Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных задач развития черной металлургии является повышение качества выплавляемой стали и готового проката, и снижение себестоимости. Одной из статей снижения себестоимости является эксплуатация сменного оборудования с минимальным расходным коэффициентом. Повышение качественных и экономических показателей металлургического производства частично зависит от качества и стоимости сталеразливочного оборудования в частности изложниц. Усилиями коллективов научно-исследовательских институтов и заводских лабораторий определяются пути совершенствования качества и повышения срока службы изложниц, однако ряд вопросов все еще является проблематичными и недостаточно оснащенными. Особого внимания заслуживают следующие направления:

· улучшение качества чугуна применяемого для производства изложниц;

· повышение термостойкости рабочей поверхности изложниц;

· уход за парком эксплуатируемых изложниц (чистка, смазка, ремонт и т.д.);

· поиск методов эксплуатации изложниц для повышения их стойкости.

Учитывая, что сокращение расхода изложниц и повышения их стойкости является важным резервом в сокращении затрат на производство стали, необходимо больше внимания уделять качеству изготовления и эксплуатации изложниц.

Расход изложниц зависит от большого числа факторов, среди которых: условия выплавки чугуна и его химический состав, технология отливки изложниц, температура и сортамент разливаемой стали, условия эксплуатации изложниц и др.

Анализируя данные [12, 13] по эксплуатации изложниц можно определить пути повышения их стойкости для снижения затрат на производство тонны стали.

Проблемы повышения качества изложниц и их эксплуатации сохраняются актуальными и на ближайшее будущее.

В данной работе проведены исследования причин выхода изложниц из строя, а так же влияние времени пребывания металла в изложнице и коэффициента оборачиваемости изложниц на их стойкость. Устранение этих причин не требует дополнительных капиталовложений и больших затрат и позволяет повысить стойкость и уменьшить расходный коэффициент изложниц, что в конечном итоге дает снижение себестоимости выплавляемой стали [30...32].

ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗЛОЖНИЦ

Классификация изложниц

По своему назначению применяются два типа изложниц: изложницы для разливки кипящей стали и изложницы для разливки спокойной стали. Конструкция изложниц для кипящей стали не зависит от того, разливается ли сталь сверху, непосредственно из ковша, или разливается снизу - сифонным способом. Конструкция изложниц для спокойной стали часто зависит от способа разливки и от того, как обрабатываются слитки - прокаткой или ковкой. Вес слитка и форма изложниц для кипящей и спокойной стали зависит от мощности станов и от того, на каком обжимном стане прокатывают слитки - на блуминге или на слябинге: изложницы для блуминговых слитков имеют квадратное сечение, изложницы для слябинговых слитков - прямоугольное [1].

Геометрические размеры изложниц

Вопросу определения оптимальной толщины стенок изложниц посвящено множество исследований [2,10]. Это объясняется стремлением создать условия для получения максимальной стойкости изложниц и наиболее быстрое затвердевание слитков, так как качество литого металла в наибольшей степени зависит от химической однородности, которая обусловлена ликвацией примесей, и при прочих равных условиях, значительно зависит от скорости затвердевания металла в изложнице. До недавнего времени считалось, что чем больше толщина стенок изложницы, тем больше скорость затвердевания слитков [4]. Однако исследования последних лет убедительно доказывают, что увеличение толщины стенок изложницы целесообразней лишь до некоторой величины, дальнейшее же увеличение ее на возрастание скорости затвердевания слитков влияет незначительно [4].

Так, Скороходов Н. Е., в результате проведенного им исследования, показал, как изменяется скорость затвердевания 6-ти тонного в изложницах разной толщины [5]. В указанной работе слитки отливали в изложницы одинаковые по емкости и типу, но с разной толщиной стенок (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Размеры исследованных в [5] изложниц

Тип изложницы	Масса изложницы, мкг	Толщина стенок изложницы, мм	Размеры внутреннего сечения, мм	Внутренняя высота изложницы, мм
		Верх	Низ	Верх	Низ
Толстостенная	9600	140	220	690	535	1900
Тонкостенная	4200	80	80	690	535	1900

Скорость кристаллизации слитков в этих условиях проверяли путем выливания незатвердевшего металла с изложниц через определенное время. Средние результаты четырех измерений (табл. 1.2) показали, что в тонкостенной изложнице затвердевание металла происходит даже быстрее, чем в толстостенной. Так через 30 минут средняя толщина закристаллизовавшейся корки составила 151 мм против 139 мм у изложницы со средней толщиной стенки 180 мм, кроме того, с увеличением выдержки эта разница увеличивается (см. табл. 1.2), что можно объяснить снижением теплового потока за счет большей аккумуляции тепла изложницей с большей толщиной стенок.

Таблица 1.2 - Динамика затвердевания слитка в изложницах с различной толщиной стенок

Изложница	Объем пустоты после выдержки, м3	Средняя толщина твердой корки после выдержки, мм
	10 мин	30 мин	60 мин	100 мин	10 мин	30 мин	60 мин
Толстостенная	0,319	0,179	0,060	0,017	89	139	205
Тонкостенная	0,320	0,160	0,035	0	89	151	254

Автор указанного исследования объясняет более быстрое затвердевание металла в тонкостенной изложнице тем, что она быстро прогревается, при этом температура ее наружной поверхности достигает величины большей, чем у толстостенной изложницы за тот же промежуток времени. Поверхность, нагретая до высокой температуры, больше отводит тепла лучеиспусканием и конвекцией, что видно из следующего уравнения:

q_изл = С₁·{(Т₁/100)⁴ - (Т₀/100)⁴} (1.1)

q_изл = б·(Т₁ - Т₀) (1.2)

где: С₁ -- коэффициент излучения;

б -- коэффициент теплопередачи конвекцией;

Т₁ -- абсолютная температура наружной поверхности изложницы;

Т₀ -- абсолютная температура среды.

