Технология непрерывного литья заготовок представляется сегодня одним из ключевых направлений в металлургической отрасли, кардинально изменившим способы получения металлических полуфабрикатов. Благодаря этому процессу возможно максимально эффективно и с минимальными потерями производить слитки, обладающие высокой однородностью и качеством структуры. В условиях стремительного развития отрасли и усиления требований к качеству выпускаемой продукции технология непрерывного литья заготовок (НЛЗ) является незаменимой для обеспечения конкурентоспособности металлургических предприятий.

История развития метода насчитывает уже более полувека, за это время процесс претерпел серьезную эволюцию – значительную модернизацию как технологического, так и аппаратного обеспечения. В центре внимания данной статьи будет принцип работы и устройство машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), а также особенности технологии НЛЗ, преимущества, проблемы и тенденции развития этой отрасли.

Общее описание технологии непрерывного литья заготовок

Непрерывное литье заготовок – это метод получения слитков из расплава стали (или других металлов) с одновременным формированием и охлаждением, что позволяет значительно повысить производительность и качество продукции по сравнению с традиционными способами разливки в монолитные формы. В основе лежит принцип непрерывного вытягивания металлической заготовки из кристаллизатора, через который подается расплавленный металл.

В процессе непрерывного литья заготовка формируется в интервале между подающей системой и охлаждающими узлами, что позволяет создавать многотонные полуфабрикаты с различной формой поперечного сечения – квадратные, прямоугольные, круглые и даже сечение сложной конфигурации. Результат – сшитая и однородная металлургическая структура с минимальными дефектами.

Данная технология сегодня применяется практически на всех крупных металлургических комбинатах по всему миру, способствуя оптимизации производственных затрат и снижению энергозатрат. Например, удельное энергопотребление при НЛЗ на 20-30% ниже, чем при классической разливке, а производительность одной машины непрерывного литья может достигать нескольких десятков тысяч тонн в год.

Принцип работы машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

Машина непрерывного литья заготовок – это комплекс технических устройств и механизмов, создающих условия для постоянного процесса образования металлической заготовки из расплава. Основой МНЛЗ является кристаллизатор – медный блок с внутренними каналами для циркуляции охлаждающей воды. В него наливается расплавленный металл, который начинает затвердевать с контактирующих поверхностей.

Далее металлическая корка, образующаяся в кристаллизаторе, постепенно вытягивается вниз с регулируемой скоростью с помощью системы роликов и приводов. В этот момент заготовка проходит через несколько охлаждающих зон, которые снижают температуру металла и осваивают тепловые напряжения, формируя прочный монолитный слиток.

Механизм вытягивания обычно делается с плавной регулировкой скорости, что необходимо для поддержания оптимального баланса между охлаждением и формированием структуры. Сложность заключается в том, что скорость процесса напрямую влияет на микроструктуру и качество конечного продукта. Современные МНЛЗ оснащены системами автоматического контроля температуры, механического усилия и других параметров, что обеспечивает стабильность процесса.

Устройство и конструктивные элементы машины непрерывного литья заготовок

Основные компоненты МНЛЗ можно разделить на несколько ключевых узлов, каждый из которых играет свою роль в технологической цепочке:

• Стальной накопительный ковш – служит для сбора расплава и перепуска его в кристаллизатор. Наличие дозирующего устройства обеспечивает контроль подачи металла.
• Кристаллизатор – основной элемент, формирующий корку металла. Изготавливается из меди с системой охлаждения для поддержания заданного температурного режима.
• Система вытягивания – роликовый механизм или привод, отвечающий за движение заготовки вниз с нужной скоростью.
• Охлаждающие устройства – включают форсунки с водой или воздушным охлаждением, которые стабилизируют температуру после выхода заготовки из кристаллизатора.
• Секция закалки и транспортировки – продвигает сформированную заготовку к оборудованию следующей стадии производства (прокатному станову, резке и т.п.).

Также в конструкции часто присутствуют системы диагностики (термопары, камеры, датчики усилия), которые модернизируются с каждым поколением МНЛЗ. К примеру, на современных комплексах используются технологии мониторинга кристаллизации в реальном времени путем акустического анализа и видеоконтроля.

