+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

13.03.2012

Результаты промышленных испытаний кристаллизаторов Mishima Kosan

Исхаков Р.Ф., Котельников А.Б. (ЗАО «НПП «Машпром», г.Екатеринбург, Россия), Ямасаки К. (Mishima Kosan Co.Ltd, Япония)

 

В настоящее время процесс непрерывной разливки стали на машинах непрерывного литья заготовки (МНЛЗ) за счет технико-экономических показателей позиционируется как наиболее рациональный способ получения заготовок для дальнейших переделов. Кристаллизатор является основным узлом МНЛЗ, работа которого преимущественно влияет на экономические показатели процесса отливки стали. Эксплуатационным и экономическим показателем работы кристаллизатора является его стойкость [1, 2].

Затвердевание слитка начинается в кристаллизаторе, внутренняя полость которого соответствует профилю отливаемой заготовки. Поскольку кристаллизатор отвечает за начальное формирование заготовки, условия в кристаллизаторе в значительной мере определяют качество поверхности непрерывнолитой заготовки. В процессе разливки возникает большой перепад температуры на границе внутренней поверхности кристаллизатора и образовавшейся корочки. Такой перепад приводит к возникновению температурных напряжений и соответствующих им деформациям. Движущаяся корочка заготовки вызывает на контакте высокий износ поверхности кристаллизатора. При появлении зазора износ поверхности ускоряется [1].

Высокие требования к качеству непрерывнолитых заготовок, возрастающее количество сложных марок стали, и стремление к увеличению стойкости кристаллизаторов ставят актуальную проблему по усовершенствованию конструкции кристаллизаторов и усовершенствованию покрытий кристаллизаторов.

Настоящая статья посвящена описанию результатов промышленных испытаний кристаллизаторов на МНЛЗ №4 ОАО «НТМК», произведенных по технологии японской компании Mishima Kosan, которая осуществляет проектирование, изготовление, сервис кристаллизаторов МНЛЗ различных типов от мелкосортовых до слябовых, а также нанесение сверхстойких покрытий на поверхность медных стенок кристаллизаторов.

При подготовке кристаллизатора на МНЛЗ №4 ОАО «НТМК» был проведен полный комплекс необходимых и достаточных мероприятий, который позволил повысить стойкость кристаллизатора, а именно:

  • улучшение конструкции кристаллизатора;
  • уменьшение градиента температуры на поверхности стенки кристаллизатора за счет более эффективного и равномерного отвода тепла;
  • применение материала с повышенной стойкостью при высоких температурах;
  • улучшение обработки поверхности, применение стойких материалов.

Для улучшения конструкции кристаллизатора были применены отбойные планки по низу кристаллизатора. Отбойные планки способствовали уменьшению процесса образования плавиковой кислоты за счет взаимодействия фтора, входящего в состав ШОС и воды от форсунок подбоя на выходе слитка из кристаллизатора. На рис.№1 показана фотография примененных отбойных планок на кристаллизаторе МНЛЗ №4 ОАО «НТМК».

Отбойные планки по низу кристаллизатора МНЛЗ

Рис. №1. Фотография отбойных планок по низу кристаллизатора

В процессе формирования заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ в его углах корочка нарастает быстрее и раньше становится более прочной и твердой, чем у грани, вследствие двухмерного теплового потока. Чрезмерный перепад температуры по периметру кристаллизатора приводит к термическим деформациям стенки, величина которых различна в продольном и поперечном направлениях. Более того, неравномерность охлаждения кристаллизатора является причиной интенсивного износа в углах на первых этапах затвердевания. Анализ существующих каналов охлаждения стенок кристаллизатора МНЛЗ №4 ОАО «НТМК» показал неудовлетворительную картину градиента температуры на поверхности стенок кристаллизатора. Для предотвращения возникновения высокого уровня термических напряжений была предложена улучшенная схема каналов охлаждения стенок кристаллизатора. На рис.№2 показаны поля распределения температуры при существующей системе каналов охлаждения и при предложенной системе каналов охлаждения.

Распределение температуры в узкой стенке кристаллизатора МНЛЗ

№ 2. Распределение температуры в узкой стенке кристаллизатора МНЛЗ №4 ОАО «НТМК»:
а) существующее распределение; б) измененная система каналов охлаждения с распределением температуры

Изменение каналов охлаждения позволило снизить температуру на острой кромке “уса” с 3750С до 3250С и уменьшить неравномерность температуры на всей поверхности с 26% до 15%.