В тоже время аккумулирующая способность изложниц почти полностью исчерпывается задолго до окончания затвердевания слитков. Так, например, за 60 минут кристаллизации аккумулирующая способность толстостенной изложницы т.е. способность поглощать теплоту, выделяемую слитком при охлаждении, исчерпывается на 91 %, в это время доля излучаемого тепла такой изложницей составляет 10 %; в тонкостенной изложнице за 60 минут аккумулирующая способность исчерпывается на 100 %, однако доля излучаемого тепла, воспринимаемой этой изложницей от охлаждаемого металла, будет большей, чем для толстостенной изложницы.

В тонкостенной изложнице получаются меньшие температурные перепады между внутренней и наружной поверхностью, чем в толстостенной, что способствует повышению стойкости тонкостенных изложниц.

Увеличение толщины стенок изложницы приводит к увеличению их веса, вследствие чего расход изложниц на единицу стали в слитках возрастет. При этом также возможно уменьшение стойкости изложниц, так как с увеличением толщины стенок перепад температур между внутренней и наружной поверхностью возрастает как при затвердевании в ней слитка, так и при охлаждении ее. Увеличение перепада температур приводит к повышению термических напряжений, что способствует образованию трещин на рабочей поверхности изложниц.

Таким образом, изложницы следует делать тонкостенными, принимая при конструировании толщину стенок, равной 0,15...0,20 средней ширины слитка, при этом нижний предел 0,15 для слитков весом более 7 тонн, верхний - 0,20 для слитков весом менее 2 тонн [1].

При выборе толщины стенок следует руководствоваться также конструктивными соображениями механической прочности и устойчивости изложниц [1].

При соблюдении указанных условий выбора толщины стенок и дна изложниц, их общий вес, по отношению к весу отливаемых слитков, будет составлять 0,9...1,1. У изложницы без дна, предназначаемых для отливки слитков кипящей стали, это отношение будет равно примерно 0,7...0,9 [1].

При конструировании изложниц следует уделять особое внимание форме и размерам полости для отливки слитков. В дальнейшем, для удобства изложения, вместо размеров полости изложниц следует рассматривать вес и габаритные размеры слитков.

Чрезмерное увеличение высоты слитков, при неизменной ширине, отрицательно влияет на их качество. Так например, значительное увеличение высоты слитков, разливаемых сверху, способствует увеличению разбрызгивания стали при наполнении изложниц, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества плен и подкорковых пузырей на поверхности слитков. Увеличение высоты слитков спокойной стали вызывает также ухудшение внутреннего строения слитков вследствие развития усадочной рыхлости. При увеличении высоты слитков спокойной стали, разливаемой сифонным способом, увеличивается продолжительность наполнения изложниц, вследствие чего усиливается охлаждение открытой поверхности металла, поднимающегося в изложнице при разливке, что приводит к образованию на ней твердой окисленной "корочки" и к заворотам ее.

Увеличение высоты слитка кипящей стали, при неизменной ширине, его, ухудшает кипение стали в изложнице, так как при этом повышается ферростатическое давление в слитке, что затрудняет зарождение и всплывание пузырьков газа [5].

С другой стороны, увеличение поперечных размеров изложниц, при неизменной высоте их, как у слитков кипящей стали, так и слитков спокойной стали приводит к увеличению цикла, а также способствует большему развитию химической неоднородности, в результате увеличения массы слитка и времени его кристаллизации. Чрезмерное увеличение толщины слитков резко снижает производительность обжимных станов. При выборе толщины слитка необходимо также учитывать возможность захвата его клещами стрипперного крана.

С учетом вышесказанного при проектировании изложниц для стальных слитков применяют [4] следующие отношения высоты к средней ширине в верху слитка:

При весе слитка до 1 т - 5; от 1 т до 5 т - 4; свыше 5 т - 2,5...3.

Более подробная методика определения соотношения высоты слитка к его среднему диаметру приведена в работе [33]. Согласно данным этой работы для избежания формирования усадочной осевой рыхлости отношение Н/Д должно составлять не более 0,9...1 (для обеспечения направленности затвердевания конусность слитка в этом случае задавать не требуется, ограничившись лишь технологическим наклоном для облегчения извлечения слитка из изложницы); при больших значениях этого критерия необходимо задавать конусность слитка К = (Д_верх - Д_низ)•Н_сл·100 = 15...16 %.

Изложницы, применяемые для отливки слитков, предназначенных для прокатки, делают обычно квадратного или прямоугольного сечения. Углы внутреннего контура изложницы закругляются, при этом значительно увеличивать радиус закруглений не допустимо, так как в этом случае форма слитка приближается к цилиндрической, у которой, вследствие наименьшей поверхности для данного объема слитка, тангенциальные напряжения в затвердевающем слое достигают наибольшего значения, что увеличивает склонность к образованию на поверхности слитка продольных трещин. При малом радиусе закруглений также появляется возможность образования продольных трещин на углах слитка вследствие того, что плоскости слабины, которые образуются на стыке зон транскристаллизации, растущих от смежных граней, будут находиться очень близко от поверхности. Таким образом, необходимо выбирать оптимальный радиус закруглений, при котором склонность к образованию продольных трещин будет наименьшей [1].

Оптимальным радиусом закруглений углов четырехгранных изложниц следует считать по данным работы [1] радиус, равный 10...12 % средней ширины слитка.

В настоящее время на металлургических заводах применяются прямоугольные изложницы, имеющие разнообразную форму внутренних граней: прямые), вогнутые внутрь изложницы и волнистые.

Материал для изложниц

Изложницы на металлургических заводах отливают из доменного чугуна в специализированных цехах, на машиностроительных заводах - из ваграночного чугуна. Получение качественного жидкого чугуна для отлива изложниц, обеспечивающего высокую их стойкость, является весьма важной задачей.

В специализированных цехах при подготовке жидкого доменного чугуна требуется осуществить две основные операции: снизить температуру с целью уменьшения в металле графитовой спели, предупреждения пригара и скорректировать химический состав до уровня требований, обусловленных техническими условиями на изложницу.

