Таблица 1.1 – Размеры изложниц, подвергнутых исследованию
| Изложница | Вес, кг | Толщина стенок, мм | Размеры внутреннего сечения, мм | Внутренняя высота, мм | ||
| Верх | Низ | Верх | Низ | |||
| Толстостенная | ||||||
| Тонкостенная |
Скорость кристаллизации слитков в этих условиях проверялась 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 (литры) после выдержки (в мин). | Средняя толщина твердой корки (в мм) после выдержки (в мин). | |||||
| Толстостенная | |||||||
| Тонкостенная |
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:
(1.1)
(1.2)
где:
С1 – коэффициент излучения;
α – 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 (рис. 1.1) 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 (рис. 1.2).
В тонкостенной изложнице получаются меньшие температурные перепады между внутренней и наружной поверхностью, чем в толстостенной (рис. 1.3), 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.
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 (рис. 1.4): прямые (рис. 1.4, а), вогнутые (рис 1.4, в) внутрь изложницы (рис. 1.4, б) и волнистые.
1.2. Особенности технологии производства 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.
Корректировка чугуна по содержанию основных элементов осуществляется 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 1300оС.
Необходимая структура и свойства чугуна в изложницах достигается 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].
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. В данном случае модель и ящик для центрального стержня совмещены (рис. 1.5).
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 осуществляется 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 кг/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.
1.3. 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 130оС максимальная температура внутренней поверхности на ½ высоты изложницы равна 915, 940 и 960оС, а наружной 600, 620 и 635оС, соответственно. Повышение температуры внутренней поверхности на 45оС влечет за собой увеличение перепада всего лишь на 10оС. 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 – 60оС. 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 (рис. 1.6, а);
- выгар – углубление с окисленной поверхностью, образующееся вследствие выкрашивания ячеек сетки разгара (рис. 1.6, б);
- срыв рабочего слоя – углубление с окисленной зернистой поверхностью, образующееся при извлечении из изложницы приварившегося слитка (рис. 1.6, в);
- размыв стенки, дна – углубление, образующееся на рабочей поверхности изложницы в результате прямого воздействия струи разливаемой стали (рис. 1.6, г).
1.4. 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]:
; (1.3)
где:
- способность материала противостоять воздействию напряжений;
- коэффициент теплопроводности;
- предел прочности на растяжение;
а - коэффициент линейного расширения;
Е - модуль упругости;
- 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 (
), что выражается следующей статистической зависимостью: С = 147,68 (QD (E )) + 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 (рис. 1.7, а), а на опытном участке наблюдалось много карбидов хрома в перлитной основе и незначительное количество мелкого графита (рис. 1.7, б).
Трещины сетки разгара на участке, обогащенном хромом, развивались значительно медленнее (рис. 1.8), 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.
Выполненный анализ исследования по данному вопросу позволяет сделать вывод, что 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].
1.5. 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 большинстве отечественных заводов в настоящее время являются приваривание слитков, сетка разгара и выгары [13].
Так по данным работы [14] следует различить два вида приваривания:
1) приваривание на ранних этапах эксплуатации, возникающее в результате смещения струи, повышенной температуры разливаемой стали и высокой начальной температуры изложниц;
2) 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.
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].
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 повепхностного 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 этом аспекте представляет интерес следующий эксперимент [2].
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 (рис. 1-9). 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 (рис. 1.10). Большее измельчение графитовых включений наблюдается в ваграночном чугуне (рис. 1.11).
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 (рис. 1.12) хорошо противостоят раннему привариванию [15]. При эксплуатации опытных 6-и 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].
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ИЗЛОЖНИЦ В УСЛОВИЯХ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА КГГМК «КРИВОРОЖСТАЛЬ»
2.1. Характеристика принимаемых на КГГМК «Криворожсталь» изложниц и анализ их стойкости
Для разливки кипящей и полуспокойной стали сверху и сифоном применяются уширенные книзу сквозные изложницы типа КС – 8п, (рис. 2.1), расчетная масса слитка:
спокойной стали – 8,9 т;
кипящей стали – 8,6 т;
расчетная масса изложницы – 8,6 т.