Большую роль в увеличении стойкости кристаллизаторов МНЛЗ играет применяемый материал стенок кристаллизаторов. Материал стенок кристаллизаторов должен быть достаточно теплопроводным и жаропрочным, химически неактивным по отношению к расплаву, достаточно твердым, выдерживать дополнительное термоциклирование в диапазоне рабочих температур разливки, обладать стабильностью свойств.

Традиционным материалом для кристаллизаторов является высокотеплопроводная медь. Она довольно существенно разупрочняется в интервале рабочих температур вследствие собирательной рекристаллизации. Долгое время в России и за рубежом применяют сплав меди с серебром, также используют сплавы Cu-Cr и Cu-Zr, однако они не позволяют решить всех вышеописанных проблем и не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Альтернативным материалом, удовлетворяющим всем требованиям, является дисперсионно-твердеющие бронзы и, в частности, хромциркониевая бронза.

Хромциркониевая бронза (Cu-Zr-Cr), по сравнению с Cu-Ag, имеет более высокий условный предел текучести и предел прочности при повышенных температурах. Сравнительные характеристики физико-механических свойств этих двух сплавов показаны на рис.№3 и табл.№1.

Повышенная температура начала рекристаллизации (порядка 900 градусов) позволяет избежать изначального разупрочнения металла и предотвратить эффект ползучести с изменением как геометрии самого кристаллизатора, так и геометрии каналов охлаждения. Немаловажным является влияние температуры рекристаллизации на проведение процесса нанесения защитного покрытия.

Сравнение механических свойств сплавов Cu-Ag и Cu-Zr-Cr

Рис.№3. Сравнение механических свойств сплавов Cu-Ag и Cu-Zr-Cr

Таблица 1. Сравнение физико-механических свойств сплавов для кристаллизаторов

Характеристика / сплав

Ag-Cu

Cr-Zr-Cu

Коэффициент термического расширения, 0К-1

1,68*10-5

1,70*10-5

Теплопроводность, Вт/(м*0К)

340

325

Температура рекристаллизации, 0С

350

900

Модуль Юнга, МПа

1,2*105

1,3*105

В мировой практике существует большое количество решений в области повышение износостойкости поверхности кристаллизатора для уменьшения абразивного износа поверхности скольжения слитка. Кристаллизаторы без покрытий из меди имеют ресурс, не превосходящий 50 плавок [3]. Повышение твердости меди за счет использования эффекта упрочнения при холодной деформации, так же, как и применение сплавов меди с серебром, дают увеличение стойкости кристаллизаторов до уровня 100-110 плавок.

Эффективным способом повышения стойкости кристаллизаторов является применение износостойких покрытий. Наиболее распространёнными покрытиями на сегодняшний день являются гальванические покрытия Ni, Co-Ni, Fe-Ni. Авторы [4] приводят анализ этих покрытий и статистику по стойкости в связке с твердостью покрытий. По представленным данным [4] стойкость Ni гальванического покрытия составляет в среднем 300 плавок, стойкость Co-Ni покрытия составляет 400 плавок. Данная статистика не подтверждается результатами эксплуатации стенок кристаллизаторов МНЛЗ с гальваническим Co-Ni покрытием на территории РФ. Стойкость стенок кристаллизаторов с гальваническим Co-Ni покрытием в практике эксплуатации на предприятиях РФ варьируется от значения 260 до 300 плавок.

В последнее время большое развитие получила технология газоплазменного нанесения покрытий на поверхность кристаллизаторов [4,5]. В работах авторов [4,5] показана перспективность и эффективность данного способа нанесения износостойких покрытий. Результаты промышленных испытаний компании VAI [4] показали следующие результаты: покрытия с “экстремально” высоким показателем твердости до 1200HV, называемыми “Ceramic”, дают показатель стойкости в 1200 плавок. Соотношение стоимости покрытия и стойкости дает сомнительные результаты по экономической эффективности.

Технология Mishima Kosan предполагает использование газотермического напыления сплавом Ni-Cr c твердостью покрытия в 500-600HV. На рис.№4 показано сравнение стойкости к износу гальванических покрытий и газотермического покрытия по технологии Mishima Kosan.