Корректировку состава чугуна осуществляют добавками соответствующих ферросплавов, смешением литейного и передельного чугунов или доменного и ваграночного. При этом появляется полезный эффект модифицирования металла. Для большинства типоразмеров изложниц качественный чугун получают при использовании шихты следующего состава: 40...55 % литейного чугуна, 10...15 % передельного чугуна, 30...50 % боя изложниц. При отливке мелких изложниц в шихте допускается до 10...15 % стального лома [2].

Режим плавки чугуна для отливки изложниц определяется главным образом необходимостью получения в нем высокого содержания углерода. Для увеличения степени науглераживания чугуна обычно увеличивают горна вагранки, не стремятся к форсированному режиму плавки и к перегреву металла. Температура его при выпуске из печи не должна превышать 1300 °С.

Необходимую структуру и свойства чугуна в изложницах достигают регулированием скорости кристаллизации отливки и соответствующим химическим составом. Роль отдельных составляющих ограничивается регулированием структуры чугуна, что непосредственно влияет и на служебные свойства изложниц.

Для отливки изложниц чаще всего используют чугуны, средний химический состав которых приведен ниже.

Таблица 1.3 - Химический состав чугуна

Элементы	В доменной печи, %	В вагранке, %
С	4,1…4,4	3,6…3,8
Si	0,5…1,2	1,7…2,2
Mn	0,5…0,9	0,7…1,1
S	0,025…0,040	0,08…0,10
P	до 0,12	до 0,12

В зависимости от условий эксплуатации и типоразмеров изложниц состав чугуна может изменяться в пределах, указанных в технических условиях. Влияние основных элементов на служебные свойства изложниц наиболее полно проанализированы в работе [6].

Технология подготовки разливочной оснастки для отливки изложниц

Большинство литейных цехов отливают изложницы в сухие разовые песчано-глинистые формы. При отливке в разовых формах обеспечивается более равномерная макро- и микроструктура чугуна в стенках изложницы и меньшая разностенность. При формовке изложницы обычно применяют чистую модель.

Опочная оснастка состоит из нижней (поддона) и средней опок и кокильного верха. Поддон стальной имеет строганную поверхность фланцев. Он снабжен центрирующими штырями, а для удаления газов из стержня постоянно соединен с поддоном. Поддон является базой при набивке формы и стержня.

Перед началом изготовления формы на поддоны кладут стальную строганную протяжную рамку толщиной 80...100 мм и центрируют по штырям. Затем по штырям устанавливают среднюю опоку, которая представляет собой сварную коробку без разъемов с отверстиями для выхода газов. Высота средней опоки равна высоте чистой модели. Скрепление средней опоки с протяжной рамкой осуществляют четырьмя коваными скобами или клиновой затяжкой. В одном из углов средней опоки в вертикальном положении устанавливают модель стояка, нижний конец которого находиться примерно на 60 мм выше протяжной рамки [2].

Для набивки формы и стержня применяют единую формовочную смесь, которая поступает равномерно из подвижных транспортеров. Смесь уплотняют пневматическими трамбовками, пескометами или заливкой ЖСС. В процессе набивки на соответствующих уровнях устанавливают модели питателей. После окончания набивки средней опоки приступают к уплотнению основного стержня из той же формовочной смеси. Для упрочнения стержня в процессе его набивки укладывают жесткие рамки из проволоки диаметром 6 мм. Обычно ставят 6...7 рамок равномерно по высоте.

После окончания набивки форм и стержня среднюю часть формы снимают вместе с протяжной рамкой и удаляют чистую модель. Последнюю операцию проводят в строго вертикальном направлении, чтобы моделью не разрушить стержень. Затем приступают к набивке нижней опоки (поддона) и отделке всей формы. Плотность набивки по твердомеру должна быть для форм 80...85 ед. и для основного стержня 80...90 ед. [2].

Формы и стержни окрашивают пульверизатором, толщина слоя краски 2...3 мм. После покраски среднюю часть формы (кожух) ставят на поддон таким образом, чтобы получилась щель для прохода газов при сушке. Достигается это при помощи специальных подкладок. Подготовленный комплект подсушивают: длительность сушки в среднем составляет 8 часов. Глубина подсушенного слоя формовочной смеси для форм и стержней должна быть не менее 50...60 мм.

Просушенные формы собирают в заливочном кессоне или на конвейере. Кожух форм устанавливают на поддоне по штырям. Крепление кожуха с поддоном осуществляют скобами. Питатель и литниковый ход продувают сжатым воздухом. Поверхность верхней опоки (кокиля), соприкасающуюся с отливкой, покрывают краской плотностью 1,05...1,1 мкг/м³. Затем верхнюю опоку (кокиль) устанавливают на среднюю опоку и крепят скобами. В верхней части формы набивают литниковую воронку для заливки чугуна и выпоры для выхода газов. Для повышения прочности изложниц при сборе форм устанавливают бандажи в нижнюю, а для некоторых типоразмеров и в верхнюю часть формы. Заливку осуществляют с помощью поворотного или стопорного ковша при использовании чугуна доменной плавки.

Такая технология изготовления форм изложниц характерна в основном для специализированных цехов.

Маломощные литейные цеха, испытывая недостаток формовочных площадей и сушильных средств, поэтому изложницы отливают в полупостоянных формах. Преимущество этого метода является то, что в одной форме можно получать до 50 отливок.

Основными недостатками полупостоянных форм являются тяжелые условия труда формовщиков, связанные с ремонтом горячих форм, а также неравномерность остывания залитой изложницы, так как теплопроводимость полупостоянной формы (кожуха) и стержня различна. Это приводит к появлению разнородных структур в стенках изложниц из-за влияний ребер и фланцев полупостоянной опоки на скорость кристаллизации металла. При этом невозможно также выдержать точные размеры изложницы, особенно толщину стенок. Указанные недостатки полупостоянных форм показывают, что применять этот метод, особенно для отливки крупных изложниц, нецелесообразно.

Имеется опыт [7] по отливке чугунных изложниц кокилях с обмазкой. Оснастка состоит из поддона, двух боковин (кожухов) и верха. Наличие достаточно большого слоя обмазки (20...25 мм) на внутренней поверхности отдельных частей кокильной формы замедляет охлаждение изложниц, что благоприятно влияет на их стойкость.

Основными условиями, обеспечивающими высокую экономическую эффективность централизованного производства изложниц, следует отметить:

· поточное конвейерное производство, позволяющее механизировать и автоматизировать процессы заливки, сушки и остывания форм; исключить многие транспортные операции;

· применение пескометной формовки и жидких самотвердеющих смесей, обеспечивающее механизацию и повышение производительности формовки;

· использование унифицированной технологической модельно-опочной оснастки, позволяющей механизировать вспомогательные операции;

· возможность замены чугуна ваграночной плавки жидким передельным чугуном, подаваемым непосредственно из доменной печи;

· создание нового специального оборудования для механизации и автоматизации всех трудоемких и вспомогательных операций. Кроме того, в специализированных цехах по производству изложниц существенно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Классификация эксплуатационных дефектов изложниц

В результате научных исследований [7...10] появились новые резервы повышения стойкости изложниц, особенно против образования трещин. Обнадеживающие результаты получены при эксплуатации изложниц (в том числе и крупных) из чугуна, модифицированного магнием [7, 8]. Применение высокотемпературных датчиков [9] расширяет возможности исследования температурных напряжений и разработки принципов конструирования изложниц. Однако за счет повышения трещиноустойчивости изложниц нельзя полностью решить проблему снижения их расхода. По данным работы [10] 45...55 % изложниц выходит из строя в результате образования сетки разгара и ее сколов на рабочей поверхности, причем доля этих изложниц непрерывно растет.

Согласно классификации А. А. Горшкова [11] трещины бывают первого, второго и третьего рода. Причиной образования трещин первого рода являются термические напряжения, развиваемые вследствие большого перепада температур между внутренней и наружной поверхностями изложниц. Но более определенные представления по этому вопросу складываются при анализе работы [4], где показано, что температура внутренней и наружной поверхности существенно зависит от начальной температуры изложницы (до заливки стали). Так, при начальной температуре 80, 100 и 130 °С максимальная температура внутренней поверхности на Ѕ высоты изложницы равна 915, 940 и 960 °С, а наружной 600, 620 и 635 °С, соответственно. Повышение температуры внутренней поверхности на 45 °С влечет за собой увеличение перепада всего лишь на 10 °С. Следовательно, ужесточение температурного режима работы изложниц не создает особой опасности для образования трещин первого рода.

Причиной образования трещин второго рода являются напряжения, развиваемые вследствие перепада температур между осевой зоной стенки изложницы и внутренней поверхностью. После удаления слитка температура глубинных слоев выше поверхностных на 40...60 °С. В связи с этим на внутренней поверхности возникают растягивающие напряжения, приводящие к трещинам второго рода [2].

Сложившиеся условия высокотемпературного режима эксплуатации изложниц в наибольшей степени влияют на износ ее внутренней поверхности. Повышение температуры внутренней поверхности изложниц увеличивает интенсивность образования сетки разгара и выгаров.

Представляется целесообразным для характеристики эксплуатационных дефектов на рабочей поверхности изложниц пользоваться следующими определениями:

· сетка разгара - трещины, образующиеся в различных направлениях на поверхности изложницы при многократном ее использовании;

· выгар - углубление с окисленной поверхностью, образующееся вследствие выкрашивания ячеек сетки разгара;

· срыв рабочего слоя - углубление с окисленной зернистой поверхностью, образующееся при извлечении из изложницы приварившегося слитка;

· размыв стенки, дна - углубление, образующееся на рабочей поверхности изложницы в результате прямого воздействия струи разливаемой стали.

Требования к материалу изложниц

В качестве главного критерия, определяющего пригодность материала для изложниц, считают [9] способность его противостоять воздействию напряжений. После ряда уточнений формула для оценки пригодности материала изложниц предлагается в следующем виде [12]:

М = f(у_B·д/E·б·S^0,5); (1.3)

где: м - способность материала противостоять воздействию напряжений;

л - коэффициент теплопроводности;

у_В - предел прочности на растяжение;

б - коэффициент линейного расширения;

Е - модуль упругости;

д - относительное удлинение;

S - температурный фактор, учитывающий уменьшение предела текучести при увеличении температуры и выражающийся в виде тангенса угла наклона кривой предел текучести -- температура.

В работе [12] на основании дисперсионного анализа стойкости изложниц пришли к заключению, что основными свойствами чугуна, определяющими стойкость изложниц (С) являются: циклическая вязкость (Q), температуропроводность (D), модуль упругости (Е) и коэффициент теплового расширения (б), что выражается следующей статистической зависимостью:

С = 147,68 (Q·D (E б)) + 40,46

Стойкость изложниц растет с увеличением первых двух составляющих и с уменьшением вторых. Сравнение этих двух функциональных зависимостей, включающих многие важнейшие свойства материалов, свидетельствует о существенном расхождении мнений о вопросе выбора чугуна для изложниц. В некоторых работах [12] первостепенная важность отдается химическому составу чугуна. В других [9] исследованиях указывается на необоснованность этого вывода. В настоящее время достаточно четко установлена связь между служебными свойствами изложниц и макро- и микроструктурой чугуна [2]. Благодаря большой пластичности чугуна с шаровидным графитом, снижается вероятность появления сквозных трещин, а меньшая склонность его к росту способствует замедлению образования сетки разгара.

Это положение подтверждается специальным экспериментом [13]. Изложницы отливали по стержням, полграни которых по вертикали покрывали (опытный участок) хромо-графитовой краской. В поверхностном слое чугуна на обычном участке была перлито-ферритная структура с крупными включениями графита, а на опытном участке наблюдалось много карбидов хрома в перлитной основе и незначительное количество мелкого графита.

Трещины сетки разгара на участке, обогащенном хромом, развивались значительно медленнее, чем на обычном. В данном случае повышение ростоустойчивости чугуна в рабочем слое положительно сказалось на разгароустойчивости изложниц [2].

