Материал: Разливка стали

−         получение высокого качества поверхности слитка, связанного с тем, что металл поступает снизу и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки;

−         исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутствия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава);

−         наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц;

−         упрощение системы защиты поверхности металла при разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном наполняют и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания с шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла;

−         продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляют отливку нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки;

−         разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки.

Конечно, сифонный метод имеет и некоторые недостатки:

−         смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленного (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости (эта характерная негативная особенность сифонного метода может быть отчасти решена изменением режима нагрева разливочной оснастки, а именно за счет уменьшения температуры нагрева поддона и увеличения температуры нагрева прибыльной надставки и/или верхней части корпуса изложницы);

−         необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху, скорости разливки;

−         увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы;

−         повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2% от массы разливаемого металла);

−         повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

Однако, несмотря на наличие перечисленных недостатков сифонный метод разливки находит все большее применение, и потому вопросы оптимизации данной технологии являются достаточно актуальными. В данной работе рассмотрены основные направления совершенствования технологии сифонной разливки.

2.1.3 Скоростной режим сифонной разливки

Одним из важных аспектов технологии сифонной разливки является скорость заполнения изложницы. Ее регламентируют с целью обеспечения заданного темпа повышения уровня металлического расплава в изложнице; как правило, оптимальная линейная скорость заполнения составляет 0,2…0,3 м/мин. Большие слитки, кузнечные слитки или специальные фасонные отливки обычно заполняют с меньшей скоростью, что необходимо для гарантированного формирования твердой корочки надлежащей толщины, чтобы устранить или минимизировать формирование продольных трещин.

Уменьшение скорости разливки сопровождается увеличением продолжительности 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 ее заворотам.

Влияние скорости заполнения изложницы на форму поверхности зеркала металла показано на рис. 10.

Рисунок 10 - Влияние скорости заполнения изложницы для 8-тонного слитка металлическим расплавом на форму мениска: слева - скорость заполнения равна 30 см/мин; справа - 1300 см/мин

Если скорость будет больше некоторого критического значения, то металлический расплав будет поступать в изложницу в виде фонтана и, падая, он будет захватывать шлак и окисляться кислородом воздуха. Эта критическая скорость зависит от поверхностного натяжения и плотности стали; согласно работе [5] ее следует рассчитывать по следующей формуле:

= 3,5 (γ/ρ) 0,25 (4)

где γ - поверхностное натяжение, Дж/м2;

ρ - плотность металлического расплава, кг/м3;

Как правило, γ = 1,89 Н/м, а ρ = 7020 кг/м3, тогда в соответствии с вышеприведенным выражением Vcr = 0,45 м/с.

Рекомендуется, чтобы скорость заполнения была ниже этого критического значения в течение первых нескольких минут. Когда высота столба жидкой стали в изложнице достигнет определенного значения и устойчивой формы поверхностности, значение скорости после этого может постепенно увеличиваться.

На рис. 11 и рис. 12 представлены результаты обобщения производственных данных отечественных предприятий о зависимости линейной и массовой скорости наполнения в изложнице при сифонном способе разливки и при разливке сверху.

а

б

Рисунок 11 - Зависимость линейной скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка.

а

б

Рисунок 12 - Зависимость массовой скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка:

○ - завод А; - завод Б (ПАО "НКМЗ") [10, с.154, 197]; □ - завод В; ■ - завод Г; ▲ - завод Д; Δ - завод Е; - завод Ж (Витковице); х - завод З (ОАО "Камасталь") [2]; + - завод З (Ellwood Quality Steel Company).