Сравнение величины износа и коэффициента трения Ni-Cr газотермического покрытия, Co-Ni и Ni гальванопокрытий при высокотемпературных испытаниях

Рис. №4. Сравнение износа и коэффициента трения Ni-Cr газотермического покрытия, Co-Ni и Ni гальванопокрытий при высокотемпературных испытаниях

 

Для МНЛЗ №4 ОАО «НТМК» компания Mishima Kosan совместно с НПП «Машпром» поставили комплект кристаллизатора с газотермическим NiCr покрытием узких и широких стенок под разливку сляба 250мм для промышленных испытаний. Промышленные испытания были начаты 17.06.2010.

По состоянию на 01.03.2012 стенки кристаллизатора на слитке 250 мм имеют наработку в 1943 плавки, что соответствует 310 тыс. тонн разлитого металла. Применение устройства защиты нижней части кристаллизатора от «подбоя» воды практически полностью исключило коррозионный износ покрытия.

Толщина покрытия по низу широких стенок кристаллизатора составляла 0,6мм. Измерения после 1943 плавок показали износ рабочих поверхностей кристаллизатора по центру широкой поверхности в 0,03±0,01мм (остаток покрытия 0,57±0,0мм). Покрытия не имеют трещин, отслоений, каверн, прочих дефектов, препятствующих продолжению эксплуатации. На рис.№5 представлена фотография стенок кристаллизатора после 1943 плавок. Стенки находятся в дальнейшей эксплуатации.

Рис.№5. Фотография стенок кристаллизатора с газотермическим Ni-Cr покрытием после наработки в 1943 плавки (310 тыс. тонн металла)

 

Выводы

Применение газотермического напыления сплавом Ni-Cr, а также полный комплекс мероприятий по повышению стойкости кристаллизаторов МНЛЗ по технологии Mishima Kosan позволяют увеличить ресурс работы кристаллизатора в 20 раз по сравнению со стенками без покрытия, и в 7 раз по сравнению гальваническим покрытием CoNi. Высокое сопротивление износу подтвердились многочисленными промышленными испытаниями на металлургических комбинатах Японии и промышленными испытаниями на МНЛЗ №4 ОАО «НТМК». Текущая наработка кристаллизатора с газотермическим покрытием на ОАО «НТМК» составляет почти 2000 плавок. Анализ толщины остатка покрытия дает предположение, что стойкость кристаллизатора составит не менее 3000 плавок.

При такой высокой стойкости кристаллизатора экономический эффект достигается за счет: сокращения числа ремонтов кристаллизатора, сокращения времени на обслуживание кристаллизатора и, как следствие, повышение годовой производительности и относительной стоимости разливки одной плавки металла. На примере ОАО «НТМК», экономическая эффективность применения стенок кристаллизаторов Mishima Kosan достигается за счет экономии затрат на кристаллизаторы в €200 000 по достижении 2000 плавок по сравнению с известными европейскими производителями стенок с гальваническим Co-Ni покрытием.

 

Библиографический список:

1.       Лейрих И.В., Смирнов А.Н., Жибоедов Е.Ю. и др. Особенности разрушения покрытий гильз кристаллизаторов высокоскоростных сортовых МНЛЗ // «Электрометаллургия», №4, 2007г. с.29-32;

2.       Николаев А.К. Материалы для кристаллизаторов непрерывного литья слитков // Современные материалы для кристаллизаторов, новые конструкции и покрытия кристаллизаторов. Киров. 27.11.02 – 28.11.02. с. 1- 5;

3.       Повышение износостойкости медных стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок // Металлы и цены. 2002г. №20. с.8.

4.       Brower K.J., Rapp K.D., Powers M.J. Advanced Alternative Coatings for Mold Copper Liner // Tech Paper Alt Coatings - AIST Spring 2005. 15p.;

5.       Алексеева Л.Е., Желобцова Г.А., Невский В.А. и др. Плазменная наплавка на медь и проблема повышения ресурса медных кристаллизаторов МНЛЗ // ОАО “Черметинформация”. Бюллетень «Черная металлургия». 2005г. №11. с.45-48.

Вернуться к списку публикаций