книги из ГПНТБ / Николайчик Н.П. Повышение стойкости изложниц на машиностроительных заводах

При нагреве наружной поверхности до 400—600°С стой­ кость изложниц еще выше. Нагрев отдельных участков наружной поверхности выше 650° С свидетельствует о неудовлетворительной конструкции изложницы, тол­ щину стенок, имеющих повышенную температуру, сле­ дует увеличить.

При проектировании изложниц для листовых слит­ ков И. С. Тришевскпй и др. рекомендуют руководство­ ваться правилом, применяющимся в зарубежной прак­ тике. При увеличении отношения длин широкой грани к узкой на 0,1 сверх единицы толщину широкой грани следует увеличить на 1% по сравнению с толщиной уз­ кой стенки. Например, при отношении длин широкой грани к узкой, равном 2,0, толщина широкой стенки из­ ложницы должна быть на 10% больше толщины узкой стенки.

Средняя толщина широких стенок изложниц должна составлять (0,24—0,25) D, а узких (0,19—0,21) D.

На заводе «Запорожсталь» в период освоения произ­ водства листовой стали прямоугольные изложницы из­ готовляли с различной конусностью и толщиной стен­ ки; при этом стойкость изложниц была невелика. Иссле­ дования показали, что причиной преждевременного вы­ хода изложниц из строя явилась высокая температура поверхности широкой грани. В результате изложница коробилась II принимала бочкообразную форму.

В настоящее время бочкообразные изложницы с утол­ щением широких и узких граней нашли широкое при­ менение на отечественных заводах. Многолетний опыт показывает, что такие изложницы менее склонны к об­ разованию поперечных трещин. Эффективность приме­ нения бочкообразных изложниц тем выше, чем больше отношение широкой грани к узкой.

Отношение высоты изложницы к приведенной сторо­ не среднего поперечного сечения ее полости. С увеличе­ нием отношения H/D процесс кристаллизации ускоряет­ ся, а ликвация в слитке уменьшается. При этом умень­ шается процент отхода стали на прибыли.

Отношение H/D слитка и изложницы зависит от способа выплавки и разливки стали. Практикой уста­ новлено, что усадочные раковины и пористость стали, выплавленной основным процессом, более развиты, чем стали кислого процесса. В связи с этим слитки из стали, выплавленной основным процессом, должны иметь мень-

20

Шее отношение H/D, чем слитки из стали кислого про­ цесса.

Параметр Я/D слитка и изложницы выбирают ис­

колеблется в пределах 1,7—6. Изложницы прямоуголь­ ного сечения для разливки кипящей стали изготовляют с отношением H/D = 2,1-^3, а квадратного и прямоу­ гольного сечения 3—4.

При разливке спокойной стали отношение Я/D ха­ рактеризуется следующими цифрами: прямоугольные изложницы 1,7—2,5; квадратные 2,8—3,4; многогранные 3,5—6; круглые 4,5—7.

Слитки, отливаемые из легированных сталей, в боль­ шинстве случаев имеют отношение Я/D от 2,3 до 4; лишь в последние годы начали отливать слитки с отно­ шением Я/D, равным 4,5—5.

Для прокатки сортовых профилей на ряде предпри­ ятий применяют удлиненные с уширением кверху слит­ ки из высококачественной стали с отношением Я/D от 4 до 5 при относительном объеме прибыли 13—14%• В отдельных случаях у слитков круглого и многогранного сечения значение Я/D достигает 6—8. Применение удли­ ненных слитков позволяет резко снизить отходы. Так, при HJD= 6-^8 относительныйобъем прибыли состав­ ляет 10—12%.

Внедрение таких удлиненных слитков на ряде заво­ дов лимитируется размерами нагревательных печей и расстоянием между уровнями подкрановых балок и же­ лезнодорожных путей в стрипперном отделении. Кроме того, отливка слитков высотой более 2500 мм для литей­ щиков представляет известные трудности. Следует, од­ нако, иметь в виду, что затраты, связанные с расшире­ нием и реконструкцией цехов, полностью окупятся за счет эффекта, получаемого при применении удлиненных слитков. И действительно, с увеличением Я/D процесс кристаллизации стали ускоряется и уменьшается лик­ вация в слитке, так как при прочих равных условиях поверхность залитой стали, приходящейся на единицу объема, тем больше, чем слиток более «вытянут».

Внедрение на предприятиях удлиненных изложниц и слитков позволит не только получить экономию стали, но и увеличить массу слитка и повысить производитель­ ность прокатных станов.

21

Чем больше наклон внутренних граней изложниц, тем последовательней происходит затвердевание стали, на­ правленное снизу вверх. Конусность влияет на форми­ рование и развитие усадочной рыхлости и химической неоднородности стали; при этом улучшаются условия кристаллизации центральной зоны слитка.

Для спокойной стали следует учитывать не только условия формирования слитка, но и процессы дальней­ шего передела. Так, при значительной разнице в разме­ рах верхнего и нижнего поперечных сечений возможен неравномерный прогрев в нагревательных колодцах, пе­ режог в одних и недостаточный нагрев в других участ­ ках. При большой конусности в процессе прокатки в первых пропусках слиток подвергается неравномерному обжатию по длине, необходимость снятия конусности приводит к снижению производительности прокатного стана.

Наклон (на одну сторону) внутренних граней из­ ложниц для отливки уширенных кверху квадратных и прямоугольных слитков из углеродистых сталей на за­ рубежных заводах колеблется в пределах 1—2,5%. В отечественной практике для таких изложниц конус­ ность находится в пределах 1,4—1,8%• Такой наклон обеспечивает удовлетворительную макроструктуру слит­ ков и практически не снижает производительность об­ жимных станов.

Для ковочных слитков из легированных сталей ко­ нусность большая и часто применяют изложницы с двойной и тройной конусностью.

Изложницы с одинарной, двойной и тройной конус­ ностью представлены на рис. 10. В изложнице с трой­ ной конусностью конусность внутренних стенок сверху около 5,5%, в средней части 16%), внизу 100%). Слиток, отлитый в такую изложницу, отличается от обычного более плотным строением. В изложнице с тройной ко­ нусностью и сферическим дном лучше осуществляется принцип направленной кристаллизации снизу вверх.

С точки зрения технологии литейного производства увеличение конусности положительно влияет на каче­ ство и трудоемкость изготовления изложниц. При повы-

22

шейной конусности изложниц облегчается удаление

стержней из отливок.

Легированную сталь разливают в расширяющиеся кверху изложницы с конусностью 2,5—3,5%.

Конфигурация внутренней поверхности стенок из­ ложниц. С точки зрения технологии литейного произ­ водства оптимальны изложницы с плоскими гранями. Образованию сетки разгара лучше сопротивляются из-

Рис. 10. Изложницы с одинарной (а), двойной (б) и тройной (fl) конусностью

ложницы с выпуклыми стенками. Волнистые изложни­ цы и изложницы с вогнутой поверхностью обладают минимальной разгаростойкостыо. Промежуточное поло­ жение занимают изложницы с плоской внутренней по­ верхностью.

В изложницах с волнистой внутренней поверхностью затруднены выбивка стержней, обрубка и исправление дефектов. Несмотря на это, такие изложницы нашли широкое применение. И действительно, при волнистой внутренней поверхности изложницы быстрее происходит затвердевание наружных слоев слитка. При этом на его наружной поверхности образуется толстая корочка, которая хорошо сопротивляется ферростатическому дав­ лению жидкой стали. Кроме того, волнистая поверх­ ность слитка способствует более равномерному распре­ делению напряжений, возникающих при затвердевании и усадке стали в начальный период кристаллизации.

Применение изложниц с волнистой поверхностью яв­ ляется шагом вперед в сталеплавильном производстве.

23

Широкое применение таких изложниц сдерживается трудоемкостью изготовления стержней, сложностью чи­ стки и смазки и быстрым разгаром и разрушением уча­ стков стенок, выпуклость которых обращена внутрь по­ верхности изложницы.

Влияние качества плоской поверхности и профиля волн волнистой излозкницы на разгар внутренней по-

Рнс. 11. Изложница с застрявшим слитком

верхности. В процессе кристаллизации стали наружная корочка сокращает линейные размеры, а ферростатиче­ ское давление стремится прижать ее к стенке изложни­ цы; в этих участках возникают напряжения, приводя­ щие к образованию трещин на слитке и к разрушению внутренней поверхности изложницы. Мелкие углубления или раковины на внутренней поверхности изложницы заполняются перегретой сталью. Разрушаясь, эти уча­ стки препятствуют удалению слитка из изложницы. До­ полнительные усилия, необходимые для удаления слит­ ка, способствуют еще большему разрушению изложни­ цы (рис. 11).

Разрушению изложниц способствуют также ракови­ ны и пустоты, находящиеся в стенках. Наличие рако­ вин и пустот приводит к неравномерному прогреву сте­ нок и вызывает дополнительные напряжения, способст­ вующие преждевременному выходу изложниц из строя.

24

В такой же мере на стойкость изложниц влияют сетка разгара, мелкие трещины и другие дефекты внутренней поверхности изложниц. Раковины и другие дефекты обычно заваривают. Качество заварки во многом опре­ деляет дальнейшую стойкость изложниц.

В промышленности используются изложницы с дву­ мя и четырьмя волнистыми гранями, а также с частой и редкой рифленностыо. При частой рифленности в ме­ стах выступов волн могут образовываться выгары, кото­ рые тормозят усадку ста­ ли, затрудняют раздева­ ние слитков и уменьшают срок службы изложниц.

Британский комитет по поверхностным дефек­ там стальных слитков ре­ комендует применять та­ кую глубину волн, кото­ рая описывается радиу­ сом, равным половине диаметра слитка.

В. А. Ефимов считает, что для получения рацио­

нального профиля поперечного сечения слитка следу­ ет соблюдать постоянство отношения объема к поверх­ ности охлаждения F/S. Влияние отношения F/S на тол­ щину образующейся корочки в одном из поперечных се­ чений слитка с волнистыми гранями представлено на рис. 12. Из рисунка видно, что в зависимости от отноше­ ния F/S толщина корочки в одном и том же сечении слитка колеблется от 12 до 30 мм. При отношении F/S, равном 6—6,5, отмечается локальное уменьшение тол­ щины корочки и образование продольных трещин по гра­ ням слитка. Металлографический анализ показал, что увеличение глубины волн способствует получению более тонкой корочки.

Опыт многих отечественных и зарубежных предпри­ ятий показывает, что применение волнистых изложниц позволяет сократить количество дефектов в несколько раз. При этом необходимо обращать серьезное внима­ ние на особенности конструкции изложницы и точность изготовления волн.

Изложница с волнистыми вогнутыми гранями, в ко­ торой корочка слитка все время опирается на стенки

25

(рис. 13), имеет несомненные преимущества перед все­ ми другими изложницами. При отливке сверху слитка массой 6 т и более глубина волны 20—25 мм обеспечи­ вает удовлетворительное состояние поверхности. При мелкой волне отмечается пониженная стойкость излож-

Рис. 13. Изложница с волнистыми гранями

ниц-— на их поверхности образуется сетка разгара вскоре же после начала эксплуатации.

При сифонной разливке стали более целесообразно применять изложницы с мелкими выпуклыми волнами шириной 100—ПО и глубиной 10— 15 мм.

Основные принципы конструирования изложниц. Из­ вестно, что для повышения производительности обжим­ ных станов слиток должен иметь максимальную массу и прокатываться с минимальным числом пропусков. Это обстоятельство и учитывается при конструировании из­ ложниц. Конструкция изложницы определяется внешней конфигурацией, массой и поперечным сечением слитка, конусностью, диаметром и высотой изложницы. В зави­ симости от требований, предъявляемых к слиткам, и марки разливаемой стали каждый из этих параметров может изменяться в широких пределах.

Форма поперечного и продольного сечений изложни­ цы должна обеспечивать получение слитков высокого качества с минимальным количеством поверхностных

26

дефектов, а также соответствовать производительности прокатного оборудования и нагревательных колодцев.

При массовом производстве, когда производитель­ ность цеха определяется пропускной способностью раз­ ливочного пролета, изложница должна быть удобной в эксплуатации и обеспечивать быстрое раздевание слит­ ков.

Изложница должна обеспечивать получение плотной макроструктуры слитка с минимальным расходом ме­ талла на донную обрезь. От этого зависит не только ка­ чество слитка, но II качество изготовляемых изделий. При конструировании и эксплуатации необходимо стре­ миться к минимальному расходу изложниц на тонну стали.

Г л а в а II

ВИДЫ И ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ ИЗЛОЖНИЦ

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТОЙКОСТЬ ИЗЛОЖНИЦ

Изложницы выходят из строя в результате образо­ вания продольных и поперечных трещин, разгорания и эрозии внутренней поверхности и др.

Изучение причин разрушения изложниц и анализ промышленных данных показывают, что перечисленные причины характерны для всех заводов и комбинатов. Разница состоит лишь в преимущественном влиянии тех или иных факторов, что связано с конкретными услови­ ями на каждом предприятии.

На стойкость изложниц оказывает влияние большое число факторов, основными из которых являются: 1) физические и механические свойства чугуна; 2) хи­ мический состав чугуна; 3) макро- и микроструктура чугуна; 4) технология изготовления изложниц; 5) кон­ струкция изложниц; 6) условия эксплуатации излож­ ниц; 7) марка стали, разливаемой в изложницы и др.

Как правило, изложницы выходят из строя в резуль­ тате разрушения внутренней поверхности, связанного с появлением мелких трещин (сетка разгара), размывов

27

и ожогов, и образования сквозных глубоких трещин на стенках.

Важной причиной разрушения изложниц является неравнрмерный прогрев стенок. Действительно, в период разливки стали разность температур внутренних и на­ ружных слоев изложницы достигает 650—800° С. В ре­ зультате в стенках изложниц возникают высокие на­ пряжения, приводящие к образованию трещин; много­ кратное циклическое повторение нагревов и охлаждений приводит к полному разрушению изложниц.

Стойкость, а следовательно, и удельный расход из­ ложниц на тонну выплавленной стали зависит от кон­ струкции и массы изложниц. Чугун для отливки излож­ ниц следует выбирать дифференцированно, в зависимо­ сти от марки разливаемой стали, массы, конструкции и технологии изготовления изложницы. При оценке ка­ чества чугуна для изложниц следует учитывать его тех­ нологические, физические, химические и механические свойства в процессе изготовления и эксплуатации из­ ложниц.

РАЗРУШЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

На рис. 14 показана внутренняя поверхность излож­ ницы с образовавшейся сеткой разгара. Видно много трещин, переходящих в отдельных местах в глубокие

Рнс. 14. Крупная сетка разгара внутренней поверхности изложницы. Х5

28

ямы. Заполняя изложницу, жидкая сталь кристаллизу­ ется в этих трещинах и впоследствии препятствует сво­ бодному выходу слитка.

На образование сетки разгара влияют внутренние напряжения, возникающие во время заливки жидкой стали, и рост чугуна в изложнице. Рост чугуна обуслов­ лен разложением связанного углерода на феррит и гра­ фит (РезС-ПЗ F e+ C ), наличием трещин, образующихся Е результате неодинакового расширения различных со­ ставляющих чугуна, и внутренним окислением кристал­ лов чугуна.

Начавшееся разгоранне внутренней поверхности из­ ложницы весьма быстро прогрессирует с образованием большого числа трещин, в ряде случаев достаточно глу­ боких (см. рис. 14).

На рис. 15 представлена микроструктура чугуна из­ ложницы с крупной и мелкой сеткой разгара. Рентгено­ структурные исследования показали, что в обоих случаях

слоях изложницы. Применяемый в формовочной краске при отливке изложниц сернистый кокс является источни­ ком насыщения внутренней поверхности серой, содержа­ ние которой доходит до 0,4%. Крупная сетка разгара в этом случае может быть результатом сульфидной корро­ зии. Коррозия происходит вследствие двусторонней диф­ фузии ионов железа и серы через слой сульфидов различ­ ного состава. Покровная пленка растет в обе стороны — наружу и в глубь металла. Рентгеноструктурный анализ показал, что в месте соприкосновения пленки с поверхно­ стью чугуна изложницы изменяется не только кубиче­ ская решетка Fe—а, но видоизменяется и гексагональная решетка FeS, причем обе решетки имеют много вакансий.

Для уменьшения сульфидной коррозии изложницы ре­ комендуют алитировать. В этом случае ионы алюминия диффундируют в наружный слой пленки быстрее ионов

29