CC BY
70
УДК 669.187.26
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИВКИ СЛОЖНО-И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЛАВОВ В ИЗЛОЖНИЦУ СВЕРХУ
В. И. Чуманов, Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов
INCREASE OF EFFECTIVENESS OF THE COMPLEX ALLOYED AND HIGH ALLOYS CASTING INTO MOLD FROM ABOVE
V.l. Chumanov, D.A. Pyatygin, I.V. Chumanov
Рассмотрены вопросы, связанные с совершенствованием технологии разливки сложно- и высоколегированных сталей и сплавов в изложницу сверху. Проанализированы различные способы разливки данного класса сталей, позволяющие повысить выход годного за счет уменьшения разбрызгивания в процессе разливки и повышения производительности. Предложен способ разливки стали и сплава сверху, включающий размещение в изложнице промежуточного полого четырехгранного элемента (экран), обладающего огнеупорностью, плотностью ниже плотности стали и низкой теплопроводностью, в виде не имеющей дна и оснащенной разливочным отверстием усеченной пирамиды с наклонными поверхностями, наружный размер которой равен внутренней части прибыльной надставки.
Ключевые слова: сложнолегированные стали и ставы, технология, разивка стали, изложница, экран.
The issues connected with the development of the technology of the complex alloyed and high alloys and steel casting into the mold from above are concerned. Different casting methods of the above mention steel class that allows to increase the recovery due to decrease of splashing during casting and increase in efficiency are analyzed. The method of steel and alloy casting from above including locating an interstitial hollow tetrahedral element (shield) characterized with refractoriness, density lower than that one of the steel and low thermal conductivity is offered. The mold has not got the bottom, it has opening in the form of the angled-surface truncated pyramid the external dimension of which is equal to the feeder head interior.
Keywords: complex alloyed steel and alloys, technology, casting, mold, shield.
Развитие современной техники и промышленности по-прежнему главным образом основано на применении металлических материалов. А в наше время - время высоких температур и давлений, больших скоростей и сильных химических воздействий, требуются высококачественные и специальные материалы, к которым относятся, в частности, высоко- и сложнолегированные стали и сплавы. Они имеют в своем составе высокое содержание дорогостоящих легирующих элементов, что обуславливает их достаточно высокую себестоимость. Поэтому на протяжении всего технологического цикла необходимо проводить мероприятия по получению металла высокого качества при минимальных технологических и экономических потерях. Одной из операций, значительно влияющей на общий выход годного и качество готового продукта, является разливка.
В металлургическом производстве, реализуются, главным образом два способа разливки стали массового производства: в изложницы и в кристаллизаторы непрерывным способом. Наибольшее количество специальных сталей до настоящего времени разливается в изложницы сифонным способом
или сверху, так как номенклатура данных материалов достаточно широка, а объемы относительно малы. В этом случае применение непрерывной разливки не всегда является целесообразным. Вопрос выбора способа разливки (сверху или сифоном) с давних пор является спорным. Среди сталеплавильщиков до сих пор нет единого мнения о преимуществах того или иного способа, поэтому каждый завод при выборе метода разливки основывается главным образом на собственном опыте и возможностях. Тем не менее зачастую отмечается, что сталь нужно разливать сифоном, так как при этом улучшается поверхность слитков, уменьшается количество плен и волосовин, снижается количество разливок с некроющим стопором и повышается производительность разливочного пролета.
В то же время считается необходимым разливать специальные стали сверху. По литературным данным, брак при сифонной разливке спокойной стали в три раза больше, чем при разливке сверху. На некоторых заводах было установлено, что при разливке сверху уменьшаются расходные коэффициенты металла при прокате и что металл, отлитый сверху, чище по неметаллическим включениям.
Морозов А.Н., обобщая данные по работе Кузнецкого и Нижне-Тагильского комбинатов, а также Челябинского металлургического завода, пришел к выводу, что хотя качество металла мало зависит от способа разливки, выход годного при сифонной разливке меньше вследствие потерь на литниках и недоливках [1]. Следует отметить также, что одним из условий получения качественного слитка является поддержание в жидком состоянии головы слитка и обеспечение кристаллизации слитка снизу вверх, что недостижимо при сифонной разливке.
Преимуществом разливки сверху по сравнению с разливкой сифоном проявляется в строении слитка и расположении усадочной раковины. В процессе разливки сверху зона повышенных температур всегда находится сверху, затвердевание слитка начинается со дна и от стенок изложницы, а заканчивается в наиболее горячей зоне слитка - прибыльной части. Поэтому слиток получается более плотный, усадочная раковина меньше углублена в слиток. Улучшение структуры слитка и повышение его сплошности достигается путем направленного снизу вверх теплоотвода с помощью водоохлаждаемых поддонов, теплоизоляции и обогрева прибыльной надставки, экзотермических смесей и т. д., для измельчения структуры применяют ультразвуковую обработку затвердевающего металла, наложение электрического поля, модифицирование [2].
Основным недостатком разливки сверху является образование на слитках большого количества поверхностных дефектов. Вкрапление брызг в тело слитка создают недоброкачественную поверхность слитка. Прокатке такого слитка предшествуют весьма трудоемкие процессы обдирки или зачистки (особенно для слитков, имеющих квадратное поперечное сечение, для обработки которых требуется наличие специальных обдирочных станков), связанные с достаточно большими металло-потерями в виде стружки.
В связи с вышесказанным для получения качественного металла специальные стали разливают в изложницы, уширяющиеся кверху, с утепляющими надставками. В этом случае усадочная раковина концентрируется в головной части слитка, которая должна быть удалена, так как для изделий из высокосортной стали не может быть использован металл с пустотами, неплотный, сильно загрязненный ликватами. Такая изложница для разливки спокойной стали сверху представляет собой стакан, расширяющийся кверху, с глухим дном, имеющим форму полушара. Конусность изложницы, а, следовательно, и слитка влияет на условия усадки стали в изложнице, качество макроструктуры слитка, расположение усадочной раковины в слитках спокойной стали, условия отливки слитков, захвата слитка валками и количество пропусков при прокатке. Также конусность граней и форма изложницы должны быть такими, чтобы слиток при усадке стали не заклинивался.
Уширенные кверху изложницы для разливки высоко- и сложнолегированных сталей и сплавов имеют конусность 4,0-6,0 % [3].
Прибыльная надставка служит для формирования прибыльной (головной) части слитка, в которой концентрируется усадочная раковина. Применение прибыльных надставок обеспечивает более длительное затвердевание головной части слитка и позволяет сконцентрировать в головной части слитка всплывающие из тела слитка газовые пузыри, неметаллические включения и усадочную раковину. Прибыльную надставку делают также конусной, но сужающейся кверху. Благодаря этому уменьшается теплоизлучающая открытая поверхность слитка, облегчается снятие надставки со слитка, устраняется зависание слитка в надставке. Конусность прибыльной части слитка составляет 12—18 % на сторону (большее значение относится к слиткам малого веса). Прибыльная надставка представляет собой металлический кожух, футерованный шамотным кирпичом или набитый огнеупорной массой, причем наружные и внутренние размеры верха изложницы и низа прибыльной надставки должны совпадать, обеспечивая облегчение центрирования надставки по отношению к изложнице и как следствие предотвращая зависание слитка образования поперечных трещин. Следует отметить, при замере температурных полей в прибыльной части слитка и прибыльной надставки, было установлено, что основное количество тепла при формировании прибыли расходуется на нагрев футеровки и кожуха надставки (56-87 %). Немаловажным фактором является также постоянство внутренних размеров футеровки надставки. Разрушение футерованного слоя с течением времени приводит к уменьшению головы слитка и как следствие проникновение усадочной рыхлости в глубь слитка, а неровности на поверхности футеровки тормозят усадку слитка и могут вызвать поперечные трещины [3].
Таким образом, из вышеизложенного следует, что разливка высоко- и сложнолегированных сталей и сплавов должна обеспечивать в первую очередь получение здорового (бездефектного) слитка и повышение выхода годного. Основными проблемами при разливке таких материалов являются: -осевая неоднородность, связанная с усадкой металла и возникающая в конце застывания слитка, которая может быть уменьшена, если сохранить металл в верхней части слитка в жидком состоянии возможно дольше и ускорить кристаллизацию низа;
- усадочная раковина, подусадочная рыхлость или междендритная пористость, связанные с усадочными явлениями, происходящими при кристаллизации, которая может быть исключена посредством вывода ее в головную часть слитка и последующим ее отрезанием (головная обрезь). Чем дольше поддерживается в жидком состоянии голова слитка, тем выше поднимется усадочная раковина, тем лучше будет слиток, эта задача ре-
шается разливкой стали в уширяющиеся к верху изложницы с прибыльными надставками;
- пористость, вызванная скоплением газов, выделившихся из раствора при понижении температуры и т. д. Задача решается направленной кристаллизацией снизу вверх и минимальным перегревом металла перед разливкой;
- для получения однородного по качеству металла при разливке в несколько изложниц необходимо обеспечить небольшую разницу температуры металла, заполняющего первые и последние изложницы, что обеспечивается максимальной скоростью разливки;
-высокое качество поверхности без вкраплений, плен и других поверхностных и внутренних дефектов, являющихся результатом разбрызгивания металла при разливке.
Таким образом, задачи, решение которых позволит увеличить производительность и сократить расходы производства, заключаются, во-первых, в получении высокого качества структуры слитка, во-вторых, в повышении выхода годного. Однако решение этих задач представляется взаимоисключающим, поэтому необходимо добиться оптимального улучшения всех параметров слитка.
Целью настоящей работы является разработка способа разливки специальных сталей в изложницу сверху, обеспечивающего высокую производительность и высокий выход годного за счет улучшения качества поверхности слитка путем высокой скорости разливки и предотвращения разбрызгивания металла.
При разливке сверху струя металла, падая со значительной высоты на твёрдую поверхность (дно изложницы или поддон), затем на зеркало металла, разбрызгивается. В результате образуется большое количество капель и заплесков. Часть из них прилипает к стенкам изложниц, затвердевает и образует так называемую «корзинку», которая является причиной появления поверхностных дефектов на слитках. Другая часть остывших и окисленных кислородом воздуха брызг отскакивает от стенок и попадет обратно в жидкий металл, где реагирует с углеродом, кремнием и другими элементами, вызывая образование на поверхности слитка газовых пузырей и шлаковых включений. Кроме того, разбрызгивание металла на стенки изложницы происходит не только в первый момент удара струи о поддон, а также непрерывно в процессе подъема открытого уровня металла в изложнице. Очагом возникновения таких брызг является место входа струи в жидкий расплав и прилегающие к ней объемы жидкой стали. Как показано в работе Д. Бетчелора, при введении в жидкость с большой скоростью тела любой формы за ним образуется кавитационная каверна, которая при захлопывании создает огромные давления и ударную волну, разбрызгивающую жидкость на большие расстояния. Аналогичные процессы происходят и при ударе мощной струи стали, исте-
кающей из ковша, о жидкий металл, находящийся в изложнице. Струя, входящая с большой скоростью, создает в факеле затопленной струи объемы с отрицательным статическим давлением, которые служат очагами для массового зарождения кавитационных каверн. Последние, попадая в процессе последующего всплывания к открытой поверхности металла в изложнице (в зону повышенных статических давлений), захлопываются с разбрызгиванием жидкой стали на стенки изложницы. Эти брызги оседают на стенках изложницы и при подходе металла не свариваются, образуя дефекты в виде оспин и плен.
Для устранения поверхностных дефектов необходимо исключить разбрызгивание и вторичное окисление в изложнице. Для предотвращения вторичного окисления широко применяется разливка под защитными средами (теплоизолирующие смеси, экзотермические шлаковые смеси и брикеты, жидкие синтетические шлаки и др.), разливка с защитой струи металла инертными газами, а также разливка в восстановительной атмосфере и т. д. Для предотвращения разбрызгивания также разработано достаточно много способов: регулирование скорости разливки, использование промежуточных воронок или стаканов заглубленных в жидкий металл в изложнице, размещение металлических вкладышей или стружки на дно изложницы перед разливкой и т. д. Однако перечисленные способы хотя и снижают разбрызгивание, но имеют значительные недостатки, ограничивающие их применение. Так, например, изменение скорости разливки ведет к увеличению времени разливки, что вызовет необходимость более значительного перегрева металла и как следствие негативно скажется на химической и кристаллической однородности слитка. А разливка плавки в несколько изложниц повлечет за собой большую разницу температуры металла, заполняющего первые и последние изложницы, что приведет к исключению однородности качества слитков. Использование промежуточных элементов повлечет за собой значительное усложнение процесса подготовки к разливке, ухудшение или исключение визуального контроля за процессом разливки. Использование промежуточных элементов, помещенных перед разливкой на дно изложницы, которые расплавляются в процессе кристаллизации, позволяют предотвратить разбрызгивание в начальный момент разливки, однако значительно влияют на химическую однородность слитка в продольном сечении и не предотвращают появление кавитационных каверн.
Конкретными примерами могут служить следующие способы разливки специальных сталей сверху:
- способ разливки стали сверху, при котором первую порцию металла заливают в изложницу с интенсивностью 80-180 кг/с на высоту, равную
0,1-0,5 толщины ее днища, и выдерживают до образования 50-70 % твердой фазы. Затем заливают
сталь на высоту в 2,5-7 раз превышающую высоту первоначально залитой порции с интенсивностью 120-250 кг/с, после чего интенсивность заливки увеличивают в 1,5-3 раза (5и № 854557, В 22 О 7/00, опубликовано 1981.08.15.). Недостатками способа являются увеличение продолжительности разливки; снижение пропускной способности участка разливки; ухудшение качества поверхности слитка и снижение качества слитка в целом, вызванные любыми отклонениями в интенсивности заливки той или иной порции металла;
- способ разливки стали сверху, при котором внутреннюю поверхность изложницы покрывают смазкой, представляющей собой раствор битумного лака на уайтспирите [4]. Недостатками данного способа являются необходимость подогрева изложниц до температуры 80-100 °С для качественного нанесения смазки и поддержание этой температуры до начала процесса разливки; интенсивное загрязнение продуктами горения рабочей площадки; ухудшение качества поверхности слитка и снижение качества слитка в целом;
- способ разливки стали сверху, включающий размещение на поддоне перед началом подачи расплава в изложницу металлического насыпного материала в виде конуса, в качестве которого используют чугунную стружку насыпной массой 2,2-2,4 кг/дм3 в количестве 0,13-0,30% от массы отливаемого слитка (1Ш 2166403, В2207/00, опубликовано 2001.05.10). Недостатки способа заключаются в ухудшении качества поверхности слитка и снижение качества слитка за счет загрязнения продуктами насыпного материала;
- способ разливки стали сверху, при котором устанавливают промежуточную воронку, имеющую каркас из листового железа с ножками и проуши-
нами. Футеровку воронки выполняют двумя слоями из тех же масс, что и футеровку прибыльных надставок [5]. Недостатками способа являются загрязнения металла экзогенными включениями вследствие размывания струей металла футеровки воронки; необходимость подогрева воронки докрасна и сохранение этой температуры до начала процесса разливки, что значительно усложняет технологический процесс; увеличение продолжительности разливки; некачественная поверхность слитка.
Авторы предлагают способ разливки стали и сплава сверху, включающий размещение в изложнице промежуточного полого четырехгранного элемента (экран), обладающего огнеупорностью, плотностью ниже плотности стали и низкой теплопроводностью, в виде не имеющей дна и оснащенной разливочным отверстием усеченной пирамиды с наклонными поверхностями, наружный размер которой равен внутренней части прибыльной надставки.
Сущность данного способа иллюстрируется рис. 1, на котором представлена предлагаемая схема разливки с использованием промежуточного элемента.
Перед началом разливки в нижнюю часть изложницы 2 устанавливают экран 3 из пеношамота в виде полой четырехгранной пирамиды, не имеющей дна и оснащенной разливочным отверстием. После установки экрана, на изложнице фиксируют прибыльную надставку 1. По окончании подготовительных операций к изложнице доставляют сталеразливочный ковш и осуществляют процесс разливки (рис. 1, а). Струя металла, проходя через разливочное отверстие пирамиды, ударяется о дно изложницы, а брызги, возникшие в результате удара, попадают на внутреннюю по-
а)
б)
в)
Рис. 1. Схема разливки с использованием промежуточного элемента: а - в начальный момент разливки; б - в процессе разливки; в - в конце разливки; 1 - прибыльная надставка; 2 - изложница; 3 - экран; 4 - антипригарное покрытие; 5 - жидкий металл
верхность экрана, отскакивают от нее и падают в общий объем заливаемого в изложницу металла 5, где растворяются, не успевая окислиться. По мере заполнения изложницы экран поднимается вместе с уровнем металла (рис. 1, б). Разливку продолжают до тех пор, пока не произойдет полное заполнение изложницы. По окончании процесса разливки экран занимает верхнее положение (рис. 1, в).
Однако первые опыты показали, что хотя поверхность слитка получалась бездефектной, внутри слитков обнаруживались плены и корочки, а в результате прокатки выявлены рванины. Это произошло в результате того, что во время разливки происходило налипание части капель на внутренние стенки пирамиды, в конечном итоге происходил отрыв образовавшейся корочки под собственным весом и попадание ее в тело слитка.