Основное значение для роста чугуна в поверхностном слое изложниц имеет процесс окисления. Каналами для проникновения окислительных агрегатов являются графитовые включения: чем больше их количество и величина, тем интенсивнее идут процессы окисления и роста. Графитовые включения являются не только каналами для прохождения окислительных агрегатов в чугун, но и концентраторами напряжений. От графитовых включений берут свое начало трещины [2]. Как уже отмечалось, изложницы из феррито-перлитного чугуна хуже противостоят образованию сетки разгара, чем из перлитного; хотя перлитный чугун обладает пониженной пластичностью по сравнению с ферритным.

Окислительные процессы в феррите протекают значительно быстрее, чем в перлите. При испытании образцов из перлито-ферритного чугуна на разгароустойчивость установлено, что пограничное окисление феррита наблюдается после 10...20 циклов, в первую очередь вокруг графита. При увеличении числа циклов окисление продвигается от графитовых включений в глубь матрицы в основном по ферритным полям, огибая перлитные участки, и только при значительном числе циклов (150...200) может проходить по перлиту [15].

Изложницы из чугуна с перлитной структурой лучше противостоят образованию сетки разгара, чем с перлитно-ферритной. С другой стороны, разгароустойчивость чугуна с мелкими включениями графита, полученного авторами в поверхностном слое изложниц при исследовании стержней из материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью, выше перлито-ферритного.

Следовательно, для замедления развития сетки разгара на рабочей поверхности изложниц необходимо повышать пластичность (в условиях умеренного окисления), либо повышать ростоустойчивость, даже в ущерб пластичности [2].

Представляет интерес опыт работы металлургического комбината "Запорожсталь" [16] в котором показано важное значение смачиваемости и адгезии. Изложницы из ваграночного чугуна, используемые для разливки высоколегированных сталей, обладали большей склонностью к привариванию слитков. После замены ваграночного чугуна доменным стойкость изложниц резко повысилась, но сетка разгара развивается более интенсивно. Это объясняется наличием в доменном чугуне большого количества крупных включений графита, что способствует уменьшению смачиваемости поверхности изложниц сталью, но, в то же время, приводит интенсификации процессов окисления и роста чугуна в поверхностном слое.

Таким образом при оценке пригодности материала для изложниц необязательно и нецелесообразно принимать во внимание какой-то строго определенный фактор (температура, химсостав, макроструктура и т.д.) характеристики изложницы, а только несколько важнейших из них. Принципиальный подход к выбору материала обязательно должен базироваться на анализе условий работы изложниц и превалирующих причин их отбраковки. Если придерживаться такого принципа, то некоторые характеристики, признанные важнейшими, могут быть отнесены в разряд второстепенных без ущерба для стойкости изложниц [2].

Способы повышения стойкости изложниц

Многочисленные исследования в области повышения стойкости изложниц посвящены, главным образом, вопросам связанным с образованием сквозных трещин [14...17]. Пути предотвращения этих дефектов определены довольно четко. Однако за счет повышения трещиноустойчивости изложниц нельзя полностью решить проблему снижения их расхода.

Характерными причинами отбраковки изложниц на многих заводах в настоящее время являются приваривание слитков, сетка разгара и выгары [13].

Так по данным работы [14] следует различить два вида приваривания:

· приваривание на ранних этапах эксплуатации, возникающее в результате смещения струи, повышенной температуры разливаемой стали и высокой начальной температуры изложниц;

· позднее приваривание, "заклинивание слитка", происходящее в результате проникновения жидкой стали в трещины сетки разгара.

Повышение температуроустойчивости рабочей поверхности изложниц может быть достигнуто двумя путями: созданием защитных покрытий на рабочей поверхности и улучшением качества чугуна в процессе отливки изложниц. Использование защитных покрытий в виде намазок, экранов и вставок требует значительных материальных затрат. Поэтому на отечественных заводах защитные экраны, покрытия не нашли широкого применения. Более перспективными являются способы улучшения качества чугуна изложниц в процессе их отливки.

Модифицирование чугуна для изготовления изложниц

Распространенным способом улучшения структуры и свойств чугуна является модифицирование.

В качестве модификаторов были опробованы ферротитан, титановые губки, феррованадий, гранулированный ферросилиций, чугунная стружка и др. [7]. Производственные испытания опытных партий показали, что модифицирование титаном, способствующее укрупнению графита, эффективно для замедления процесса образования сквозных трещин.

Следует отметить, что при добавке титана (в виде губок) в ковш и особенно в литниковую чашу достигнут больший эффект, чем при вводе его в вагранку (при одинаковом остаточном содержании титана в чугуне 0,05 %). Титан в большей степени эффективен как модификатор и в меньшей как легирующий элемент.

Измельчение эвтектического зерна и графита под влиянием феррованадия и гранулированного ферросилиция отрицательно сказывается на трещиноустойчивости изложниц, однако развитие разгара замедляется. В условиях интенсивной эксплуатации при разливке высоколегированных сталей стойкость изложниц из чугуна, модифицированного гранулированным ферросилицием, повысилась по сравнению с обычными на 42 % [3].

Таким образом, для повышения термоустойчивости поверхности изложниц без ущерба для трещиноустойчивости необходимо измельчать структуру чугуна только в рабочем слое [15].

Использование защитных покрытий - поверхностное модифицирование и легирование

Среди известных способов улучшения структуры в рабочем слое отливок наиболее подходящим для изложниц является поверхностное модифицирование и легирование. В качестве легирующих компонентов в составе активных красок для стержней изложниц опробованы теллур, феррохром и различные соединения на основе бора. При выборе этих компонентов предполагалось повысить ростоустойчивость окалиностойкость чугуна в рабочем слое изложниц. В структуре поверхностного слоя наблюдалось измельчение и образование отдельных включений карбидов. Активные составляющие красок в данном случае играют роль и модификаторов, и легирующих элементов. Замена части графита в рабочем слое карбидами повышает термоустойчивость в результате замедления окисления, развивающегося по графитовым включениям. Разложение карбидов в процессе охлаждения отливки в форме и при эксплуатации способствует уплотнению чугуна [16].

В работе [2] проведено подробное исследование влияния обмазки изложниц на их стойкость. Изложницу отливали по стержню, который после коксо-графитовой краски покрывали слоем феррохрома. После 10 наливов из нее высверливали керновые пробы. В структуре поверхностного слоя еще сохранялись карбиды хрома. Однако на одном участке, там, где отсутствуют карбиды, уже хорошо заметно окисление. На участке с перлитно-карбидной структурой чугун практически не окислен, т.е. карбиды хрома замедляют процесс окисления чугуна.

Поверхностное модифицирование и легирование существенно влияет на формирование структуры чугуна в поверхностном слое изложниц, и способствует повышению стойкости на 14...33 %. По данным исследований [17] более технологичным является модифицирование борной кислотой. Толщина улучшенного слоя при использовании борной кислоты колеблется в пределах 5...10 мм. В изложницах из доменного чугуна в этом слое графит располагается в виде отдельных включений, а при обычных условиях кристаллизации - в виде мало изолированных колоний. Большее измельчение графитовых включений наблюдается в ваграночном чугуне.

Поверхностное модифицирование и легирование эффективно для замедления процесса развития сетки разгара и для повышения стойкости изложниц против заклинивания слитков. Стойкость промышленной партии изложниц с улучшенной структурой рабочего слоя на 11...14 % выше, чем у обычных.

Изложницы с металлокерамическим рабочим слоем толщиной 1,5...2 мм хорошо противостоят раннему привариванию [15]. При эксплуатации опытных 6-тонных изложниц на Днепропетровском заводе им. Петровского при разливке рельсовой стали, случаев приваривания не наблюдалось.

В то же время 75 % обычных изложниц вышли из строя в результате приваривания слитков. Средняя стойкость 30 опытных изложниц оказалась на 48 % выше стойкости контрольных. Испытание изложниц с металлокерамическим рабочим слоем в условиях интенсивного развития сетки разгара не дало положительных результатов вследствие низкой термостойкости этого слоя.

Для предотвращения приваривания слитков из высоколегированных сталей оказалось эффективным создание защитной пленки из окислов алюминия на рабочей поверхности изложниц [5].

Влияние различных факторов на стойкость изложниц

Расходный коэффициент изложниц на 1 тонну стали на различных комбинатах составляет в среднем 10...20 кг/т, например, на комбинате "Криворожсталь" составляет: КС-8п - 11кг/т стали, МКС-12,5 - 12,7кг/т стали, С - 9...30кг/т стали, МС - 12...22кг/т стали.

Изложницы выходят из эксплуатации в результате образования продольных и поперечных трещин, разгара внутренней поверхности, механических повреждений. Изучение причин разрушения изложниц и анализ промышленных данных, показывает, что перечисленные причины характерны для всех заводов. Разница состоит лишь в преимущественном влиянии тех или иных факторов, что связано с конкретными условиями на каждом предприятии. На стойкость изложниц оказывает влияние большое число факторов, основными из которых являются:

· физические и механические свойства чугуна;

· химический состав чугуна;

· макро и микроструктура чугуна;

· технология изготовления изложниц;

· условия эксплуатации изложниц;

· конструкция изложниц;

· марка стали разливаемая в изложницы.

Под действием движущейся жидкой стали в случае прямого попадания струи на стенку происходит размыв внутренней поверхности изложницы. Циркуляционные потоки в жидкой стали, вызывающие неравномерный нагрев рабочей поверхности изложниц, зависят от способа разливки. При сифонной разливке зона интенсивной циркуляции располагается в нижней части изложницы. Интенсивная циркуляция задерживает образования зазора в нижней части изложницы, тормозит усадку стали и способствует более высокому нагреву внутренних стенок изложницы, что способствует появлению наиболее ранней стадии сетки разгара.

При разливке сверху зона интенсивной циркуляции стали перемещается последовательно снизу вверх, тепло, поглощаемое стенкой изложницы, распределяется равномерно по высоте, что приводит к более позднему и равномерному появлению сетки разгара по высоте изложницы.

Максимальное ферростатическое давление в этом случае воспринимается более прочной корочкой слитка, образующейся значительно раньше, чем при сифонной разливке. При разливке сверху так же возможны ожоги (оплавления) на стенках изложницы, если струя заливаемого металла в момент прожига или при открытии (закрытии) шибера, частично попадала на стенку изложницы.

Неточная центровка струи часто приводит к приварке слитка к изложнице, в некоторых случаях настолько прочной, что слитки практически невозможно извлечь и поэтому изложницу приходится разбивать. Для борьбы с приварами и пленами разливку стали сверху следует начинать плавным, но достаточно быстрым открытием шибера до получения полной струи, обеспечивающей подъем металла в изложнице со скоростью 0,6...0,7м/мин.

Переход от разливки приторможенной струей на максимальную скорость наполнения должен происходить не рывками, а очень плавно, т.к. температура поверхности поддона в этот период достигает своего максимального значения. Кроме рационального режима разливки необходимо применять специальные материалы смазки препятствующие привариванию слитка к изложнице и затормозить появление сетки разгара.

На ОАО "Криворожсталь" по причине сетки разгара и выгаров выходит из строя изложниц типа КС-8п - 80,6 %, МКС-12,5 - 77,9 %, С-9 - 51,5 %, МС-12 - 31,8 %. По причине приваривания слитка, размыва дна, стен выходит из строя изложниц типа КС-8п - 1,4 %, МКС - 0,7 %, С-9 - 18 %, МС-12 - 17,1 %. Что вызвано наряду с недостаточной прочностью чугуна из-за отсутствия его модифицирования как в объеме, так и в поверхностном рабочем слое в цехе производства изложниц, так и эксплутационным напряжением связанным с температурой изложницы и температурой разливаемой стали, временем выдержки металла в изложнице, напряжениями вызванными торможением усадки слитка в изложнице. Так известно [28,29], что чем выше литейное напряжение тем большее значение получают эксплутационные, особенно на первых 10...15 наливах, поэтому на первых наливах необходимо стремиться по возможности не допускать под разливку изложницы с температурой ниже 50 °С.

