Материал: Разливка стали

Рисунок 6 - Схема разливки стали сверху: 1 - ковш; 2 - изложница; 3 - поддон

Разливка сверху обеспечивает существенные преимущества по сравнению с разливкой сифоном:

Упрощается трудоемкая подготовка и конструкция поддонов, а также составов в целом под разливку стали, отпадает необходимость

Отсутствует загрязнение стали неметаллическими включениями от размывания огнеупоров центрового литника, сифонных проводок и донного стаканчика в изложнице.

Исключаются потери металла на литниковую систему и скрап, образующийся при прорывах сифонных проводок; значительно сокращаются потери на недолитые слитки, количество которых ниже чем при разливке сифоном, так как он может быть только один на плавку.

Требуется более низкая температура металла перед разливкой из-за большей линейной скорости наполнения изложниц и отсутствия охлаждения металла в сифонных проводках. Обеспечивается более благоприятное расположение усадочной раковины в слитках спокойной стали, прибыльная часть которых заполняется медленно в последнюю очередь при смещении теплового центра слитка вверх, а из-за более низкой температуры разливаемого металла сокращается и общий объем открытой усадочной раковины. Создаются более благоприятные условия формирования наружной корки слитков, что позволяет разливать сталь с большей скоростью, чем сифоном. Связано это с тем, что при разливке сверху циркуляционные потоки жидкой стали в изложнице и напряжения в затвердевающих участках слитка существенно отличаются от таковых, возникающих при разливке сифоном, рис. 7.

Рисунок 7 - Характер интенсивных потоков и расположение теплового центра при сифонной разливке (а) и при разливке сверху (б)

Разливка сверху обеспечивает последовательное перемещение зоны интенсивной циркуляции металла снизу-вверх.

При этом максимальное ферростатическое давление воспринимается уже вполне затвердевшей прочной коркой внизу слитка, которая формируется в условиях относительно спокойного состояния стали и не омывается потоками горячего металла.

Это способствует более быстрому образованию зазора в нижней части слитка и устранению торможения усадки стали по его высоте, а, следовательно, и снижает вероятность образования горячих трещин, препятствующих повышению скорости разливки. Затрудненная усадка корки слитка при сифонной разливке связана еще и с наличием литника в донной части.

Более высокий выход годных слитков и снижение затрат на подготовку составов снижают себестоимость стали на 2-3%. Однако при необходимости получения большого количества слитков от одной плавки разливка стали сверху связана с некоторыми недостатками, которые не позволяют иметь качественную поверхность слитков. Рассматривая основные недостатки и их причины отметим следующее:

Механизм образования плен связан с тем, что струя стали вследствие большого ферростатического напора и высокой выходной скорости с силой ударяется о дно изложницы (поддон при сквозных изложницах), что вызывает разбрызгивание металла.

Кроме того, по ходу наполнения изложницы образуются заплески на ее стенках из-за натекания поверхностных волн, образующихся на зеркале металла. Степень разбрызгивания металла, и величина заплесков зависят от мощности струи, пропорциональной кубу скорости, и конфигурации донной части слитка.

Скорость падения струи в донной части слитка рассчитывается по уравнению:

 (1)

где Нм - высота уровня металла в ковше над нижним торцом стакана, м; hш - толщина слоя шлака в ковше, м - коэффициент торможения струи воздухом, который в зависимости от состояния поверхности струи изменяется в пределах 0,90-0,98; - коэффициент скорости при истечении струи; pш, pм - соответственно плотность шлака и металла, т/м³; Нс - длина струи, м.

Эта скорость струи входит в выражение для определения мощности струи N при ударе ее о дно изложницы:

 (2)

Из этого выражения следует, что мощность удара снижается при уменьшении скорости и диаметра d струи. Особенно интенсивное образование брызг и заплесков металла происходит вначале разливки вследствие значительного напора металла, большой длины струи и отсутствия лунки жидкого металла. Попадающие на стенки изложницы, окисленные капли и заплески металла быстро затвердевают и окисляются, а их скоплении образуются отслаивающиеся корки. При подъёме уровня металла в изложнице до покрытых окисными пленками застывших брызг и корочек происходит взаимодействие окислов с углеродом, кремнием и другими элементами, образуя подкорковые пузыри и шлаковые включения в слитке. В следствие интенсивного теплоотвода через стенки изложницы затвердевшие брызги и корочки металла не оплавляются и не свариваются с основной массой слитка, образуя плены на поверхности заготовок при прокатке слитков. Поэтому для разливки сверху характерным является увеличение трудоёмкости зачистки заготовок из-за поверхностных дефектов.

