не было обнаружено дефектов. При осмотре 31 сляба были обнаружены дефекты поверхности в виде шлаковых включений. Величина значение сигнала-критерия "Вибрация" во время отливки этих слябов составляла 101…160%:

На рис.2 приведен график зависимости сигнала-критерия "Вибрация" от времени разливки с указанием номеров разливаемых сляба.

В период времени с 04:35 до 05:24 на ручье зафиксирована величина сигнала-критерия "Вибрация" на уровне, превышающем 100 %. В отдельные промежут-ки времени величина сигнала достигала более 120 %. В это время производили разливку низкоуглеродистой стали в слябы сечением 1030х250 мм и 1080х250 мм.

На поверхности сляба 1-2, соответствующей малому радиусу, обнаружены шлаковые включения размером 2…3 мм (уровень сигнала "Вибрация" - 110…120 %), а самый высокий уровень сигнала зафиксирован при отливке третьего сляба более 120 %. На поверхности широкой грани третьего сляба, соответствующей малому радиусу МНЛЗ, обнаружены шлаковые включения размером 2 мм и одно крупное - размером около 20 мм.

Рис. 2. Изменение сигнал-критерий "Вибрация"

Во время отливки четвертого и пятого сляба (04:50 - 05:04) уровень сигнала-критерия "Вибрация" зафиксирован на уровне 110%. На поверхности узкой грани обнаружены шлаковые включения размером до 3 мм.

Во время отливки шестого сляба (5:04-5:11) величина сигнала-критерия "Вибрация" не превышала 90%. На поверхности этого сляба дефектов не обнаружено. При разливке последующих слябов на участке, где были отмечены повышенные сигналы, также были отмечены шлаковые включения до 3 мм.

Полученная аналогичным образом зависимость качества поверхности слябов от величины сигнала-критерия "Вибрация" приведена на рис.3

Определение влияния различных составов шлакообразующих смесей на сигналы, вырабатываемые комплексом "Кристаллизатор 2000", производилось при разливке динамной стали, содержащей углерода не более 0,045 %, кремния - 1,2..1,45 %, марганца -0,20..0,40 % меди до 0,30 % и алюминия - 0,30…0,60 %.*

* В работе принимал участие Ногтев В.П.

Рис. 3 Изменения сигнал-критерия "Вибрация"

Высокое содержание в металле алюминия определяет и большое количество включений в стали в виде оксидов, что, в конечном счете, приводит к повышенному содержанию оксидов алюминия в шлаке кристаллизатора до 20 % по массе и ухудшает условия трения между корочкой слитка и кристаллизатором.

Для определения степени влияния различных составов смесей были использованы обычные шлакообразующие смеси с температурой плавления 1140…1160 ?С и легкоплавкие смеси с температурой плавления 1120 ?С и ниже. Разливка проводилась через двухручьевые кристаллизаторы в слябы толщиной 250 мм и шириной 1080 мм. В процессе разливки контролировалась скорость вытягивания слитка, положение уровня мениска металла в кристаллизаторе, на-грузка на двигатель механизма качания, линейные и угловые пространственные движения кристаллизатора по трем осям. Результаты измерения приведены на рис.4 и рис.5.

Стрелками 1 и 2 соответственно указаны режимы разливки после замены промежуточного ковша и включения автоматического режима поддержания уровня металла системой "Уровень". Стрелкой 3 указан момент перехода на опытную, более легкоплавкую смесь. При разливке стали в 16:40 была произве-дена прокачка стопора (стрелка 4), при этом отмечено понижение, а затем и по-вышение уровня металла в кристаллизаторе, возрастание сигнала "Вибрация". После увеличение сигнала скорость разливки снижали до 0,45 м/мин. Как отме-чено на рис.4, после введения опытной смеси произошло постепенное сниже-ния сигнала "Вибрация" со 170 % до 70…86 %, т.е. практически в 2 раза.

Рис.4. Сигналы комплекса "Кристаллизатор 2000" при разливке динамной стали с различными шлакообразующими смесями

Кроме этого, было отмечено после введение опытной смеси увеличение ам-плитуды качания с 3,2 мм до 3,8 мм и уменьшение перемещения кристаллиза-тора вдоль горизонтальных осей с 0,7…0,8 мм до 0,5 мм, и угловых скоростей с 25 угл.сек до 5 угл.сек (рис.5).

Рис.5. Сигналы комплекса "Кристаллизатор 2000" при разливке динамной стали с различными шлакообразующими смесями

Также на рис. 5 отмечена реакция движения кристаллизатора на резкие колебания уровня металла со скоростью около 8 мм/сек (стрелка 1).

Резкие колебания уровня металла, амплитудой до 30 мм от рабочего уровня со скоростью 5…10 мм/сек, связаны с технологической операцией по предот-вращению зарастания стакана коллектора промежуточного ковша глиноземом. При ручном стабильном поддержании уровня металла в кристаллизаторе амплитуда колебания достигает до 5 мм и скорость изменения уровня составляет 1…3 мм/сек и в случае разливки в автоматическом режиме амплитуда колебания не превышает 2 мм, а скорость изменения уровня составляет не более 0,5 мм/сек. Малые колебания уровня металла приводят к снижению вероятности подвисания корочки слитка в кристаллизаторе. Так, при разливке стали, наиболее склонной к прилипанию корочки слитка к медным стенкам кристаллизатора электротехнической трансформаторной стали, содержащей кремния около 3 % и легированной азотосодержащими материалами, с устройством автоматиче-ского поддержания уровня металла, отмечено снижение числа подвисаний бо-лее, чем в 2 раза, а дополнительное использование системы "Подвисание" по-зволило снизить количество прорывов при разливке этой стали по подвисанию в 2001 г более, чем в 4 раза.

Заключение:

Использование автоматической системы комплекса "Кристаллизатор 2000", как один из этапов модернизации МНЛЗ, позволяет корректировать и определять требуемые составы шлакообразующих смесей в кристаллизаторе, улучшать условия формирования корочки слитка, снизить аварийность, прогнозировать качество поверхности непрерывнолитых слябов, а также предотвращать ситуации, когда возможно появление таких дефектов.

Библиографический список:

1. Чумаков С.М., Делекторский Б.А., Сорокин А.Н., Евтеев А.П. Возможно-сти автоматического предупреждения о прорывах на выходе из кристал-лизатора. /Сталь 1998.№5 С.22-26
2. Чумаков С.М., Сорокин А.Н. Опыт использования акселерометрической системы технологического контроля кристаллизатора. / Сталь 1998. №6 С. 17-19.
3. Ферстер Э., Гуденау Х.В., Кемпер Г.М., Штеркен К. Трение между заго-товкой и кристаллизатором при разливке стали на МНЛЗ /Черные метал-лы.1994. № 2-3 С.34-41