Конструкция сифонного металлопровода и входного патрубка. При использовании сифонного метода на начальных стадиях поступления металлического расплава в изложницу, особенно при высоких скоростях разливки, ввиду наличия интенсивного напора и малого сопротивления создаются условия для возникновения фонтана металлического расплава, что негативно отражается на качестве поверхности получаемого слитка. После того, как ванна металлического расплава в изложнице стабилизировалась, и мениск приобрел близкую к плоской форму, поступающий в изложницу поток стали может все еще сместить плавающий на поверхности металла защитный шлак на периферию, создавая оголенную поверхность (''глаз'') зеркала металла. Чрезмерно интенсивные потоки расплава в изложнице могут привести к оголению зеркала металла и, как следствие, к его вторичному окислению. Кроме того, при определенной скорости потоков в изложнице становится возможным захват покровного шлака в металлическую ванну. Этот эффект может быть уменьшен за счет оптимизации сечения каналов сифонной проводки и особенностей конструкции входного патрубка, через который металлический расплав поступает из сифонной проводки в изложницу.

Установлено, что при увеличении диаметра выходного отверстия по сравнению с каналом сифонной проводки уменьшается воздействие выходящей струи на кристаллизующуюся ко­рочку.

Результаты моделирования влияния увеличения площади сечения струи, входящей в изложницу, на холодной модели в масштабе 1: 2 путем увеличения количества входных отверстий до двух показали, что высота подъема струи сокращается вдвое, максималь­ное отклонение от оси подвода по сравнению с подводом через одно отверстие уменьшается в 2…2,5 раза. В условиях моделирования рас­стояние между осями отверстий не оказывало существенного влияния на характер наполнения модели изложниц; его изменение может быть объяснено технологией изготовления сифонного кирпича.

Рисунок 13 - Схема холодного моделирования подвода металла в изложницы через одно отверстие (а), как по обычной технологии; через два отвер­стия с межцентровым расстоянием 30 мм (б) и 40 мм (в)

В итоге, в работе было показано, что в результате подвода метал­ла в изложницы через два отверстия и исполь­зования изложниц волнистого сечения можно добиться сокращения брака слитков по трещинам в 2 раза.

Влияние формы входного патрубка на гидродинамику металлического расплава в изложнице было исследовано в работе [7] с использованием холодной модели и численного моделирования. Было показано, что для предотвращения возможности формирования несимметричного потока металлического расплава, отношение линейной длины входного патрубка к его минимальному диаметру должно быть больше, чем 6. Поток жидкости в изложнице при сифонной отливке показан на рис. 14. Расчет скорости потока жидкости и траектории движения включений в каналах сифонной проводки указывает на то, что включения двигаются преимущественно вдоль главной стены, таким образом, они могли бы быть пойманы в ловушку специальными ловушками включений, установленными вблизи конца сифонных каналов. Другой метод удаления включений - использование керамических фильтров из пены в системе каналов около входного патрубка.

Рисунок 14 - Влияние конструкции входного патрубка на особенности заполнения металлом изложницы

Существуют стаканы с глухим верхом (рис. 15), обратной внутренней конусностью и выступающей в полость изложницы головкой с боковыми отверстиями. При сифонной разливке стали через такой стакан полость излож­ницы заполняется горизонтальными струями до на­полнения не менее чем на четверть высоты. Число отверстий в новом стакане можно варьировать от двух для плоских листовых слитков до шести для круглых и фигурных кузнечных. При отливке сорто­вых блюминговых слитков принимают четыре отвер­стия.

Рисунок 15 - Стакан с бо­ковым выводом металла (б) и схема движения потоков металла в изложнице при его использовании (а)

Боковые струи металла, вытекающие практически на уровне дна изложницы, при этом подтекают под смесь, а не покрывают ее веером. В дальнейшем по­токи жидкого металла на уровне границы металл-шлак тоже направлены от корки затвердевающего металла, что исключает захват растущей коркой частиц шлака или компонентов смесей. Продолжительность работы стакана в таком режиме за­висит от типа огнеупора, способа изготовления, количества и диаметра отверстий, т.е. от площади живого сечения огнеупора между отверстиями. Вы­сота выступающей в полость изложницы части ста­канчика составляет 2,3…2,5 % высоты слитка, а объем - около 0,1 %, что существенно меньше объе­ма металла, идущего на донную обрезь. Применение такого стакана к тому же резко сокращает количество так называемых "глухих" изложниц, образующихся из-за закупорирования обычного диффузорного ста­кана и части проводки смесью в случае прорыва или прогара мешка.

При опытно-промышленном опробовании новой тех­нологии разливки стали сифонным способом с использованием предложенного стакана было достигнуто существенное улучшение качества поверх­ности и чистоты корковой зоны донной части слитков, подкатов, заготовок; заметно повысился выход год­ного металла.

Для широкого промышленного опробования и внед­рения новой технологии необходимо провести иссле­дования гидродинамики движения металла с целью оптимизации размера боковых отверстий, а также разработать способы более быстрой постановки из­ложниц на такие стаканы и др.

Новый метод подвода металла в изложницу позво­лит существенно повысить технико-экономические показатели сифонной разливки стали в условиях все более широкого применения различных разливоч­ных порошков.

Следует отметить, что для выявления тех случаев, когда причиной отбраковки слитков стало размытие корочки при поступлении первых порций металла, на сторонах слитка следует наносить маркировку, позволяющую определить расположение браковочных мест относительно центровой (стороны, от которой происходило отклонение струи).

2.2 Разливка стали на МНЛЗ

Непрерывная разливка стали на МНЛЗ состоит в том, что жидкий металл непосредственно из ковша или через промежуточное устройство непрерывно заливается в верхнюю часть водоохлаждаемого кристаллизатора, в который предварительно вводят затравку того же поперечного сечения, что и слиток. Верхний торец затравки служит дном для первых порций металла. По мере затвердевания отливаемая заготовка с помощью тянущих механизмов вытягивается вниз.

Непрерывная разливка стали для отливки сортовых и листовых заготовок характеризуется следующими технико-экономическими преимуществами по сравнению с производством заготовок из слитков:

−         значительно сокращается расход металла на тонну готовой продукции (с 12-25 до 3-5%) в результате уменьшения отходов донной и головной частей слитков.

−         улучшаются условия труда в разливочном пролете, поскольку отпадает выполнение тяжелых работ по подготовке изложниц к разливке, раздеванию слитков и др. Процесс подготовки и разливки на машинах непрерывной литья заготовок (МНЛЗ) является механизированным и в значительной степени автоматизированным вплоть до резки и уборки заготовок.

−         при непрерывной разливке стали уменьшаются капитальные и эксплуатационные затраты в связи с отсутствием надобности в обжимных станах.

−         механизация и автоматизация процесса на МНЛЗ обеспечивает постоянство условий производства и повышение производительности труда примерно на 20-25% по сравнению с цехами, где сталь разливают в слитки.

−         в связи с этими преимуществами непрерывная разливка стали интенсивно развивается и внедряется во всех странах мира.

Рисунок 16. Машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

а - вертикальная; б - с изгибом слитка; в - радиальная; 1 - сталеразливочный ковш; 2 - промежуточный ковш; 3 - кристаллизатор; 4 - зона вторичного охлаждения; 5 - тянущие валки; 6 - автоматический резак; 7 - подъемник; 8 - рольганг; 9 - изгибающий механизм

Жидкая сталь поступает в разливочное отделение при t = 1560 - 1580°С. Из сталеразливочного металл подается в промежуточный ковш, предварительно нагретый до 1100°С.

Если принять температуру кристаллизации tкр для большинства сталей 1500°С, то в промежуточный ковш сталь должна поступать с небольшим перегревом. Обычно температура стали в промковше поддерживается на уровне 1540 - 1560°С, что обеспечивает удовлетворительное качество поверхности слитков и стабильность процесса разливки. Однако с повышением температуры металла более 1570°С возрастает пораженность слитков наружными продольными и поперечными трещинами.

Для обеспечения стабильности процесса разливки температура металла в кристаллизаторе должна быть на 15 - 20°С выше температуры затвердевания, однако по условиям качества слитка перегрев должен быть не более 30°С.

В кристаллизаторе за счет интенсивного охлаждения, но периметру слитка затвердевают поверхностные слои металла, образуя твердую корочку или оболочку слитка. Внутри слитка по центральной оси сохраняется жидкая фаза. Стальная заготовка формируется в соответствии с формой и размерами кристаллизатора. Застывшая в кристаллизаторе сталь сцепляется с затравкой, а образующийся слиток вытягивается вниз с помощью тянущих клетей.