3 (72), 2013 / 199 УДК 669 . Поступила 19.08.2013 с. и. ШАХоВ, А. с. сМолякоВ, В. Г. ГРАчеВ, А. А. солоВьеВ, АХк «ВНииМетМАШ» − зАо «ЭМт» высокоэФФективНое оБорудоваНие вНииметмаШ для электромагНитНого перемеШиваНия жидкого металла в кристаллиЗаторах мНлЗ при литЬе круглых и сортовых Заготовок ВНииМетМАШ длительное время занимается проблемами электромагнитного перемешивания при непрерывной разливке сортовых и круглых заготовок. В основу концепции ВНииМетМАШ положен принцип максимально возможно- го приближения статора ЭМП к жидкой фазе слитка. являясь разработчиком оборудования МНлз, в том числе и кристаллизаторов, ВНииМетМАШ разработал типовой ряд устройств ЭМП, встроенных в корпус кристаллизатора без существенного изменения его конструкции. VNIIMETMASh has been dealing for a long time with the problems of electromagnetic agitation at continuous pouring of profiled and round billets. The principle of the maximum possible close approach of the EPM stator to liquid phase of ingot is put into basis of the concept of VNIIMETMASh. Being the design engineer of the MNLZ equipment including crystallizers, VNIIMETMASh has developed a typical number of the EMP devices built in the case of crystallizer without essential change of its construction. В последнее время неуклонно растет доля ста- ли, разливаемой на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) . Современные металлургиче- ские заводы стремятся не только увеличить произ- водительность своих МНЛЗ, но и повысить каче- ство непрерывнолитых заготовок (НЛЗ) и проката и существенно расширить сортамент разливаемых сталей и сплавов . Наряду с этим эффективная металлургия и конкурентная среда требуют обеспечения ресур- сосбережения и экологической чистоты производ- ства . Поэтому для производства НЛЗ весьма акту- альным является поиск новых решений, основан- ных, в том числе, на использовании экологически чистых видов энергии, способных создать предпо- сылки для повышения качества металлопродукции и улучшения технико-экономических показателей производственного процесса . Качество НЛЗ определяется рядом технологи- ческих мероприятий, в том числе выбором режи- мов и параметров литья, используемыми огнеупо- рами на участке «сталеразливочный ковш – кри- сталлизатор МНЛЗ», защитой стали от вторичного окисления, оптимальными значениями темпера- турного режима и скоростью разливки, а также конструктивными особенностями металлургиче- ского оборудования . Высокие требования к каче- ству макроструктуры непрерывнолитых заготовок приводят к необходимости тщательной подготовки жидкой стали к разливке и применения ряда огра- ничений, например, по температуре и скорости ли- тья, что не только снижает производительность МНЛЗ, а во многих случаях вызывает ухудшение качества НЛЗ и проката . Кроме того, существует ряд дефектов макро- структуры НЛЗ, связанный с процессом кристал- лизации, усадочными и ликвационными процесса- ми, которые не могут быть устранены даже при оптимальных конструктивных особенностях обо- рудования МНЛЗ и технологических параметрах процесса непрерывной разливки . Для подавления и предотвращения появления де- фектов кристаллизационного, усадочного и ликвацион- ного характера широкое распространение получили физические методы воздействия на кристаллизующий- ся слиток с помощью специальных технических средств, в том числе перемешивание жидкой фазы не- прерывнолитой заготовки посредством наложения раз- личного рода электромагнитных полей . Электромаг- нитное воздействие на кристаллизующийся слиток представляет собой процесс перемешивания его жид- кой фазы посредством электромагнитных сил, кото рые возникают при взаимодействии магнитного поля с электрическим током . В этом случае исключается не- обходимость непосредственного контакта с жидким металлом и появляется возможность автоматического управ ления процессом структурообразования по всей длине жидкой лунки при различных режимах литья 200 / 3 (72), 2013 и разнообразном марочном и размерном сортамен- тах отливаемых заготовок . Проведенные многочисленные исследования позволили металлургам сделать однозначный вы- вод о высокой эффек тивности метода электромаг- нитного перемешивания (ЭМП) жидкой лунки кристаллизующегося непрерывного слитка . В на- стоящее время большинство вновь строящихся и реконструи руемых МНЛЗ, сортамент которых включает широкий марочный сортамент разливае- мых сталей, оснащаются различными типами уст- ройств ЭМП . Поток информации об исследованиях в данной области не ослабевает . Следует отметить, что публи- куемая различными фирмами инфор мация противо- речива и имеет во многом конъюнктурный характер . Од нако в большинстве работ содержится много об- щего . Так, ряд авторов отмечают связь металлурги- ческого эффекта при электромагнитном перемешива- нии со скоростью потоков жидкого металла у фронта кристаллизации . При этом величина оптимальной скорости движения металла должна удовлетворять нескольким условиям . С одной стороны, она должна быть выше некой минимальной величины, при кото- рой шлак и неметаллические включения начинают центрифугироваться в осевую зону мениска . С дру- гой стороны, скорость движения не должна превы- шать определенную максимальную величину, в про- тивном случае завихрение поверхности мениска мо- жет быть настолько глубоким, что невозможно будет вылавливать шлак с поверхности мениска, при этом также могут появиться негативные металлургиче- ские эффекты в виде отрицательной ликвации и пор вдоль фронта кристаллизации . Для эффективного воздействия электромагнитного перемешивания ре- комендуется поддерживать указанную скорость на уровне 0,3−1,0 м/с . Наибольшее влияние на качество поверхности и макроструктуры НЛЗ оказывает ЭМП в кристал- лизаторе . Большинство зарубежных фирм, таких, как Rotelec, ABB и др ., предлагают преимуще- ственно системы ЭМП с внешним расположением статора . В этом случае статор ЭМП охватывает снаружи корпус кристаллизатора, выполненный из немагнитной стали аустенитного класса . Это при- водит к существенному увеличению расстояния между полюсами магнитной системы и, следова- тельно, к увеличению габаритов статора, его массы и возрастанию нагрузки на механизм качания, если статор устанавливается на его качающуюся раму . Увеличение расстояния между полюсами, в свою очередь, приводит к снижению величины индук- ции и соответственно максимальной скорости в расплаве . При внешнем расположении статора требуется отдельный контур охлаждения дистил- лированной водой, что значительно увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты . Также необходимо отметить, что применение унифици- рованных систем ЭМП, расположенных вне корпу- са кристаллизатора, в ряде случаев, когда меньший формат отливаемых заготовок существенно отли- чается от большего, нивелирует эффект от ЭМП при разливке заготовок минимального сечения . ВНИИМЕТМАШ, являясь производителем современного металлургического оборудования, в том числе и кристаллизаторов МНЛЗ, разработал концепцию высокоэффективного ЭМП для кри- сталлизаторов машин непрерывного литья загото- вок . В основу концепции положен принцип макси- мально возможного приближения полюсов статора к жидкой фазе слитка для достижения высокой скорости перемешивания при низкой потребляе- мой мощности . Это достигается, главным образом, за счет того, что электромагнитное перемешиваю- щее устройство, создающее вращающее магнитное поле, встроено в корпус кристаллизатора (рис . 1) . Отличительной особенностью конструкции разра- ботанных ВНИИМЕТМАШ кристаллизаторов ЭМП является то, что охлаждение катушек полюсов ста- тора осуществляется водой, предназначенной для охлаждения медных рабочих стенок кристаллиза- тора . В этом случае не требуется отдельного до- полнительного контура охлаждения и способов подготовки охлаждающей воды . При этом статор и корпус кристаллизатора про- ектируются на максимальный размер заготовки . Рис . 1 . Кристаллизатор электромагнитный перемешиватель для литья заготовок сечением от 250 до 360 мм / 201 3 (72), 2013 При переходе на меньший размер заготовки требу- ется извлечь гильзу и обечайку одного размера и затем установить и закрепить снизу и сверху фланцами гильзу и обечайку меньшего размера . Данная компоновка системы ЭМП в кристаллиза- торе позволяет в 2–5 раз уменьшить расход потре- бляемой электроэнергии при одинаковом воздей- ствии по сравнению с внешним расположением индуктора (рис . 2) . Расчеты произведены для НЛЗ сечением 410 мм (слева) и 150 мм (справа) . Рис . 2 . Распределение силовых линий магнитного поля в статоре ЭМП при токе фазы 200 А (а); распределение амплитудных значений индукции в жидкой стали по оси полюсов при частотах 0,5−5,0 и 10 Гц (б); зависимость максимальной скорости жидкого металла у фронта кристаллизации от частоты при токе I = 200 A (в) 202 / 3 (72), 2013 Металлографические исследования качества сортовых заготовок показали, что при использова- нии кристаллизатора с ЭМП существенно меняет- ся соотношение структурных зон – зона столбча- тых кристаллов уменьшается, а зона равноосных – увеличивается . Даже при высоком перегреве над температурой ликвидуса доля равноосных дендри- тов составляет не менее 40% площади заготовки (рис . 3) . Максимальный балл по центральной пористо- сти в квадратных заготовках небольшого сечения с ЭМП уменьшается с 4,0 до 2,5 балла (рис . 4) . Сни- жается зональная и осевая ликвация в заготовках из высокоуглеродистой стали, что дало возмож- ность получить прокат, в котором протяженность мартенситных участков не превышает 20 мкм . Применение электромагнитного перемешива- ния в сортовых кристаллизаторах позволяет сни- зить исходный размер непрерывнолитых заготовок и освоить технологию разливки в сортовые заго- товки небольшого сечения марок стали с широким интервалом кристаллизации, в том числе высоко- углеродистых . Анализ макроструктуры круглых заготовок се- чением 250 мм и проката из них показал, что при- менение ЭМП в кристаллизаторе и зоне вторично- го охлаждения высокоэффективны и экономичны, так как обеспечивают достижение положительных металлургических результатов при минимальных затратах (рис . 5–7) . Так, например, снижается балл по центральной пористости и осевой ликвации с 1,5–2,5 до 0,5–1,0; по осевым трещинам – с 1,5– Рис . 3 . Зависимость протяженности зоны равноосных кристаллов (ЗРК) от перегрева металла над температурой ликвидус при разливке в заготовки сечением 125×125 мм высокоуглеродистых марок стали . Одна точка соответствует одной плавке Рис . 4 . Макроструктура продольных темплетов сортовых непрерывнолитых заготовок из высокоуглеродистых марок стали, отлитых с ЭМП и контрольных Рис . 5 . Макроструктура поперечных темплетов круглых не- прерывнолитых заготовок из нержавеющих марок стали, от- литых с ЭМП и контрольных / 203 3 (72), 2013 2,0 до 0,5–1,0, а краевые точеные загрязнения при применении ЭМП полностью отсутствуют, учиты- вая, что без ЭМП балл по КТЗ составляет 2–3 . В заключение необходимо отметить, что устройства электромагнитного перемешивания в кристаллизаторах МНЛЗ разработки АХК «ВНИИМЕТМАШ» – ЗАО «ЭМТ» по сравнению с зарубежными аналогами позволяют уменьшить потребление электроэнергии до 1,1 млн . кВт·ч на один ручей ежегодно при работе МНЛЗ 320 сут в году . Рис . 6 . Макроструктура поперечных темплетов круглых НЛЗ, отлитых с ЭМП и контрольных с развитой централь- ной пористостью Рис . 7 . Макроструктура поперечных темплетов круглых НЛЗ и проката с ЭМП: а – литая заготовка диаметром 250 мм с ЭМП; б – прокатаная заготовка диаметром 105 мм с ЭМП