CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип.№ 12
УДК 621.746.393
Большаков Л.А.*
ТЕРМИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В БАНДАЖИРОВАННЫХ ИЗЛОЖНИЦАХ
На поверхности изложницы при термическом ударе образуется поле напряжений с противоположными знаками. В процессе термического удара бандаж воспринимает максимальные растягивающие напряжения по углам изложницы. Максимум напряжений в бандаже с увеличением числа циклов оборачиваемости изложницы появляется с запаздыванием. Исследованная облегченная изложница внедрена в производство с экономическим эффектом.
На металлургических комбинатах в целях предотвращения образования продольных трещин в изложнице применяются стальные бандажи, устанавливаемые по периметру в ее торцевых зонах.
Бандажи изготавливаются литьем [1], сваркой прокатных полос различного профиля, рулонированием [2] из металлической ленты путем наматывания ее несколькими слоями с определенным зазором. Конструкции изложниц посвящены многочисленные работы [1-6], но в них недостаточно освещено поведение бандажированных изложниц при термическом ударе
_ _ , Напряженное состояние банда-
1 аолица 1 - Характеристика изложницы и слитка - н
"> г г жированнои изложницы С - 7 изучали
при заливке ее сталью сифоном. Изложница С - 7 легче ранее применявшейся изложницы С - 3 на 15 % или на 1,1 т за счет уменьшения толщины стенки в нижней ее части со 165 до 140 мм и высоты нижнего технологического бурта с 375 до 100 мм. Отношение И/С, массы изложницы И к массе слитка С, равно 1,07. Основные особенности конструкции изложницы С -7 и слитка приведены в табл. 1.
Для замера напряжений применили малогабаритный прибор [4] с магнитоупругим датчиком, позволяющим измерять напряжения на литой необработанной поверхности. Тарирование прибора произвели в интервале температур от 20 до 200 °С на образцах размерами 20 х 90 х 400 мм из стали марки 45JI и ваграночного чугуна СЧ 15 при одноосном растяжении - сжатии на прессе с усилием 50 т и на установке балочного типа. Изложницы отливали в полупостояные формы с режимом охлаждения в них в течение 12 ч.
Параметры Характеристика
Масса изложницы, т 8,5
Масса слитка, т 7,9
Верхнее основание в свету, мм 760 х 780
То же, у сферы дна, мм 665 x 585
Радиус сферы, мм 330
Высота слитка без прибыли, мм 2230
Конусность, % 2,45
Профиль граней прямой
Основание изложницы, мм
верхнего 1110 х1030
нижнего 1070x990
Высота буртов, мм
верхнего 250
нижнего 100
Толщина стенки, мм
вверху с буртом 175
в низу у сферы 140
дна 200
Сечение бандажа, мм 55 х 45 х 80
* ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
IV
Рис. 1 -Места измерений напряжений в изложнице:
I- 600 мм; II- 1200 мм;
III - 600 мм от основания;
IV - 70 мм от верха.
Напряжения измеряли в период 1-го, 5-го и 20-го наполнения изложницы сталью на протяжение 28 мин от завершения ее заливки. Измерение напряжений в изложнице проводили на трех ее уровнях, что наглядно представлено на рис. 1. На каждом уровне напряжения измеряли в пяти участках, расположенных ниже бандажа и транспортных приливов: посредине широкой и узкой граней, в углу и между ним и серединами граней. В стальном бандаже напряжения измеряли в одной точке в средней зоне по узкой грани изложницы, расположенной выше верхнего транспортного прилива. Температуру поверхности изложницы определяли в точках 2 каждого уровня.
Для анализа результатов исследования напряженного состояния изложницы вычисляли среднеарифметические напряжения стпь среднеквадратические отклонения 8? и среднеквадратические напряжения ап2.
Термические напряжения в изложнице Кинетика изменения термических напряжений в донной части изложницы (I - уровень) в период пятого заполнения ее сталью приведена на рис. 2, где номера кривых соответствуют замерам напряжений по схеме на рис. 1. Перед заливкой изложница имеет характерные эксплуатационные остаточные напряжения рис. 2. В начальный период прогрева изложницы широкая (кривая 1) и узкая (кривая 5) грани прогибаются внутрь (напряжения сжимающие, деформации отрицательные) и к 20ш мин значение сжимающих напряжений на наружных поверхностях середины граней достигает 48 МПа. После достижения максимальных сжимающих напряжений намечается тенденция к их снижению, хотя грани остаются вогнутыми до конца эксперимента, так как до 28 мин напряжения остаются отрицательными величиной от - 27 до -50 МПа. Деформация углов и близко расположенных к ним участков (граней) изложницы иная. В период заливки стали и кристаллизации слитка напряжения в углах (кривая 3) и на краю граней (кривые 2,4) быстро увеличивается, и достигают максимальных растягивающих величин: 100 МПа в углу, 90 МПа на краю широкой грани, 70 МПа на краю узкой грани через 20 мин после заливки стали в изложницу.