В последующем, внутреннюю полость экрана предварительно покрывали антипригарным покрытием 4, представляющим собой смесь 85 % графита и 15 % глины, которое предотвращало пригар капель металла к внутренней поверхности экрана и попадание их в тело слитка.
Дополнительным преимуществом данного способа явилось то обстоятельство, что экран, занявший крайнее верхнее положение, служит дополнительной теплоизолирующей прокладкой, позволяющей как можно дольше поддерживать головную часть в жидком состоянии, и как следствие, оказало благотворное влияние на расположение усадочной раковины.
Таким образом, применение экрана в виде не имеющей дна и оснащенной разливочным отверстием усеченной пирамиды с наклонными поверхностями, наружный размер и конусность которых равны внутреннему размеру и конусности прибыльной надставки, позволяет достичь следующих результатов.
1. Обеспечить качество поверхности слитка и предотвратить образование плен, заворотов, подкорковых пузырей и, как следствие, снизить затраты на зачистку металла за счет предотвращения попадания брызг металла на стенки изложницы. Спокойные стали, разливаемые в глуходонные изложницы с прибыльной надставкой, по своему химическому составу относятся к высококачественным сложно-, высоколегированным сталям и сплавам. Из-за высокого содержания легирующих элементов данные стали обладают малой теплопроводностью, малой пластичностью, склонны к образованию дефектов, и, как следствие этого, имеют узкие интервалы температур технологических операций, в том числе и при разливке. Также особенностью при разливке таких сталей является сосредоточение усадочной раковины в головной части слитка (прибыли). В связи с этим данные стали необходимо разливать с максимальной скоростью, причем кристаллизация слитка должна идти снизу вверх, то есть головная часть должна кристаллизоваться в последнюю очередь. С другой стороны, разливка стали полной струей приводит к
активному разбрызгиванию, в результате чего капли попадают на внутреннюю поверхность изложницы, привариваются, окисляются и вкрапляются в тело слитка, формируя тем самым недоброкачественную поверхность слитка, крайний случай -появление неисправимых дефектов, таких как плена и заворот. Предложенный способ позволяет осуществлять разливку полной струей, обеспечивая качественную поверхность и предупреждая появление дефектов. Капли металла, попадая на внутреннюю поверхность наклонных стенок промежуточного элемента, покрытую антипригарным покрытием, отскакивают, не успевая окислиться, и попадают на зеркало разливаемого металла. В конце разливки промежуточный элемент играет роль дополнительного теплоизолятора.
2. Снизить количество тепла, идущего на прогрев футеровки и кожуха прибыльной надставки, тем самым, уменьшить переохлаждение металла в прибыльной надставке. Так как экран контактирует с жидким металлом с самого начала разливки, то в своем крайнем верхнем положении, в конце заливки жидкого металла, имеет температуру равную температуре металла, тем самым снижая затраты тепла на прогрев. Также, обладая низкой теплопроводностью, он играет роль буферного слоя, препятствующего расходу тепла на прогрев футеровки и кожуха прибыльной надставки. Все это позволяет обеспечивать поддержание металла в жидком состоянии в головной части слитка без дополнительных затрат. В этом случае головная часть слитка формируется в последнюю очередь, что позволяет сконцентрировать в ней всплывающие из тела слитка газовые пузыри, неметаллические включения и усадочную раковину, обеспечивая высокое качество металла.
3. Экран предохраняет поверхность футеровки надставки, обеспечивая более долгий срок службы прибыльной надставки и постоянство ее внутренних размеров, а также предотвращает появление поперечных трещин, появляющихся в результате зависания слитка из-за неровностей футеровки надставки.
Литература
1. Ефимов, В.А. Разливка и кристаллизация стали / В.А. Ефимов. — М.: Металлургия, 1976. — 552 с.
2. Китаев, Е.М. Затвердевание стальных слитков/ Е.М. Китаев. — М.: Металлургия, 1982. — 168 с.
3. Сталеплавильное производство: справ. / под. ред. А.М. Самарина. — М.: Металлургия, 1964. — Т. 1. - С. 459-469.
4. Власов, H.H. Разливка черных металлов: справ. /H.H. Власов, В.В. Корроль, B.C. Радя. — М.: Металлургия, 1987. —271 с.
5. Еднерал, Ф.П. Электрометаллургия стали и ферросплавов / Ф.П. Еднерал. — М.: Металлургия, 1977. - 470 с.
Поступила в редакцию 29 апреля 2010 г.