Еще одним специфическим недостатком разливки стали сверху является приваривание донной части слитков к изложницам (поддонам при сквозных изложницах). При этом значительно снижается стойкость изложниц (поддонов), а из-за затрудненной усадки в корке слитка возникают дополнительные растягивающие напряжения и повышается вероятность образования поперечных горячих трещин, особенно при уширенных кверху изложницах. Размывание струей металла донной части изложниц (поддонов), сопровождается изменением химического состава металла в донной части слитка, а также снижением примерно в два раза сроков службы изложниц (поддонов).

Приваривание слитков наносит большой ущерб производству, сопровождается дополнительными затратами труда на стрипперование, а иногда для извлечения слитков необходимо разбивать изложницы под копром. Приваренные слитки отстают от своей плавки, катаются холодным всадом в основном не по назначению, а иногда разрушаются вместе с приварившимися к ним изложницами.

Приваривание слитков учащается при увеличении удельного давления и количества подводимого тепла к зоне приваривания донной части слитка, что имеет место при разливке перегретого металла и при увеличении скорости разливки, как это следует из выражения для определения количества тепла, подводимого к зоне приваривания донной части слитка:

 (3)

где Sc - площадь поперечного сечения струи у дна изложницы; См - средняя теплоёмкость жидкой стали в интервале температур, при которых она воздействует на дно изложницы; t - понижение температуры жидкой стали в результате потери тепла на нагрев омываемого участка изложницы (поддона).

На практике широко применяется начало разливки, приторможенной струей. Кроме того, скорость струи у дна изложниц понижают, уменьшая до минимума расстояние между дном ковша и изложницей, а иногда используют промежуточные устройства. Простейшим приспособлением является промежуточная воронка со вставленным в неё разливочным стаканчиком. Воронку подвешивают к ковшу или устанавливают на изложницу. Применение воронки позволяет разливать металл при практически постоянном ферростатическом давлении и иметь примерно одинаковую скорость наполнения всех изложниц. Однако применение простейших промежуточных устройств в виде воронок при разливке стали из высоких ковшей практически невозможно. При высоте ковшей до 6 м скорость истечения из него стали и диаметры струи значительно отличаются от этих параметров для воронки. Для обеспечения синхронной разливки площадь сечения канала воронки должна быть, примерно, в 4 раза больше площади сечения канала стакана в основном ковше. При таком соотношении размеров более тонкая струя жидкой стали из ковша, не будет задерживаться в воронке.

Наиболее приемлемым в этом случае является промежуточный ковш с 2-6 дозирующими устройствами. Такие ковши позволяют в широких пределах регулировать скорость наполнения изложниц, значительно сокращать продолжительность разливки, улучшать качество поверхности слитков и увеличивать стойкость изложниц. Однако применение промежуточных ковшей требует повышения температуры металла, увеличения расхода огнеупоров и затрат труда, значительно усложняет оборудование и организацию работ в разливочном пролете. В связи с этим применение их ограничивается, в основном, непрерывной разливкой, при которой стабильность скорости разливки и возможность её целенаправленного регулирования в значительной мере определяют качество металла.

Защита дна изложниц (поддонов) обеспечивается вкладышами, листовой обрезью, обмазками, изолирующими засыпками и т.п. При введении в изложницы порошкообразных смесей для разливки стали под защитными средами, они же и предотвращают приваривание слитков. Положительные результаты достигаются при использовании обмазок на основе графита и 50% -го раствора жидкого стекла.

Для улавливания брызг и предотвращения образования заплесков на стенках изложниц используют манжеты, изготовленные из листового железа или картона, а также плавающие огнеупорные втулки, рис.8. Во время наполнения изложниц манжеты плавятся или сгорают, а огнеупорные втулки извлекают после отливки слитков.

Рисунок 8 - Форма манжет (план) для улавливания брызг и предотвращения заплесков металла на стенки изложниц

Существенное уменьшение брызгообразования достигается при изготовлении донной части изложниц и кюмпельных углублений поддонов полусферической формы. В этом случае брызги металла направляются не на стенки изложницы, а на струю, рис. 9. Опробованные О.В. Трифоновым и Б.Л. Ходановым результаты, полученные на гидравлической модели при помещении конусообразной пробки с вогнутыми обтекаемыми поверхностями в центре дна изложницы в случае строгой центровки струи показали полное устранение пленообразования. Однако, при заглублении такой пробки на 250 мм в тело слитка трудно избежать увеличения утяжки в заготовке и величины донной обрези.