В табл. 2 приведены выбо-30 рочные, с большим интервалом времени между опытами, значения апь 8?, аП2 для нижнего яруса Рис. 2 - Напряженное состояние изложницы на уровне I измерений в изложнице (уровень
I, рис.1). Из табл.2 видно, что максимальные среднеарифметические напряжения растягивающего характера наблюдаются через 18 мин после заливки изложницы сталью. При этом после заливки сталью
200
ю
15 20 т , мин
25
изложницы среднеквадратические отклонения напряжений Б' вначале снижаются, а затем вновь увеличиваются.
Таблица 2 - Напряжения в нижнем ярусе изложницы
I, мин Т, °с а = а„1 ± Б', МПа а„2, МПа
- 49 -0,4+ 61,3 61,3
6 61 27,2 ± 14,8 30,9
12 120 36,6 + 13,5 50,2
18 210 50,8 + 45,6 68,2
24 300 31,4 + 55,2 68,8
28 350 47 7 + 41 1 62.4
200
150
100
со С
Напряжения а„2 существенным образом не изменяются, так как при термическим ударе не только растут напряжения, но они и перераспределяются.
На рис. 3 показан характер изменения температурных напряжений на наружной поверхности изложницы на уровне среднего яруса измерений.
Грани изложницы деформируются и на ее поверхности образуется сжимающие напряжения, которые к 18 мин после начала измерений достигают почти 80 МПа (кривые 1 и 5). При этом углы изложницы уже через 10 мин после заливки ее сталью приобретают напряжения растяжения, величиной до 80м -процентов прочности чугуна или 125 МПа (кривая 3). С течением времени растягивающие напряжения постепенно снижаются и к 28 мин после заливки стали в изложницу составляют 50 МПа. Близко расположенные к углу участки изложницы на узкой грани характеризуются напряжениями растяжения (кривая 4), а на широкой грани - сжатия (кривая 2). Значения температуры поверхности изложницы, среднеарифметических и среднеквадратических напряжений в этом ярусе измерений приведены в табл. 3. Специфической особенностью напряженного состояния изложницы на уровне среднего яруса через 8 мин после
заливки стали является преобладание
Таблица 3 - Напряжения в среднем ярусе излож- среднеарифметических напряжений ницы над растягивающими, вследствие бо-
лее значительного прогиба граней внутрь. Ближе к верхнему торцу на поверхности изложницы действуют преимущественно растягивающие напряжения, что видно из рис. 4. Участки изложницы, где измеряли напряжения, находятся в сфере действия бандажа, который воспринимает растягивающие напряжения. До 8-И 2 мин после заполнения изложницы сталью растягивающие напряжения в участках поверхности 2, 3, 4 и 5 увеличиваются почти прямо пропорционально. Максимальные растягивающие напряжения величиной до 75 МПа наблюдаются в углу изложницы через 16:18 мин после заполнения ее сталью (кривая 3)
-100
Рис. 3 - Напряженное состояние изложницы на уровне II
I, мин Т, иС а = а„1 + 8', МПа ап2, МПа
- 48 29,8 + 39,5 44,4
6 60 44,6 + 36,4 58,1
12 100 29,4 + 47,8 56,1
18 170 - 7,2 + 69,2 68,8
22 230 - 7,0 + 59,3 59,3
CD
С
100 80 60 40 20
-20
-40
-60
3 — %А 2» Ю- 4 д □ е {/'//' V A
г 1 2 _ if У | (, Я < у
5
\_ 4 - \
v:
10
15 X, мин
20
25
30
Рис. 4 - Напряженное состояние изложницы на уровне Таблица 4 - Напряжения в верхнем ярусе изложницы
Под действием возрастающих сжимающих напряжений находится только середина широкой грани (кривая 1) до 22 мин после заполнения изложницы сталью. Затем знак напряжений в этом участке изменяется на обратный. Изменяется так же знак напряжений на узкой грани изложницы (кривые 4 и 5). В табл. 4 приведены данные о изменении температуры, напряжений g„i ± S' и g„2 верхнего яруса изложницы. Напряжения a„i в период опытов являются растягивающие, но они по величине ниже, чем в нижнем ярусе изложницы, где температура изложницы несколько выше. Такая же закономерность наблюдается и для величины напряжений ап2.
Термические напряжения в бандаже На рис. 5 представлено изменение величины напряжений в бандаже после первого, пятого двадцатого заполнения изложницы сталью. Перед заливкой сталью изложницы бандаж сжат, напряжение в нем колеблется от-5,5 до-80 МПа.
