Изложницы и оснастка для отливки крупных слитков

Глава 1. Изложницы и оснастка для отливки крупных слитков

Для разливки стальных слитков в большинстве случаев  применяют сквозные чугунные расширяющиеся  кверху изложницы. Внутренняя форма  изложницы определяется требуемыми размерами и геометрической формой слитка. Сечение таких изложниц чаще всего шестигранное и восьмигранное, но может быть также двенадцати и  шестнадцатигранное. Стенки изложниц, как правило, выпуклые во внутреннюю ее часть, а сопряжения между гранями имеют закругления. Общий вид изложницы для крупного кузнечного слитка приведен на рис.1.

Рисунок 1 - Фотография изложницы для отливки крупного кузнечного слитка массой 200т.

Для изложниц с внешней  прибыльной подставкой или с регулированием массы слитка с помощью плавающей  прибыли используют сквозные поддоны  с углублением, образующим кюмпельную часть слитка. Для защиты поддонов от размывания струей металла при разливке применяют вкладыши, которые изготавливают из листов железа.

В последнее время  для разливки крупных слитков  все чаще применяется сифонная разливка. В этом случае поддоны изложниц выполняются  без углубления, но с отверстиями  для сифонного кирпича. Изложницы  под слитки массой до 30 т устанавливают  на двух или четырехместных поддонах, для более крупных слитков  применяют индивидуальные поддоны.

К числу особенностей эксплуатации изложниц следует отнести  достаточно жесткий режим повторяющегося термического удара при заливке  металла и последующего прогрева стенки изложниц до температур порядка 800-1000оС в ходе каждого цикла эксплуатации. При этом дополнительно следует  учитывать, что стенка изложницы  прогревается неравномерно как по сечению, так и по высоте. С другой стороны, режимы эксплуатации изложниц могут  значительно изменяться в каждом конкретном плавильном цехе, а также  сильно зависеть от реально сложившейся  производственной ситуации. В целом  же удельный расход изложниц, например, на тонну стали составляет в среднем 25-45 кг (а во многих случаях и значительно выше).

Для захвата изложниц при работе и транспортировке  на их теле имеются различные приспособления. Мелкие и средние сквозные изложницы  чаще всего изготовляют с ушками или специальными приливами, а крупные  изложницы отливают со специальными приливами (ушами) или литыми цапфами.

Практика сталелитейного производства показывает, что для  подавляющего количества изложниц успешно  используется различного рода чугун. Выплавка чугуна для изложниц крупных слитков  обычно осуществляется непосредственно в условиях конкретного сталеплавильного цеха. Между тем, в настоящее время нет единого мнения о том, какие марки чугуна целесообразно использовать в том или ином случае. Наиболее сложным является вопрос о регламентации формы графита в изложнице, поскольку этот параметр обеспечивает вариабельность свойств чугуна в весьма широких пределах. Поэтому при выборе материала изложницы во внимание принимается характер дефектов (трещин), возникающих в стенках изложниц в процессе эксплуатации в совокупности с показателем стойкости изложницы по превалирующим дефектам.

Основными причинами  выхода изложниц из эксплуатации являются образование продольных и поперечных трещин, возникновение на внутренней поверхности сетки разгара, коробление стенок изложниц и т.п. По признаку «образование трещины» и «коробление» выходит  из строя свыше 90% всех изложниц.

Классификация дефектов, возникающих в изложницах, впервые  предложена еще А.А.Горшковым. По этой классификации различают трещины первого, второго и третьего рода.

Возникновение трещин первого рода связывают с резким и односторонним нагреванием  изделия в течение короткого  промежутка времени от начала нагрева. Трещины первого рода могут быть как продольными, так и поперечными. Они, как правило, возникают с  наружной (менее нагретой) стороны  при первых наливах металла и  развиваются на больших участках. Обычно такие трещины проходят на всю толщину стенки изложницы, что  исключает ее дальнейшую эксплуатацию.

Трещины второго  рода возникают на внутренней (более  нагретой) поверхности изложницы  после достаточно большого числа  наливов (несколько десятков). В отличие  от трещин первого рода эти трещины  формируются и растут в размерах в течение значительного числа  наливов. Причиной их возникновения, видимо, следует считать формирование растягивающих  напряжений, вызванных ускоренным охлаждением  внутренних слоев стенки изложницы. Трещины второго рода также могут  быть как продольными, так и поперечными.

Трещины третьего рода обычно связывают с широко известным  явлением формирования «сетки разгара». Они представляют собой систему  мелких различно ориентированных трещин, образующихся на внутренней поверхности, нагреваемой до высоких температур после значительного числа односторонних  нагревов. Вероятно, основной причиной возникновения сетки разгара  следует считать циклически изменяющиеся растягивающие и сжимающие напряжения в совокупности с развитием явления  роста чугуна и его окисления. Отбраковку изложниц по этому виду дефектов осуществляют из соображений  обеспечения требуемого качества поверхности слитка.