Подготовка изложниц к разливке

Качество поверхности слитка в значительной мере зависит от состояния внутренней поверхности изложницы. Неудовлетворительно очищенные и смазанные изложницы, служат причиной возникновения подкорковых пузырей и местных трещин, на поверхности слитков, что кроме этого уменьшает стойкость изложниц [20].

Качественная и производительная подготовка изложниц, чистка и смазка их может быть достигнута только путем комплексной механизации этих работ, которые выполняются в специальных отделениях, куда изложницы поступают после их охлаждения.

Чистку изложниц, как правило, производят в специальном отделении, где совмещены две операции - чистка и смазка. Изложницы из отделения раздевания слитков подаются на пути отстоя для их охлаждения на воздухе. После охлаждения до необходимой температуры (90...120 °С) изложницы поступают в отделение чистки. В отделении чистки установлен реечный толкатель 1, при помощи которого производится передвижение тележек с изложницами. Привод 2 реечного толкателя электрический.

Машина чистки смонтирована на передвижной тележке 3. На тележке установлены механизм передвижения 4 и механизм подъема штанги 5. Штанга 6 выполнена в виде зубчатой рейки, в нижней части которой закреплены металлические щетки 7. Щетки представляют собой две металлические пластины, между которыми закреплены мерные обрезки стального каната. Чистка изложниц производится путем передвижения штанги в вертикальной плоскости по внутренней поверхности изложницы.

Слой металла, образовавшийся на верхнем торце изложницы в результате подтека шиберного затвора при переезде сталеразливочного ковша с изложницы на изложницу, удаляется в отделении подготовки составов при помощи кранов специальным скребком.

Изложницы, после "аварийных плавок" (подтек металла между плитами, разливка холодных плавок с прожигом, не кроет шибер и т.д.) с залитыми торцами выкладывают на специальной площадке для удаления настылей с помощью огневой резки. Изложницы со шлаковыми поясами подвергаются чистке в отделении подготовки составов на стационарном ерше. Стационарный ерш представляет собой металлическую плиту, вес которой равен весу изложницы, в которой установлен квадратный стержень. Высота стержня соответствует высоте изложницы. На стержне установлены три металлические щетки. Очистку изложниц на стационарном ерше производят при помощи электромостового крана.

После очистки изложниц производят их смазку. Отделение смазки состоит из реечного толкателя, аналогичного как в отделении чистки, передвижной тележки и емкости с раствором для покраски. Тележка состоит из механизма ее передвижения и механизма подъема штанги. Штанга выполнена в виде трубы, внутри которой расположены трубопроводы подачи раствора и сжатого воздуха. В нижней части штанги трубопровод соединен с форсункой, которая обеспечивает равномерное покрытие внутренней поверхности изложницы смазочными материалами.

Например, на комбинате "Криворожсталь" смазку изложниц производят раствором на основе дистенсилиманитового концентрата или извести.

Состав смеси А: дистенсилиманитовый концентрат 100 %; вода сверх 100 % до плотности раствора 1,18...1,22 г/см³. Состав смеси Б: известь 100 %; вода сверх 100 % до плотности раствора 1,05...1,12 г/см³.

Дистенсилиманитовый концентрат имеет следующие соотношения ингредиентов в %:

Таблица 2.3 Химический состав дистенсилиманитового концентрата, % масс.

SiO2	Fe2O3	Al2O3	CO2	MgO	TiO2	K2O+Na2O	H2O
40,7	0,7	57,3	< 1,0	0,23	0,95	0,05	< 1,0

Толщина покрытия составляет - 1,1...1,4 мм, при этом наносимые покрытия располагаются ровным слоем по всей поверхности изложниц без каких-либо наплывов и пропусков. Температура 90...120 °С изложниц обеспечивает быстрое высыхание покрытия и удаления из него влаги, которая во время разливки стали может вызвать подкипание металла у стенок изложниц, что приводит к ухудшению качества поверхности слитка и снижение стойкости рабочего слоя изложницы особенно тех у которых уже имеется сетка разгара.

Ровный слой качественной смазки призван уменьшить тепловой удар в первый момент соприкосновения жидкого металла и изложницы, сгладить поверхностные неровности на рабочей поверхности изложницы, предупредить попадания металла в углубление сетки разгара, что затормозит дальнейшее ее окисление и при этом будет служить получению более ровной и гладкой поверхности изложниц.

Исследования [30] по нанесению металлического алюминия показали, что нанесение на внутреннюю поверхность металлического алюминия с помощью металлизации исключает добавки связующих веществ (водный раствор жидкого стекла, вода, кремнезоль, сернокислый магний и др.), а тем самым исключается источник газовыделения и дополнительных неметаллических включений. Кроме того, такой метод позволяет повысить стойкость рабочей поверхности изложниц за счет алитирования чугуна [2].

Влияние времени пребывания металла в изложнице на ее стойкость

Как показали исследования в работе [21], задержка раздевания слитка вызывает термическую усталость из-за роста чугуна, что приводит к изменению структуры материала изложницы к более раннему появлению сетки разгара с соответствующим снижением ее стойкости. Значительное повышение стойкости изложниц может быть достигнуто путем снижения максимальных температур, достигаемых в теле изложниц и сокращения времени пребывания изложницы при максимальных температурах. Этим способом нельзя устранить перерождение структуры чугуна изложницы, но оно может быть замедлено с повышением ее стойкости.

Пор данным работы [22] между стойкостью изложниц и временем нахождения в ней слитка существует зависимость:

А = А₀·K/S; (2.1)

где: А - число наливов (циклов); А₀ - минимальное число наливов (при сколь угодно длительном пребывании слитка в изложнице) (равно 20); К - коэффициент равный ? 5000; S - продолжительность пребывания слитка в изложнице, мин.

В соответствии с вышеуказанной зависимостью полученной путем повышения продолжительности пребывания слитка в изложнице S сокращает допустимое число наливов.