В процессе кристаллизации слитка и отвода теплоты изложницей напряжения с течением времени в начале пропорционально возрастают, затем рост их замедляется до достижения максимума, после они плавно уменьшаются до минимальных значений, даже отрицательных. Максимальные напряжения в бандаже после первого заполнения изложницы сталью достигают 175 МПа через 8 мин, пятого - 180 МПа через 14 мин, двадцатого - 160 МПа через 16 мин. Пря-мопорциональный рост напряжений в бандаже продолжается для первого наполнения до 150 МПа, пятого - до 120 МПа, двадцатого -до 100 МПа.
В табл. 5 сопоставляются напряжения в бандаже с напряжениями a„i ± S вдоль угла, граней и по всей поверхности
I, мин Т, иС 5 = ст„1 ± S; МПа о„2, МПа
- 48 - 8,4 ± 34,2 32,3
6 49 20,8 + 18,0 27,5
12 70 36,2+ 11,6 38,0
18 140 15,8 + 29,7 33,7
28 240 3,2+ 27,6 27,8
200
150
100
го 1=
50
-50
-100
3 1.
1 -
10
20
, МИН
30
40
Рис. 5 - Напряжения в бандаже изложницы:
1 - после первого налива ее сталью;
2 - то же пятого;
3 - то же двадцатого.
изложницы в различные промежутки времени после пятого заполнения ее сталью. В ней же приведены средние данные по температуре поверхности изложницы.
Таблица 5 - Напряжения (стП1 ± 8) в бандаже вдоль угла, граней и по всей поверхности излож-
ницы.
т, мин Т °С Напряжения, МПа
бандаж угол широкая грань узкая грань изложница
- 48 - 75 -33+44 75 + 13 30 + 39 7 + 49
6 57 80 46 + 49 37 + 21 36 + 6 27 + 31
14 117 180 82 + 0 - 14 + 21 -1+26 30 + 39
18 173 170 91 + 11 -20 + 45 -25+44 26 + 56
28 296 25 53+31 -5 + 33 -52 + 16 7 + 47
Как видно из табл. 5, в момент развития максимальных растягивающих напряжений в бандаже углы изложницы растянуты, а грани ее сжаты. Таким образом, бандаж в период термического удара воспринимает растягивающие усилия по его периметру неравномерно. Максимальные усилия развиваются в углах изложницы.
Изложница С-7 с утоненной стенкой у стыка с шаровой поверхностью дна внедрена в производство. Расход изложниц снижен на 1,8 кг/т стали.
Выводы
1. На поверхности изложницы после заливки ее сталью образуется напряженное поле с противоположными знаками.
2. При термическом ударе поверхность середины граней изложницы находится под действием сжимающих термоупругих деформаций, растягивающие напряжения возникают в углах изложницы.
3. Максимальные напряжения в бандаже с увеличением числа циклов оборачиваемости изложницы по времени после ее заливки сталью возникают позднее.
4. Облегченная изложница С-7 с утоненной стенкой у стыка с шаровой поверхностью дна, благодаря рациональному распределению массы металла по ее высоте и периметру, при термическом ударе достаточно равномерно нагружена. Изложница внедрена в производство с экономией ее расхода на 1,8 кг/т стали.
Перечень ссылок
1. Брайнин И.Е., Борнацкий И.И., Алферов КС. Повышение стойкости крупных изложниц путем армирования //Сталь. - 1958. -N3. - С. 267-270.
2. Абрамов В.В., Курганов В.А. Термоуравновешенная металлургическая изложница. - М.: Металлургия, 1988. - 140 с.
3. Скребцов A.M., Большаков Л.А., Чоповский А.Г. Снижение расхода изложниц на металлургических предприятиях. - К.: Вища школа, 1987. - 91 с.
4. Чоповский А.Г., Скребцов A.M., Большаков Л.А. Улучшение конструкции изложниц // Сталь. - 1982. -№10,-С. 29-30.
5. Кукса A.B. Чугунные сталеразливочные изложницы. - М.: Металлургия, 1989. -152 с.
6. Большаков Л.А., Чоповский А.Г. Экспериментальные исследование напряженного состояния изложниц// Повышение стойкости изложниц. - М.: Металлургия, 1972. - N2. - С. 108-110.
Большаков Леонид Андреевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры литейного производства ПГТУ. окончил Московский институт стали и сплавов в 1948 г. Основные направления научных исследований - исследование литейных и технологических свойств сплавов и повышение качества отливок; разработка новых методов формообразования, формовочных смесей, противопригарных и разделительных покрытий.
Статья поступила 25.02.2002.