Преимущества и недостатки технологии непрерывного литья

В сравнении с традиционными разливочными технологиями, НЛЗ обладает рядом существенных преимуществ, которые и обуславливают его популярность:

• Повышение производительности. Непрерывный процесс исключает перерывы и позволяет выпускать до нескольких сотен тысяч тонн годовой продукции на одной установке.
• Улучшение качества металла. Однородная структура, сниженное количество пустот и трещин, а также уменьшение включений кислорода и шлака.
• Снижение затрат. Экономия металла, уменьшение расхода энергии и сырья, снижение ручного труда.
• Экологичность. Меньшее количество отходов, снижение выбросов в атмосферу благодаря замкнутым контурам охлаждения и закрытым ковшам.

Однако даже у технологии есть свои нюансы и недостатки, которые следует учитывать:

• Высокая капиталоемкость оборудования. Инвестиции в МНЛЗ весьма существенны, что требует долгосрочного планирования и рентабельности.
• Сложность запуска и отладки. Для установки и настройки режима требуется высокий уровень квалификации персонала и длительные испытания.
• Ограничения по сортам и маркам стали. Некоторые виды сплавов с высокой склонностью к образованию трещин при быстром охлаждении сложно обрабатывать таким способом.
• Возможность дефектов кристаллизации. Несмотря на автоматизацию, иногда возникают внутренние дефекты: неметаллические включения, усадочные поры.

Технологические параметры процесса непрерывного литья

Ключевыми параметрами, управляющими успешностью процесса НЛЗ, являются температура расплава, скорость вытягивания, параметры охлаждения и качество исходного металла. Для достижения оптимального результата их тщательно подбирают и контролируют во время работы.

Температура расплава при входе в кристаллизатор обычно поддерживается в диапазоне 1550-1600 °C для стали, что гарантирует хорошее заполнение формы и равномерное застывание поверхности. Выход металла из ковша производится с поддержанием заданного расхода, чтобы избежать переполнения или деформации корки.

Скорость вытягивания колеблется в диапазоне 1–3 метра в минуту и зависит от марки стали, размеров заготовки и типа кристаллизатора. Слишком высокая скорость приводит к недостаточной толщине затвердевшей корки и вероятности потерять форму, а слишком низкая – снижает производительность.

Качество охлаждения контролируется в реальном времени: интенсивность охлаждающей воды, давление подачи и ее распределение по поверхности кристаллизатора. Современные МНЛЗ используют многоступенчатую систему охлаждения, позволяющую избежать трещин и внутрькорковых напряжений.

Роль автоматизации и современных технологий в работе МНЛЗ

Внедрение автоматизированных систем управления (АСУ) и цифровых технологий кардинально повысило эффективность и надежность работы машин непрерывного литья. Благодаря автоматике стабилизируется режим, уменьшается уровень человеческой ошибки и повышается себестоимость продукции.

Современные МНЛЗ оснащаются современными датчиками температуры, давления, усилия, а также видео- и акустическими системами контроля. Системы искусственного интеллекта анализируют получаемые данные и на основе алгоритмов подстраивают режим работы, оптимизируя процесс. Например, на некоторых заводах уже внедрены системы прогнозирования дефектов с помощью нейросетей.

Кроме того, цифровые двойники (виртуальные модели оборудования) позволяют тестировать различные режимы в симуляторах до применения на реальном производстве, что уменьшает время переналадки и снижает риски аварийных ситуаций.

Перспективы развития и инновации в технологии непрерывного литья

Перспективы развития НЛЗ связаны с интеграцией современных материалов, совершенствованием конструкции кристаллизаторов и ростом степени автоматизации. Исследуются новые сплавы и покрытия для увеличения устойчивости и срока службы оборудования, а также внедряются технологии быстрого охлаждения для получения уникальных свойств металла.

Одно из направлений – разработка многофункциональных МНЛЗ, способных работать с разнообразными суммами и марками стали в одном производственном цикле за счет быстрого переналадки и адаптации режимов. Также активно развивается направление экология: уменьшение потребления воды, внедрение систем вторичной переработки охлаждающей среды, снижение выбросов.

Интеграция искусственного интеллекта и «Индустрии 4.0» продолжается, создается инфраструктура «умных» предприятий. Использование датчиков IoT и облачных платформ данных позволит в реальном времени отслеживать и управлять производством, повышая гибкость и качество продукции.

В долгосрочной перспективе технология непрерывного литья будет не только совершенствоваться с технической стороны, но и становиться более экологичной и экономичной, позволяя металлургии отвечать на вызовы современного рынка и требования устойчивого развития.

В итоге непрерывное литье заготовок и устройства МНЛЗ сегодня представляют собой вершину развития металлургической технологии, сочетая в себе эффективность, качество и инновационные решения. Именно благодаря этому процессу удается удовлетворять постоянно растущий спрос на высококачественные металлопродукты во всем мире.