Результаты эксплуатации изложниц и анализ их стойкости показывают, что в изложнице, работающей только с кипящей и полуспокойной сталью, сетка разгара развивается значительно медленнее, чем в изложницах работающих со спокойной сталью, что можно объяснить двумя причинами: первая - это сквозная изложница имеет меньшие литейные напряжения чем глуходонная, и вторая - время выдержки слитков меньше, что повышает стойкость сквозных изложниц. Согласно технологической инструкции по разливке стали [23] время выдержки металла в глуходонных изложницах для спокойной стали составляет 50...110 минут, для кипящей и полуспокойной (сквозные изложницы) составляет 30 минут.

Стойкость изложниц для спокойных марок стали в среднем в 2 раза меньше чем изложниц для кипящих и полуспокойных марок стали.

Стойкость изложниц может быть увеличена за счет регламентированию графика доставки слитков из сталеплавильных в обжимные цехи комбината [24]. Сущность такой регламентации графика заключается в том, что для полуспокойных марок стали уменьшают время отстоя плавки в разливочном отделении сталеплавильных цехов комбината, следовательно, уменьшают время нахождения слитков в изложницах до стрипперования. Так уменьшение времени простоя на 20 минут на ОАО "Криворожсталь" привело к повышению стойкости изложниц КС-8п на 12 % и МКС-12,5 на 4 %.

В работе [31] был пересмотрен и сокращен график пребывания горячих слитков в изложницах. По старому графику время пребывания горячего слитка в изложнице составляло 3,5...4 часа. Путем теоретических расчетов и длительного наблюдения за передвижением горячих составов было установлено, что для слитков массой 3,5 т время выдержки горячих слитков в изложницах без ущерба для качества слитка можно сократить на 1 час, т.е. до 2,5 ч.

В результате температура горячего посада повысилась с 715 до 810 °С. При работе по новому графику в течение года отмечено улучшение показателей: снижение угара металла в колодцах блуминга на 0,3 %, повышение производительности колодцев на 0,6 %, сокращение расхода топлива на 4 %, повышение стойкости изложниц на 2...4 налива, ускорение оборачиваемости составов на 8 %, увеличение пропускной способности разливочного пролета на 12 %.

Влияние коэффициента оборачиваемости изложниц на их стойкость

Одной из основных эксплутационных характеристик стойкости изложниц является коэффициент оборачиваемости изложниц, который характеризует температурный режим эксплуатации изложниц.

Фактический коэффициент оборачиваемости изложниц зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются:

· масса и конструкции изложницы;

· способ охлаждения изложниц;

· теплофизические свойств чугуна изложницы;

· температура разливаемой стали;

· продолжительность от разливки стали;

· расстояние между рядом стоящими изложницами;

· температура окружающего воздуха;

· количество типов применяемых изложниц, планирование производства по сортаменту продукции и, в соответствии с этим по типам изложниц;

· обеспеченность сменным оборудованием, в том числе: сталеразливочными тележками, изложницами;

· пропускная способность участков, в том числе железнодорожных путей для охлаждения составов с изложницами [25].

Технологическая инструкция цеха подготовки составов (ТИ 228 ПС-06-2000 п.3.5.1) регламентирует для создания оптимальных условий эксплуатации изложниц следующий коэффициент по типам изложниц:

· для уширенных книзу 1,3...1,4;

· для уширенных кверху 1,0...1,1.

При увеличении коэффициента оборачиваемости изложниц больше 1,4 или его снижения до 0,9 существенно уменьшается стойкость наиболее массивных изложниц. Это связано прежде всего с тем, что в них идет неравномерный прогрев стенок изложницы, возникают большие внутренние напряжения [15]. Необходимое количество изложниц для поддержания оптимального коэффициента оборачиваемости в зависимости от производства определяются по номограммам.

Существенным недостатком в работе металлургических заводов долгое время являлся факт отсутствия или недостаточного учета стойкости изложниц по причине сложности их учета без компьютерной техники. Наличие такого учета в настоящее время (с наличием компьютерной техники) дает возможность ликвидировать преждевременную отгрузку изложниц в брак, оперативно принимать меры к устранению причин преждевременного выхода изложниц из строя и главное выполнять анализ стойкости изложниц (определять главные факторы оказывающее воздействие на их стойкость). В настоящее время учет стойкости изложниц ведут в цехе подготовки составов с применением компьютерной техники. Он организован следующим образом.

В цехе производства изложниц на каждую отлитую и принятую изложницу работниками ОТК изложниц выписывают паспорт. Паспорт включает в себя следующие данные:

1. тип изложницы;

2. номер изложницы;

3. вес изложницы;

4. дата заливки;

5. дата приемки;

6. химический состав чугуна;

7. геометрические размеры.

Так же имеется таблица по учету стойкости изложницы, которая включает в себя:

1. дату ввода изложницы в эксплуатацию;

2. количество наливов;

3. дату выхода из эксплуатации;

4. причину выхода из эксплуатации.

Паспорта на изложницы вместе с изложницами передают из цеха изложниц на склад слитков ЦПС, где их хранят до момента отгрузки изложниц в отделение подготовки составов [18].

При отгрузке изложниц во дворы подготовки составов паспорта на них передаются в отделение подготовки составов.

В паспорте отмечают дата ввода изложницы в эксплуатацию, т.е. дату подачи изложницы под первый налив.

Учет ввода и вывода изложниц из эксплуатации в цехе подготовки составов производят в той смене, которая готовит состав с изложницами к разливке плавок [18]. Новые изложницы при вводе в работу маркируют известью на 2-х гранях с предварительной записью в журнал учета ввода в эксплуатацию нового сменного оборудования с пометкой их ввода, номер изложницы, номер тележки, на которую установлена изложница. При отбраковке и изъятии из эксплуатации производят отметку в журнале учета изложниц. Отбраковку изложниц производят в цехе комиссионно, с передачей информации в вычислительный центр ежедневно.

Оператор ЭВМ на основании данных по наборке составов вводит номера изложниц в базу данных компьютера.

...