И МКС – 12,5 т (рис. 2.2):
общая масса слитка – 12,9 т;
расчетная масса изложницы – 13,1 т.
Для разливки спокойной стали применяются изложницы уширенные кверху, глуходонные с прибыльными надставками типа С – 9 (рис. 2.3):
расчетная масса слитка – 9,1 т;
масса прибыльной надставки – 1,25 т;
общая масса слитка – 8,4 т;
масса изложницы – 10,8 т;
и изложница типа МС – 12 (рис. 2.4):
расчетная масса слитка – 10,5 т;
масса прибыльной надставки – 2,4 т;
общая масса слитка – 12,5 т;
масса изложницы – 12,5т;
Изложницы уширенные книзу типа КС – 8п для разливки спокойной стали изменяют с теплоизоляционными плитами.
Первые – для разливки сверху, вторые для разливки сверху и сифоном [20].
Типы изложниц и способ разливки стали на КГГМК «Криворожсталь» приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Типы изложниц и способ разливки стали на комбинате «Криворожсталь»
| № п/п | Тип изложниц | Способ разливки | Вид стали | Масса слитка | Примечание |
| С-9 | сверху | спокойная | 8,5 | ||
| МС – 12 | сверху | спокойная | 12,5 | ||
| КС – 8п | сверху и сифоном | спокойная | 8,5 | С ТИВ | |
| КС – 8п | сверху и сифоном | кипящая | 8,5 | ||
| МКС | сверху | кипящая | 12,5 | ||
| МКС | сверху | спокойная | 12,5 | С ТИВ |
Расходный коэффициент изложниц на 1 тонну стали 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.
В таблице 2.2 приведено количество выведенных из эксплуатации изложниц по видам дефектов за 2001 и 2002 год, а также стойкость изложниц.
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:
1. Физические и механические свойства чугуна.
2. Химический состав чугуна.
3. Макро и микроструктура чугуна.
4. Технология изготовления изложниц.
5. Условия эксплуатации изложниц.
6. Конструкция изложниц.
7. Марка стали разливаемая в изложницы.
Как правило, изложницы выходят из строя в результате разрушения внутренней поверхности, что связано с появлением мелких трещин, размывов и ожегов, образования сквозных и глубоких трещин на стенках.
Важной причиной разрушения изложниц является неравномерный прогрев стенок. В период разливки стали, разность температуры внутренних и наружных слоев изложницы достигает 650-800оС. В результате в стенках изложницы возникает высокое напряжение, приводящее к образованию трещин [19].
Многократное циклическое повторение нагрева и охлаждения приводит к полному разрушению изложниц.
Образующиеся при эксплуатации трещины можно классифицировать следующим образом [2].
1. Трещины первого рода - образуются на рабочей поверхности при одностороннем нагревании, в первые минуты после соприкосновения изложницы с жидким металлом.
2. Трещины второго рода – возникают на рабочей стороне изложницы, в виде волосовин, которые при длительной эксплуатации изложниц, увеличиваются и проходят через всю стенку (рис. 2.5).
3. Трещины третьего рода - появляются на внутренней поверхности изложницы после значительного числа наливов. Это так называемая сетка разгара (рис. 2.6).
Все эти трещины являются результатом влияния высоких температур, окисления составляющих примесей чугуна, приводящего к его росту, в результате чего возникают внутренние напряжения.
Существенное влияние на стойкость изложниц как указывалось ранее, оказывают: конструкция изложницы, структура и свойства материала, из которого они изготовлены, продолжительность периода между раздеванием изложниц (длительность пребывания металла в изложницах) и разливкой стали, а так же условия наполнения изложниц. Различают внутренние напряжения первого