Рисунок 9 - Схемы брызгообразования при плоском (а) и полусферическом (б) исполнении донной части слитка

При разливке стали сверху, возникают затруднения, когда из одного ковша необходимо отливать много слитков. Так как чаще всего используется ковш с одним дозатором и скорость опорожнения ковша снижается до величины массовой скорости наполнения изложницы, то значительно повышается продолжительность пребывания металла в ковше, особенно при отливке мелких слитков. Чтобы предотвратить чрезмерное остывание металла и образование настылей в ковшах, увеличивают скорость разливки в ущерб качеству слитков. При большой скорости разливки кипящей стали не обеспечивается необходимое удаление зоны сотовых пузырей от наружной поверхности слитка, а в слитках спокойной и полуспокойной стали увеличивается пораженность горячими трещинами. Кроме того в слитках спокойной стали увеличивается заглубление усадочной раковины и подусадочной рыхлости. Для всех типов стали увеличивается брызгообразование и приваривание слитков.

При отливке большого количества слитков многократные перекрытия стопорных или шиберных затворов снижают их стойкость и надежность. Кроме того увеличивается количество переездов и центровок струи, увеличивая общую продолжительность разливки. Поэтому с 1954 года на многих заводах осуществлена разливка стали из ковшей, оборудованных двумя дозирующими устройствами, одновременно через два стакана. При этом в два раза снижается количество переездов ковша и перекрытий канала одного стакана, что повышает надежность работы дозирующих устройств и на 35-50% сокращает общую продолжительность разливки.

Наполнение двух изложниц через два дозирующих устройства обеспечивается при строгом соответствии расстояний между центрами отверстий стаканов в ковше и осями одновременно наполняемых изложниц, фиксируемых на поддоне соответствующими выступами. На практике такая подготовка разливочных составов и ковшей особой сложности не вызывает. На Донецком металлургическом заводе по предложению автора в 1960 году была успешно осуществлена даже двухстопорная сифонная разливка и затруднений с точным наведением двух струй в две центровые не возникало.

При переходе на двухстопорную разливку магнитогорцы на 30% увеличили срок службы футеровки ковшей с соответствующим снижением расхода огнеупоров и затрат труда каменщиков. Сократились потери металла в виде настылей в ковшах и аварийного скрапа. Разливочный пролет перестал быть узким местом в цехе и достигнуто увеличение производства стали. В результате появившегося запаса времени стало возможным совершенствование технологии разливки путем торможения струи в начале и конце разливки, а при необходимости и уменьшение диаметра канала сталеразливочного стакана. Снизились изменения температуры металла по ходу разливки, а температура слитков, подаваемых в нагревательные колодцы повысилась на 20-25 С°. Все это позволило резко улучшить качество металла и на 1/5 сократить брак металла на первом и втором переделах.

При разливке сверху спокойной стали на ряде заводов отмечено более высокое, чем при сифонной разливке вторичное окисление и насыщение металла азотом. Это связано с большей длиной струи, обильным брызго - и пленообразованием, значительными завихрениями на поверхности металла в изложницах. Наряду с этим повышенные скорости разливки металла сверху увеличивают скорость нарастания гидростатического давления и затрудняют дегазацию металла в изложницах. Обычно при резком понижении температуры металла в изложницах растворимость газа в нем понижается и происходит удаление их в тем больших количествах, чем ниже скорость разливки и медленнее нарастает давление жидкого металла над рассматриваемым горизонтом.

По указанной причине от разливки стали сверху шарикоподшипниковой и других марок стали отказываются, из-за повышенного содержания газов и неметаллических включений, а также связанных с ними поверхностных и внутренних дефектов. Особенно заметно ухудшается качество сталей, содержащих легко окисляемые элементы и образующие тугоплавкие оксиды. Защита струи и зеркала металла в изложницах в значительной мере устраняет эти недостатки.

2.1.2 Сифонная разливка стали (Разливка стали снизу)

Распространение метода сифонной разливки связано с рядом очевидных причин. Во-первых, это обусловлено тем, что современный уровень развития технологии внепечной обработки позволяет воспроизводимо обеспечивать низкое содержание водорода и, соответственно, необходимость в вакуумной разливке отпадает. Во-вторых, при сифонной разливке есть возможность менее затратного (чем разливка в вакууме) и при этом достаточного надежного способа защиты струи металла от вторичного окисления. В-третьих, такой метод разливки позволяет стабилизировать в готовом металле содержание азота (актуально для марок стали, легированных азотом). И, наконец, в-четвертых, современные огнеупорные материалы способны практически полностью исключить загрязнение металла экзогенными включениями из сифонных каналов, что позволяет устранить один из существенных недостатков этого метода. Кроме того, сифонный метод обладает рядом преимуществ технологического характера: