Разливка стали

• Введение
• 1. Разливка стали и строение слитка
• 1.1 Оборудование для разливки стали
• 2. Технология разливки стали в изложницы
• 2.1 Разливка сверху
• 2.1.1 Разливка стали в изложницы сверху
• 2.1.2 Сифонная разливка стали (Разливка стали снизу)
• 2.1.3 Скоростной режим сифонной разливки
• 2.2 Разливка стали на МНЛЗ
• 3 Улучшение качества разливки стали
• Список литературы

Макроструктура прокатанного металла, полученного из слитков непрерывной разливки, во многом зависит от степени развития в них усадочных пороков, а также внутренних горячих трещин и осевой ликвации. Для полного заваривания осевой пористости и внутренних горячих трещин в слитках квадратного и круглого сечения достаточно, чтобы коэффициент вытяжки при прокатке был равен 4−5, а для среднелегированной и инструментальной стали значительно выше, порядка 6−8. В то же время для получения удовлетворительных механических свойств проката достаточно проводить 4−6-кратное обжатие.

При прокатке обычных слитков степень обжатия, как правило, бывает выше 10−20, а при прокатке непрерывного слитка она часто составляет 4−6. Это обстоятельство необходимо учитывать при сравнении качества слитков стали непрерывной разливки, полученных двумя разными способами.

Макроструктура готового сортового проката, полученного из квадратных заготовок непрерывной разливки, бывает плотной, с равномерным распределением ликвирующих элементов. В прокате высоколегированных сталей отмечена более мелкая ледебуритная или цементитная сетка по сравнению с готовым прокатом из обычных слитков, что следует объяснить более быстрым охлаждением металла.

Более высокое качество слитка стали непрерывной разливки по сравнению с обычным приводит к тому, что в ряде случаев для достижения одинаковых механических свойств для непрерывного слитка требуется меньшее обжатие. Так, например, по данным завода «Красное Сормово», с увеличением степени обжатия как непрерывного слитка стали сечением 200 X 200 мм, так и обычного сечением 300 X 300 мм пластические свойства (относительное удлинение и сжатие поперечного сечения) низкоуглеродистой стали заметно возрастают с повышением степени обжатия. В то же время 10-кратное обжатие слитка стали непрерывной разливки обеспечивает такие же значения пластических свойств поперек и вдоль направления прокатки, какие достигаются у образцов из слитка стали обычной разливки только при 22,5-кратном обжатии.

Пластические свойства трансформаторного листа, прокатанного из слитка стали непрерывной разливки сечением 200 X 200 мм, по данным Верх-Исетского завода, также лучше, чем из обычного слитка, что позволило повысить содержание кремния в стали до 4,6−4,7% (вместо 4−4,3%). Относительно большая скорость кристаллизации слитка непрерывной разливки при небольших поперечных размерах обеспечивает равномерное распределение мелких включений по объему металла.

В настоящее время на отечественных заводах на МНЛЗ разливают стали большой группы марок: углеродистые, легированные, инструментальные, электротехнические, нержавеющие и др. Однако стали многих высоколегированных марок и сплавы еще не разливают на этих установках. Непрерывное совершенствование технологии непрерывной разливки (выбор оптимальной температуры разливки, характер возвратно-поступательного движения кристаллизатора, смазки и т. п.) является залогом возможности расширения сортамента сталей, отливаемых на МНЛЗ.

разливка сталь сифонный режим

1. Разливка стали и строение слитка

Выплавленную в плавильной печи сталь выпускают в сталеразливочный ковш и мостовым краном переносят к месту разливки в слитки. Емкость ковша обычно определяется емкостью плавильной печи и составляет от 5 до 350 т. Сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки. Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. Масса слитков для проката обычно равна 10−12 т, а для поковок достигает 250−300 т.

Для разливки стали в изложницы применяют два способа: сверху и сифоном снизу. При разливке сверху сталь подают ковшом в каждую изложницу отдельно. При такой разливке поверхность слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязнена корольками (каплями затвердевшего металла) и пленками оксидов. При сифонной разливке сталью заполняют одновременно от 2 до 60 установленных на поддоне изложниц через центровой литник и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение. Поверхность слитка получается чистой, сокращается время разливки. Но при этом способе разливки получается удлиненная усадочная раковина вследствие того, что последние порции горячего металла поступают снизу.

Непрерывная разливка стали производится на машинах непрерывной разливки стали МНРС. Жидкую сталь из ковша через промежуточное устройство непрерывно заливают сверху в вод охлаждаемую изложницу без дна (кристаллизатор), из нижней части которой с помощью валков со скоростью 1−2,5 м/мин вытягивают затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждают водой, он окончательно затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком на куски определенной длины. Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках, полученных на МНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96−98% массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка — плотным и однородным строением.

В зависимости от способа разливки структура слитка может иметь различное строение. В общем случае в ней можно выделить три зоны. Внешняя часть слитка состоит из мелких неориентированных зерен, формирующихся в начальный момент затвердевания, когда металл, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с весьма большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Внутренняя часть слитка — зона крупных равновесных зерен — формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления. В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Она расположена в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.

Структура образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части.

Структура слитка кипящей стали. Выделение газов в ней происходит при затвердевании слитка, поэтому образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением, так как он имеет высокую пластичность.

Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, или ликвация, возникает вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. Ликвация бывает двух видов — дендритная и зональная. Дендритной ликвацией называется неоднородность стали в пределах одного кристалла (дендрита) — по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора — в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину. Зональная ликвация — неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части — уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных, поэтому верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.

1.1 Оборудование для разливки стали

Готовая сталь после окончания процесса плавки выпускается в разливочный ковш и разливается при помощи крана. Из конвертора сталь выпускается в ковш путем наклона, а из мартеновских и электрических печей — по выпускному желобу. Из ковша сталь разливают в чугунные изложницы для получения слитков и в земляные или в металлические формы для получения фасонных отливок.

Ковши для разливки стали чаще всего делаются стопорными. сталь из таких ковшей разливается через отверстие в особом огнеупорном стакане 1 (рис.1), вставленном в днище. Выпуск стали приостанавливается стопором 5, который представляет собой стальной стержень, защищенный от действия металла и шлака огнеупорными трубками с укрепленной снизу специальной пробкой 7, закрывающей отверстие в стакане. Пробки и стаканы изготовляются из шамота, графита и магнезита. Стопор с помощью вилки соединен с рычажным механизмом 4, служащим для поднятия и опускания его при открытии и закрытии отверстия во время разливки. Кожух 3 ковша изготовляется из листовой стали. По окружности он опоясывается стальным кольцом с цапфами 6, служащими для захвата крюками мостового разливочного крана. Футеруют ковш шамотным кирпичом. Футеровка 2 ковшей делается тщательно, с незначительной толщиной швов во избежание разрушения металлом. Стойкость футеровки составляет 25−50 плавок. Перед наполнением жидким металлом ковши сушат и нагревают до 700−800° С.

Изложницы, в которые заливается сталь, отливаются главным образом из чугуна и редко из стали. Размеры изложниц зависят от веса заливаемого слитка, который достигает от 100 кг до 100 т и более.

Стойкость чугунных изложниц 60−100 плавок.

Форма и конструкция изложниц зависят от назначения отливаемых в них слитков и способа разливки стали (рис.2а), а также от того, для разливки какой стали они предназначены — кипящей, полуспокойной или спокойной.

Кипящей называется сталь, при разливке которой наблюдается «кипение» металла в изложнице в период кристаллизации слитка. Она раскисляется только ферромарганцем. В процессе раскисления образующаяся окись углерода вместе с другими растворенными в стали газами выделяется из металла, что создает впечатление кипения стали в изложницах. Кипящая сталь легче сваривается, чем спокойная, и очень хорошо штампуется. Из нее меньше отходов при прокатке. Стоимость кипящей стали меньше стоимости спокойной. Отрицательным свойством кипящего металла, особенно при отливке тяжелых слитков, является большая неоднородность химического состава по высоте и поперечному сечению слитка.

Рисунок 1 — Схема устройства стопорного разливочного ковша для разливки стали

Спокойной называется такая сталь, которая перед разливкой хорошо раскислена; при разливке из нее выделяется мало газов, благодаря чему она спокойно застывает в изложницах. Раскисляют ее ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. В слитках кипящей стали имеются пузыри. В слитках спокойной стали они отсутствуют, и наблюдается рыхлость и пористость. Среднеуглеродистая и высокоуглеродистая сталь изготовляется только спокойного типа, так как из кипящей стали с высоким содержанием углерода нельзя получить хорошие слитки. Кроме того, слитки спокойной стали более однородны по химическому составу.

Полуспокойную сталь можно назвать промежуточной между спокойной и кипящей. Для раскисления этой стали дается меньшее количество ферросилиция, чем для спокойной, и определенное количество алюминия, добавляемого в ковш перед разливкой металла или в изложницы во время разливки.

Так как в слитках полуспокойной стали образуется усадочная раковина малого размера и меньше развита химическая неоднородность, выход годной части слитка повышается. Для отливки кипящей стали применяют сквозные изложницы квадратного и прямоугольного сечения без дна, уширяющиеся книзу, чтобы было удобнее удалять из них слитки. Чтобы устранить образование трещин на слитках, внутреннюю поверхность изложниц делают волнистой (см. рис. 2 а, б).

Для получения слитков спокойной стали применяют изложницы с глухим дном и с отверстием в нем для установки шамотного стаканчика при сифонной разливке или стального вкладыша при разливке сверху (см. рис.2б).

Слитки, предназначенные для прокатки сортовых профилей, отливаются в изложницы квадратного сечения, а для прокатки листов — в изложницы прямоугольного (эллиптического) сечения (см. рис. 2 а, б).

Слитки, идущие для ковки на молотах или на прессах, отливают в изложницы многогранного сечения, уширяющиеся кверху.

Рисунок 2 — Типы изложниц для заливки слитков

Способы разливки стали.

Существует три основных способа разливки стали: сверху, сифонный и непрерывный. По первому способу каждую изложницу заливают металлом сверху (рис.3).

Рисунок 3 — Схема разливки стали в изложницы сверху: а — ковш с жидкой сталью, б — изложница

Рисунок 4 — Схема сифонного способа разливки стали:

1 — ковш, 2 — центровой литник, 3 — сифонные кирпичи, 4 — поддон, 6 — изложницы, 6 — шлакоуловители, 7 — огнеупорная масса

Сверху отливаются слитки крупного развеса (до 200 т), а также некоторые сорта легированной стали (быстрорежущей, шарикоподшипниковой и др.), в которых допустимо минимальное содержание неметаллических включений.

По сифонному способу из ковша 1 (рис. 4) через центровой литник 2 одновременно заливается в зависимости от развеса слитков от двух до 60−100 изложниц. При этом металл, проходя по центровому литнику 2, поступает по системе каналов, образованных специальными сифонными кирпичами 3 в чугунном поддоне 4, к каждой изложнице 5. Преимущества сифонного способа: можно отливать одной струей большое число слитков, поверхность слитков получается чистой, вследствие уменьшения высоты и объема усадочной раковины можно получить качественные слитки развесом до 20−30 г стали.

Прогрессивным способом является непрерывная разливка стали. Металл из ковша 1 (рис. 5) заливается непрерывной струей в промежуточное устройство 2, а из него поступает в охлаждаемые водой кристаллизаторы 3, в которые предварительно закладываются стальные заготовки, образующие дно. При соприкосновении жидкого металла с этими заготовками (затравками) и стенками кристаллизаторов начинается быстрое затвердевание его, еще более усиливающееся при проходе через зону 4 вторичного охлаждения. Затвердевшая заготовка вытягивается роликами 5, действующими от специального механизма к тележкам газорезок 6, разрезается на куски, а затем по конвейеру поступает в прокатный цех. Применение способа непрерывной разливки стали позволяет сократить отходы металла с 15−20% при обычной разливке до 3−5%, т. е. в 5 раз.

Рисунок 5 — Схема непрерывной разливки стали

2. Технология разливки стали в изложницы

2.1 Разливка сверху

2.1.1 Разливка стали в изложницы сверху

В настоящее время наибольшее применение находит простая, менее трудоемкая и более экономичная разливка стали сверху, составляя около 80% от всей стали, разливаемой в изложницы. При разливке сверху каждая изложница наполняется отдельно через стакан непосредственно из сталеразливочного ковша (реже через промежуточные устройства), рис. 6. Металл поступает в изложницы с заданным расходом и наполняет их до требуемого уровня. После этого канал стакана перекрывают и ковш (реже изложницы) перемещают для отливки следующих слитков. Этот способ широко применяется в кислородно-конвертерных, мартеновских и электросталеплавильных цехах при отливке средних и крупных слитков углеродистых и низколегированных сталей.

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:

Условия разливки стали сверху обуславливают получение плохой пленистой поверхности, особенно в нижней части слитков.

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:

? 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 ее следует рассчитывать по следующей формуле:

Vcr = 3,5 (г/с) 0,25 (4)

где г — поверхностное натяжение, Дж/м2;

с — плотность металлического расплава, кг/м3;

Как правило, г = 1,89 Н/м, а с = 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; Д — 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 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

Уменьшение пораженности грубыми разливочными пленами нижней части слитков, отливаемых сифоном, может быть обеспечено при использовании специальных компенсаторов над выходными отверстиями сифонной проводки в каждой изложнице. Такие компенсаторы обеспечивают гашение энергии струи металла и исключение заплесков на стенки 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 °C. Из сталеразливочного металл подается в промежуточный ковш, предварительно нагретый до 1100 °C.

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

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

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.

Для предотвращения прилипания жидкой стали к стенке кристаллизатора предусмотрен механизм качания. Кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение с заданной частотой качания, а в зазор между стенкой кристаллизатора и поверхностью слитка подается специальная смазка.

Толщина затвердевшей корочки на выходе из кристаллизатора должна быть > (25−30) мм, чтобы обеспечить достаточную механическую прочность вытягиваемой заготовки и исключить возможность прорыва жидкого металла. По некоторым зарубежным данным толщина корочки должна быть > (15 — 25) мм в зависимости от размеров заготовки.

Температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора составляет < (1100−1200)°С при средней температуре корочки — (1300 — 1350)°С. Прочность такой корочки достаточна, чтобы противостоять силам трения и действия ферростатического давления жидкого металла.

Слиток с затвердевшей корочкой, попадающий из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения, в результате форсированного поверхностного охлаждения затвердевает по всему сечению. Форма слитка сохраняется за счет специальной поддерживающей системы (роликовой, брусьевой и др.). После прекращения подачи воды слиток охлаждается на воздухе.

В конце зоны вторичного охлаждения температура поверхности (tп) слитка снижается до уровня 800−900°С. Слиток принудительно вытягивается с помощью тянущих клетей, а затем поступает в газорезку, где разрезается на мерные куски заданной длины. Далее заготовки по рольгангу транспортируются на склад.

Успешное внедрение способа непрерывной разливки стали в металлургической промышленности стало возможным только после разработки устойчивого процесса разливки, обеспечивающего стабильное металлургическое производство и получение высококачественной продукции из литых заготовок.

На основании многолетнего опыта определены главные условия для получения устойчивого технологического процесса непрерывной разливки стали:

? равномерное распределение металла при подводе в кристаллизатор;

? разливка в оптимальных температурных интервалах;

? обеспечение симметричности кристаллизации и формирования структуры заготовки, а также необходимой толщины корочки;

? вытягивание с заданной постоянной скоростью;

? полное затвердевание в зоне вторичного охлаждения;

? широкая механизация и автоматизация работы МНЛЗ и др.

При проектировании новых промышленных установок основное внимание уделяется дальнейшему повышению эксплуатационных качеств и надежности работы всех узлов технологического и теплотехнического оборудования, сокращению времени на подготовку, перестройку машины для отливки другого профиля.

Установлены главные технологические факторы, обеспечивающие получение слитков высокого качества: температура жидкой стали, скорость разливки и режим вторичного охлаждения.

Температура жидкой стали — важный технологический фактор, влияющий на процесс и качество непрерывного слитка. При недостаточном перегреве снижается жидкотекучесть стали и затрудняются условия разливки, а значительный перегрев ведет к образованию внутренних трещин и увеличивает осевую усадочную пористость слитка. Поэтому одна из технологических задач — поддержание строгого температурного режима процесса непрерывной разливки стали.

Основными регулируемыми параметрами технологического процесса непрерывной разливки являются скорость разливки и интенсивность охлаждения слитка.

Скорость разливки (v) является важнейшим технологическим фактором, при неизменных физико-химических свойствах металла обеспечивающим главные технологические показатели — производительность и качество поверхности слитка. Скорость вытягивания зависит от размеров слитка и марки стали. Допустимая скорость разливки в значительной степени зависит от толщины корочки, ее способности выдержать ферростатическое давление и тянущие усилия.

Повышение интенсивности охлаждения слитка способствует увеличению скорости разливки, но ограничивается возможностью появления трещин вследствие возрастания термических напряжений. С увеличением скорости разливки увеличивается глубина жидкой лунки (Lж) и, как следствие, возрастает ферростатическое давление на оболочку слитка, что представляет даже большую опасность, чем термические напряжения.

Серьезное внимание уделяется стабилизации процесса непрерывной разливки стали. Стабильная скорость разливки, постоянный уровень металла в кристаллизаторе — одни из главных технологических факторов, определяющих качество поверхности и центральной зоны слитка.

Эффективность работы МНЛЗ зависит, главным образом, от коэффициента ее использования, что обусловливает необходимость сокращения вспомогательного (нерабочего) времени. Значительная экономия времени может быть достигнута путем сведения к минимуму продолжительности подготовки при применении разливки так называемым последовательным методом «плавка на плавку», т. е. серийной разливки нескольких плавок.

Благодаря применению способа разливки «плавка на плавку» и таких усовершенствований как быстрая смена кристаллизатора и первой роликовой секции ЗВО, ускорение ввода затравки коэффициент использования МНЛЗ вырос с 50 до 90%.

Главными задачами дальнейшего улучшения технологии непрерывной разливки стали являются ускорение процесса затвердевания, а также получение качественных слитков.

Внедрение автоматического управления процессом разливки позволяет регулировать расход металла по уровню в кристаллизаторе в зависимости от скорости разливки, что также способствует повышению качества разливаемого металла. Повышение экономической эффективности непрерывной разливки может быть достигнуто за счет увеличения мощности установок и расширения сортамента разливаемых слитков.

В нашей стране непрерывным способом разливаются стали более 150 марок, в том числе углеродистые спокойные, низкоуглеродистые для получения автолиста и жести, низколегированные, электротехнические, высоколегированные стали и сплавы для производства листа и сорта.

Основная масса металла разливается в МНЛЗ на слябы и сортовые заготовки в кристаллизаторы прямоугольного сечения. По объему производства слябы составляют 50−56, блюмы 16−20, мелкосортные заготовки 28 — 30%. Сравнительно небольшая доля металла разливается на заготовки круглого сечения.

В настоящее время отливаются заготовки квадратного сечения с размерами от 80X80 до 370X370 мм, крупные сортовые заготовки с прямоугольным сечением (блюмы) с размерами до 320X450 мм. По литературным данным в Англии осваивается непрерывная разливка заготовок сечением 430X610. Диапазон сечений разливаемых слябов изменяется от 175X50 до 1750X250 мм, а на некоторых зарубежных заводах до 2500X310. Длина крупных слябов достигает 10 м, а масса одного сляба до 30−40 т.

В работе Д. П. Евтеева разливаемые стали разделены по маркам на 8 групп. Принцип деления сталей на группы, профили и типоразмеры принят с учетом сложности освоения, которая определяется особенностью затвердевания и наиболее характерными дефектами, присущими данной группе слитков и сталей. Наибольшее распространение получила непрерывная разливка углеродистых спокойных сталей обычного качества, конструкционных и низколегированных сталей. В последнее время успешно осваивается непрерывная разливка инструментальных сталей, увеличивается количество разливаемых легированных сталей.

Развитие процесса непрерывной разливки на современном этапе осуществляется в следующих направлениях: повышение производительности МНЛЗ; улучшение качества непрерывных слитков; расширение области применения НРС и сортамента металла; совмещения НРС с прокаткой, автоматизации МНЛЗ и т. д.

Производительность является одним из главных технологических показателей работы МНЛЗ и зависит от сечения отливаемых слитков, скорости разливки, числа ручьев, применения разливки способом «плавка на плавку», времени, затрачиваемого на подготовку машины к работе.

Скорость непрерывной разливки лимитируется рядом ограничений, основными из которых являются напряжения вдоль непрерывного слитка, обусловленные силами трения в кристаллизаторе, напряжения, возникающие вследствие ферростатического давления, и термические напряжения, которые возрастают с ростом интенсивности охлаждения слитка. Поэтому фактически достигнутые в реальных условиях скорости непрерывной разливки в 2 — 3 раза ниже теоретически предельных скоростей. Для слябов больших сечений реально достигнуты скорости разливки в пределах 1,5−2,0 м/мин. Для заготовки сечением 100Х100 мм оказалась удовлетворительной скорость 3 м/мин, а для заготовки сечением 200X200 мм в зависимости от состава стали достигнуты скорости разливки в пределах 1,0−1,5 м/мин.

В последнее время за рубежом начался новый этап развития процесса непрерывной разливки стали, главным направлением которого является уменьшение размеров поперечного сечения заготовок с целью приближения их к размерам сечения готового продукта. Исходной предпосылкой является сохранение достигнутой до настоящего времени производительности МНЛЗ за счет увеличения скорости разливки пропорционально уменьшению толщины заготовки. Например, при непрерывной отливке сляба сечением 25X1500 мм скорость разливки должна составлять 15 м/мин, а уменьшение толщины того же сляба до 2,5 мм должно сопровождаться повышением скорости разливки до 150 м/мин и т. д. Аналогичные результаты рассчитывают получить и при непрерывной разливке в сортовые заготовки.

Скорость разливки должна устанавливаться прежде всего из условия прочности корочки металла, закристаллизовавшегося в процессе прохождения заготовки через кристаллизатор. Необоснованное превышение скорости разливки приводит к прорывам под действием ферростатического давления.

Скорости вытягивания слитка, затвердевания и глубина жидкой фазы являются важнейшими технологическими параметрами процесса непрерывной разливки стали. Одна из главных задач для технологов — установление взаимосвязи Lж от v, интенсивности охлаждения и марки стали (ее физических свойств).

Величина Lж при заданной скорости разливки определяет протяженность зоны вторичного охлаждения и всю высоту или технологическую длину установки.

В.С. Рутес на основании расчетов и экспериментов по определению времени затвердевания вертикальных непрерывных слитков приводит эмпирические формулы для определения длины жидкой фазы.

Для прямоугольных слябов шириной более 1200 мм Lж = 0,034a2v; для прямоугольных заготовок (слябов) шириной до 1200 мм Lж = 0,029а2v; для квадратных заготовок Lж = 0,024а2v, где, а — толщина сляба или сторона квадрата, см; v — скорость разливки, м/мин.

Основным параметром, зависящим только от условий затвердевания непрерывной заготовки, является отношение длины жидкой фазы к толщине заготовки (Lжа).

С учетом того, что площадь поперечного сечения квадратной заготовки F= а2, а для прямоугольных F = a2, где — отношение сторон поперечного сечения, после некоторых преобразований для слябов шириной более 1200 мм Lж/а = 46 (1 +) /; для заготовок (слябов) шириной до 1200 мм Lж/a = 39 (1 +) /; для квадратных заготовок Lж/а = 64.

Из этих формул следует, что Lж/а для непрерывных заготовок в десятки раз больше, чем для обычных слитков.

При таких высоких значениях отношения длины жидкой фазы к толщине непрерывнолитой заготовки очень важно определить наиболее выгодное положение продольной оси заготовки во время затвердевания, — так как величина Lж/a оказывает влияние на протяженность технологической линии машины непрерывного литья заготовок (Lт), которая определяется выражением:

Lт = (hр + Lж + lз) mк (5)

где hр — расстояние от уровня металла в сталеразливочном ковше до мениска металла в кристаллизаторе; lз — длина участка резки и длина мерной заготовки после порезки; Lж — длина жидкой фазы в затвердевшей заготовке; тк — коэффициент, учитывающий некоторые конструкционные длины (mк = 1,0−5-1,1).

Величина hр определяется высотой сталеразливочного и промежуточного ковшей и минимально необходимым расстоянием между ними и кристаллизатором. Величина lз зависит от способа резки и требований прокатного производства. Указанные величины не зависят от условий затвердевания.

Для радиальной МНЛЗ с радиусом изгиба R можно считать, что Lж равна четверти длины окружности, тогда R = 2Lж/.

Высота, занимаемая криволинейным слитком, равна радиусу, т. е. Н = R, а строительная высота установки определится как

Hстр = hр + 2Lж (6)

где Hр — расстояние от уровня металла в сталеразливочном ковше до мениска металла в кристаллизаторе.

При дальнейшем совершенствовании технологии непрерывной разливки должны совместно решаться две основные проблемы — повышение производительности и улучшение качества отливаемых слитков.

Повышение скорости вытягивания непрерывного слитка и увеличение интенсивности теплоотвода позволяют увеличить производительность, но с другой стороны это приводит к ухудшению качества слитка, появлению трещин и других дефектов.

В связи с повышением скоростей разливки стали, расширением марочного состава разливаемых сталей и повышением требований к качеству металла дальнейшее развитие и совершенствование технологии непрерывной разливки стали возможно на основе анализа причин возникновения основных дефектов и разработки практических мер по их устранению или предотвращению.

На основе опыта установлены основные факторы, влияющие на развитие дефектов: геометрические размеры слитка, конструкция кристаллизатора и состояние его рабочей поверхности; технологические условия выплавки и химический состав металла; условия разливки металла; тепловые режимы вторичного охлаждения.

Для получения заготовки хорошего качества требуется комплекс наиболее удачно сочетающихся мероприятий, каждое из которых предупреждает возникновение того или иного дефекта.

Одной из основных проблем повышения качества непрерывных слитков является вопрос об устранении или уменьшении различного рода трещин. Как показывают результаты многочисленных исследований, причиной появления и развития всех трещин являются напряжения в формирующемся непрерывном слитке, превышающие предел прочности металла. Эти напряжения могут быть механического происхождения, когда они вызываются трением в кристаллизаторе, давлением опорных роликов, ферростатическим давлением, изгибом и выпрямлением слитка, усилиями вытягивания слитка, нарушениями механической настройки оборудования МНЛЗ и др.

С другой стороны, их причиной может быть изменяющееся во времени температурное поле оболочки слитка, вызывающее значительные температурные напряжения.

Многие исследователи прямо или косвенно связывают появление и развитие трещин в непрерывном слитке с условиями его охлаждения и даже считают их определяющими.

Наиболее полно механизм трещинообразования отражает теория, по которой появление трещин в непрерывном слитке связывается с напряженно-деформированным состоянием в его затвердевшей части, распределением температур и механическими свойствами стали в широком интервале температур.

Опытами установлено, что практически невозможен режим охлаждения, при котором отсутствовали бы напряжения. На практике может идти речь, а минимальных величинах напряжений, не превышающих допустимых пределов.

Скорость разливки, оказывающая значительное влияние на качество непрерывной заготовки, является функцией способности образовавшейся корочки сопротивляться различным напряжениям. А эта способность, в свою очередь, связана с условиями охлаждения и температурой стали.

При неправильной организации тепловых режимов охлаждения происходят скачкообразные изменения температуры поверхности слитка по его высоте и периметру, приводящие к возрастанию напряжений и нарушению сплошности металла.

Таким образом, внедрение и промышленное освоение совершенной технологии и новых конструкций МНЛЗ тесно связано с организацией протекающих в них тепловых процессов.

Поэтому исследование тепловых условий формирования непрерывного слитка при различных технологических факторах разливки является актуальной практической задачей.

3 Улучшение качества разливки стали

Существует несколько способов улучшения качества стали при разливке.

Проведены исследования по улучшению качества сталей, применяемых для отливок бил роторных дробилок, позволившие повысить срок службы бил при дроблении гранитов в 1 3 раза, а при дроблении известняков — в 2 раза. Он применяется как для улучшения качества стали, так и при выплавке крем не содержащих сталей (в частности электротехнической листовой) или, взамен более дорогого кремния, в качестве раскислителя при прочих металлургических процессах (силико-термальный процесс), например, при выплавке магниевых сплавов.

Вакуумно-дуговой переплав применяется для улучшения качества стали путем обработки ее вакуумом. При этом из стали удаляются газы и неметаллические включения. По оси камеры перемещается водоохлаждаемый шток 2, к которому крепится расходуемый — электрод 3, изготовленный из слитка переплавляемой стали. При подаче напряжения между электродом и затравкой 8 возникает электрическая дуга. Совместно с раздробленной стружкой для улучшения качества стали можно вводить в струю при помощи дозатора раскислители и модификаторы.

К конструктивным методам повышения надежности относятся: улучшение качества стали и труб, совершенствование методов сварки и использование лучших сварочных материалов, совершенствование строительного оборудования и применение более прогрессивных методов строительства нефтепроводов, обеспечение эффективной электрохимической и пассивной защиты трубопровода от коррозии, совершенствование методов расчета на прочность и устойчивость, методов и средств контроля за сооружением объектов и их испытания, а также резервирование отдельных элементов системы, отказ которых приводит к полному или частичному прекращению функционирования системы.

Такая высокая температура чугуна способствует значительному ускорению плавки и улучшению качества стали. Примеси чугуна окисляются кислородом воздуха, который подают в конвертер под углом на поверхность или неглубоко под поверхностью ванны, под давлением до 2 5 am через специальные отверстия.

Многие элементы IV-VII групп используются как легирующие добавки для улучшения качества сталей. Марганец используется как раскислитель стали. Все более широкое применение получают эти металлы и их сплавы, как конструкционные, инструментальные и другие материалы. Так, титан и его сплавы, характеризуемые легкостью, коррозионной устойчивостью и жаропрочностью, применяются в авиастроении, космической технике, судостроении, химической промышленности и медицине. В атомных реакторах используются цирконий (конструкционный материал, отражающий нейтроны), гафний (поглотитель нейтронов), ванадий, ниобий и тантал. Вследствие высокой химической стойкости тантал, ниобий, вольфрам и молибден служат конструкционными материалами аппаратов химической промышленности. Вольфрам, молибден и рений, как тугоплавкие металлы, используются для изготовления катодов электровакуумных приборов и нитей накаливания термопар и в плазмотронах. Вместе с тем при высоких температурах вольфрам и молибден окисляются кислородом, причем образующиеся при высокой температуре оксиды не защищают эти металлы от коррозии, поэтому на воздухе они не жаростойки. Вольфрам служит основой сверхтвердых сплавов. Хромовое покрытие придает изделиям декоративный вид, повышает твердость и износостойкость.

1. Бойченко М. С. Разливка стали М.: Металлургиздат., стр.129−148.

2. Бровман М. Я. Непрерывная разливка металлов М.: Экомет, 2007. — 484 с

3. Буланов Л. В., Корзунин Л. Г. и др. Машины непрерывного литья заготовок. Уралмаш — Металлургическое оборудование, 2004. — 349 с.

4. Конспект лекций по дисциплине «Металлургия стали» / Авт. Зборщик А. М. — Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2008. — 238 с.