Кроме различного рода трещин в процессе эксплуатации изложниц может наблюдаться их коробление, которое является, главным образом, результатом пластических деформаций материала под влиянием термических  и эксплуатационных напряжений. Как  правило, коробление сопровождается выпучиванием стенок изложниц, что следует рассматривать  как необратимое изменение размеров изложницы и геометрии слитка. Выпуклость стенок образуется вследствие того, что внутренние слои металла  стенок нагреваются до высокой температуры  и стремятся расшириться. Этому  процессу препятствуют наружные, более  холодные слои стенки изложницы. В этом случае пластическая деформация материала  изложницы направлена внутрь, так  как в этом направлении отсутствует  сопротивление деформации. Определенное влияние на процесс коробления изложниц может оказывать также и рост чугуна.

Различают два типа прибыльных надставок - внутренние (плавающие) и внешние (стационарные). Плавающая  прибыльная надставка имеет в  нижней части буртик, который служит для укрепления фасонных кирпичей, образующих опорное кольцо футеровки  прибыли. Конусность надставки обычно составляет 14-18%. За рубежом еще в  начале 50-х годов прошлого века использовали полностью плавающие прибыльные надставки. Эти надставки свободно опускались вместе с затвердевающим слитком, что исключало образование  горячих трещин в результате зависания  слитка. Перед разливкой положение  надставок фиксировалось деревянными  подставками, которые убирали после  окончания заполнения изложницы металлом.

Конструкция каркаса  внешней стационарной прибыльной надставки  отличается тем, что в нижнем основании  каркаса имеется кольцевая выточка, с помощью которой нижнее основание  прибыльной надставки сопрягается  с верхней частью изложницы, имеющей  кольцевой выступ. Такое сочленение прибыльной надставки с изложницей обеспечивает хорошую центровку  надставки и предотвращает прорыв металла в зазор между изложницей и надставкой. Фотография стационарной прибыльной надставки приведена на рис. 1.2

Рисунок 1.2 - Фотография изложницы и стационарной прибыльной надставки для отливки кузнечного слитка.

Конусность стационарной прибыли обычно составляет 25%, а относительный  объем металла –12-20% от массы слитка. Для укороченных слитков рекомендуется  прибыль с двойной конусностью (большой в нижней части и малой  в верхней части), что способствует локализации усадочной раковины.

Футеровка боковой  поверхности прибыльной надставки  теплоизоляционными материалами позволяет  существенно уменьшить тепловые потери прибыли. Наиболее простым приемом  является использование в качестве футеровки легковесных теплоизоляционных  материалов. Поскольку затраты тепла  на разогрев футеровки составляют самую  значительную часть тепловых потерь металла прибыли (60-75%), всякое снижение теплоёмкости материала футеровки, то есть. уменьшение аккумулирующей способности надставки представляется весьма желательным. Применение футеровки из пеношамотных материалов, диатомитового кирпича или другого специального термоизоляционного кирпича позволяет уменьшить объём прибыли от 2 до 5 % в зависимости от теплоёмкости изоляционного материала. 
     Недостатком этого способа является низкая стойкость футеровки надставок, составляющая 1-2 плавки. Это заставляет прибегать к обмазке изоляционного кирпича слоем более огнеупорного материала, что позволяет увеличить стойкость футеровки, однако последняя всё же остаётся недостаточно высокой для применения этого способа в массовом производстве и в значительной мере уменьшает его экономическую эффективность. 
      Достаточно привлекательным является получивший распространение за рубежом способ замены обычных прибыльных надставок безкорпусными керамическими надставками, изготовляемыми отливкой из огнеупорных бетонов. Такие надставки позволяют уменьшить объём прибыли примерно на 40%, по сравнению с обычными. Стойкость их почти в два раза выше стойкости кирпичной футеровки обычных надставок. Единственным их недостатком является то, что в процессе службы в результате износа внутренней поверхности, объём прибыли, при постоянной высоте налива, возрастает, примерно на 15% (через 75 плавок). 
     Более перспективным является применение экзотермических вставок, которые укладываются на футеровку прибыльной надставки и, тем самым, ограничивают тепловой поток через ее боковую поверхность. Для многих случаев наиболее удобным оказалось применение одноразового экзотермического утеплителя из специального материала (например, материал BORFAX, фирма «FOSECO»), который поставляется в виде ленты из отдельных секций. В зависимости от массы слитка толщина секций может быть 30,40 и 60 мм. Такой утеплитель устанавливается на круглую прибыльную надставку, как показано на рис.1.3. При отливке слитков квадратного и прямоугольного сечения используют вкладыши в виде пластин, которые закрепляют клиньями. Экзотермические вставки могут применяться совместно с высокоэффективными теплоизоляционными материалами, что в принципе позволяет полностью отказаться от шамотной футеровки надставки. 
      Установлено, что за счет применения экзотермических боковых плит в комплексе с утеплением такими смесями зеркала металла в прибыли оказывается возможным получать высококачественные слитки с объемом прибыли 7-13%. При этом усадочная раковина получается мелкой, что позволяет значительно повысить выход годного металла. 
Большое внимание при подготовке изложниц к разливке уделяется состоянию стенок изложниц. Как правило, перед заливкой стенки изложниц тщательно очищают от металла и шлака, а затем покрывают специальной смазкой. Главное назначение таких смазок состоит в том, чтобы:

Рисунок 1.3 - Установка экзотермических вкладышей для дополнительного утепления прибыли крупного слитка

замедлять затвердевание  краев мениска поверхности жидкой стали в изложнице; 
предотвращать окисление поверхности мениска жидкой стали; 
предотвращать приставание к стенке изложницы брызг стали; 
понижать трение между изложницей и металлом; 
способствовать равномерному затвердеванию корочки слитка; 
предотвращать образование заворотов корки на поверхности слитка.

Для смазки поверхности  изложниц чаще используют летучие органические материалы, такие как смола, лак, отходы производства целлюлозы и  т.п. Смазку изложниц производят равномерным  слоем без подтеков. Особое внимание следует обращать на недопустимость скопления смазки в углах и  на дне изложниц, поскольку это  приводит к образованию подкорковых  пузырей и поверхностных дефектов на слитках. Содержание влаги в смазке не должно превышать 0,5 %. Применение смазок для изложниц позволяет расширить  допустимые интервалы скорости и  температуры разливки без ухудшения  качества поверхности слитков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Разливка стали в крупные слитки

Выдержка  слитков в изложницах.

Процесс затвердевания  слитков и охлаждения их до заданной температуры занимает достаточно длительный отрезок времени и может составлять от нескольких часов до десятков часов в зависимости от массы слитка.

Существующие на металлургических предприятиях режимы охлаждения и нагрева стальных слитков, определяемые, как правило, эмпирически  на основании производственного  опыта, не всегда являются энергетически  выгодными, т.к. предполагают чрезмерное их охлаждение, а затем большие  затраты энергии и времени  на нагрев. Это приводит к сокращению полезной производственной площади, а  также к снижению интенсивности  использования и стойкости сменного оборудования.

Определение оптимального времени выдержки слитков в изложницах возможно только при наличии точных сведений о кинетике их затвердевания, а также об изменении температуры  поверхности слитков во времени. Такая информация может быть получена опытным путем, однако проведение необходимых  экспериментальных исследований является весьма трудоемким, что связано со значительными материальными затратами  и довольно часто не обеспечивает необходимой точности.

С определенным приближением для слитков, завершающих кристаллизацию в горизонтальном направлении, продолжительность  полного затвердевания определяют по упрощенной формуле В.М. Тагеева, учитывающей отношение высоты слитка к его попереному сечению:

Следует отметить, что  чрезмерная выдержка слитков сверх  этого времени для ряда легированных марок стали (например, 60ХН, 30ХН3, 36Г2С  и др.) приводит не только к неоправданным  потерям тепла, но и к образованию  продольных поверхностных трещин, если температура поверхности слитка становится ниже 700-800°С. Последующая  технологическая операция нагрева  слитков перед ковкой в случае их посада в печь с низкой температурой поверхности весьма часто приводит к образованию поперечных трещин, а иногда и к полному разрушению слитков. На рис.2.1 приведена фотография половинок расколовшегося при охлаждении 30-ти тонного слитка.

Рисунок 2.1. – Фотография частей расколовшегося при охлаждении 30-т слитка.

Существенное расширение возможностей разработки технологии охлаждения и нагрева слитков обеспечивает применение методов математического  моделирования. В результате расчетов определяется температурное поле в  затвердевающем слитке и динамика продвижения  изотерм затвердевания с заданным количеством твердой фазы.

Следует иметь в  виду, что крупные кузнечные слитки должны затвердеть до их раздевания, т.к. транспортировка слитков производится в горизонтальном положении на железнодорожных  платформах. Исходя из этого, длительность выдержки таких слитков в изложницах определяется временем их полного затвердевания.

Для предотвращения наружных и внутренних трещин нельзя допускать резкого охлаждения слитков. Охлаждение слитков легированных сталей до низких температур должно проводиться  в изложницах или специальных  кессонах. Горячие слитки даже небольшой  массы следует вывозить из цеха на специально оборудованных платформах. Для уменьшения тепловых потерь при  транспортировке слитки накрывают  колпаками, футерованными шамотным кирпичом.

В табл.2.2 приведены некоторые данные по уточненным значениям времени выдержки слитков в изложницах в зависимости от массы слитков, продолжительности затвердевания и температуры поверхности в центральной части.

Таблица 2.2 - Время полного затвердевания, температура поверхности крупных слитков и рекомендуемое время выдержки их в изложницах