книги / Металлургия черных и цветных металлов
..pdfвозможности трещин. Форма стакана определяет турбулентность струи, ее жесткость, количество захватываемого воздуха, разбрызгивание стали, коли чество плен на слитке, вторичное окисление металла во время разливки, ко личество оксидных включений.
§ 4. Вихреобразование, кавитация
Изменение давлений жидкой стали перед стаканом в ковше мо жет быть под действием переменного по направлению динами ческого напора расплава при конвективном или вынужденном движении. Может быть изменение давлений в насадке в резуль тате местных зон срыва (рис. IX.4, а).
Вихрь образуется чаще с поверхности насадки или ближе к обтекаемому телу. На поверхности вихря скорость равна ско рости потока и максимальна у оси. При огромных скоростях, развивающихся внутри вихря, создается вращение, участки по ниженного статического давления и кавитационные полости. Если вихри оканчиваются на свободной поверхности жидкости, образуются воронки с истечением при небольшом давлении. При истечении с пульсацией давления жидкости (расплава) на по верхности струи возникают вихревые кольца. При высоких ско ростях истечения развиваются мощные вихри, которые перено сятся со струей вниз по потоку, вызывают появление вихревых колец внутри затопленной струи (рис. IX.4, б) и образуют тореобразные вихри.
Кавитация — быстрое изменение однородного фазового состояния с нару шением сплошности материи, появлением газовых пузырей или полостей, мгно венно заполняющихся паром или растворенными газами. Кавитационные по лости образуются в участках потока пбд разрежением, где растягивающие на пряжения, действующие на жидкость, превышают силы связи жидкости. Это происходит там, где сужается поток с последующим разрушением (стакан, перегородка, диафрагма). Кавитация может начаться с мельчайших пузырь ков воздуха, выделившегося монооксида углерода, образовавшейся полости,
которая мгновенно заполняется паром; |
пузырьки, |
полости быстро растут, |
|||||||
образуя |
перемещающиеся кавер |
|
|
|
|
||||
ны. При перемещении из области |
|
|
|
|
|||||
пониженного давления |
в область |
|
|
|
|
||||
высокого |
происходит |
захлопыва |
|
|
|
|
|||
ние с мгновенным местным повы |
|
|
|
|
|||||
шением давления до тысяч атмо |
|
|
|
|
|||||
сфер |
с возможными |
|
разрушени |
|
|
|
|
||
ями стенок керамики или фронта |
|
|
|
|
|||||
кристаллизации. |
Турбулизация |
|
|
|
|
||||
струи, разрыв сплошности и за |
|
|
|
|
|||||
хват воздуха способствуют возник |
|
|
|
|
|||||
новению |
кавитационных полостей |
|
|
|
|
||||
по объему расширяющейся струи |
|
|
|
|
|||||
в затопленном |
пространстве, где |
|
|
|
|
||||
для этого достаточная скорость. |
|
|
|
|
|||||
|
Кавитация нарушает устано |
Рис. |
IX.4. Распространение |
вихревых колец: |
|||||
вившееся |
движение, |
|
увеличивает |
||||||
|
а — зарождение |
вихрей в |
пограничном слое |
||||||
ему |
сопротивление; |
эти нежела |
стакана; |
|
|
||||
тельные |
явления |
наблюдаются |
6 — |
распространение вихрей в изложнице |
в зонах низкого давления, в поле течения у ограничивающих струю поверхно стей. Склонность к кавитации может определиться критическим числом кави тации
Окав = (Ро Рн)/0;5ри2, |
(IX.8) |
где ро и р я — давление абсолютное и насыщенного пара. Признаки кавитации проявляются при 0,35<<3кав<1,0. Если в этот критерий кавитации подставить характерные данные для условий сталеварения, то скорость, при которой воз никает кавитация, оказывается ~3,37 м/с. Очевидно, реальные условия раз ливки стали благоприятны появлению кавитации и повышаются с ростом ско рости потока.
§5. Основы конструирования, насадка
ивыбор разливочных стаканов
За срезом стакана идет сплошная часть струи металла с увели чивающейся турбулентностью; далее возникают усиливающиеся волновые возмущения и образование вихрей, создающие ради альные составляющие скорости, которые разрушают сплошность струи. Интенсивность вихрей, радиальная скорость зависят от массы металла в ковше и скорости истечения струи на срезе стакана. Турбулентность струи зависит от обтекаемой поверх ности, а данном случае внутренней поверхности стакана с пара
метром шероховатости К. Известно, что |
чем |
выше вязкость т) |
||
и поверхностное |
натяжение |
а расплава, |
тем |
устойчивее струя |
и больше длина |
устойчивой |
части ее L; |
чем |
выше давление р |
перед стаканом, тем легче теряется устойчивость. Несомненна зависимость от диаметра выходного отверстия стакана dBых, его величина варьируется в пределах 60—160 мм. В производстве для разливки кипящей стали устанавливают стаканы с d Bbix = = 35-М0 мм, для сифонной разливки низколегированной, угле родистой спокойной стали — стаканы с dBbIx = 45-f-50 мм; для сифонной разливки стали с высоким содержанием хрома, ти тана, алюминия— стаканы с dBblx = 60 мм. Увеличение диаметра выходного отверстия разливочного стакана повышает количе ство трещин и плен, при этом усиливается приварка слитка ко дну изложницы. Чем больше радиус закругления входного края стакана и положе вход, тем меньше вихреобразование. Отметив особо диаметр выходного отверстия dBblXl остальные параметры
стакана dBXод, Л, |
наклон |
стенок |
стакана обобщим под знаком |
П стах* |
струи |
металла |
функция многих независи |
Устойчивость |
мых: L = f ( р, а, т], р, dBbix, К, Пстан). Улучшая параметры раз ливки, изменяя эти независимые, можем уменьшать турбулизацию, вихреобразование, кавитацию в свободной и затопленной струе и объеме металла в изложнице. Выражением этой воз можности будет удлинение устойчивой части струи L.
Рис. IX.5. Формы разливочных стаканов: |
воздуха; б — идеальная |
|
а —формы, обеспечивающие минимальный захват |
форма ста |
|
кана, предупреждающая захват воздуха струей; |
в — сечения стаканов с |
увеличенной |
свободной поверхностью струи |
|
|
Таким улучшением параметров разливочного стакана будут увеличение радиуса входной кромки и уменьшение высоты его цилиндрической части. Это очевидно из предыдущих обсужде ний, а также если в уравнении (IX.5), определяющем толщину турбулентного слоя на омываемой поверхности, длину обтекае мой поверхности х заменим на высоту цилиндрической стенки h разливочного стакана и получим уравнение
6т= 0,37 (1/Re)1'5Лет. |
(IX.9) |
Снижение частоты цилиндрического стакана уменьшает турбулизацию, а следовательно, увеличивает устойчивость струи. Еще больший эффект может дать в дополнение к уменьшению цилиндрической части применение «юбки» (рис. IX.5, а и б). Сокращение высоты цилиндрической части уменьшит турбулизацию струи, а заполнение «юбки» с расширением струи гасит возникающие в струе при ее выходе из предыдущей части на садка радиальные скорости, предупреждая появление вихрей. Стаканы этой формы (рис. IX.5, в) не захватывают воздух до входа струи в металл изложницы. В. А. Ефимов рекомендует как более эффективные стаканы с относительными размерами
<*,/40=1,5-7-2,5; ///, = 1,5-г1,8.
Г л а в а 2. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ
§ 1. Разливка сверху и сифоном
На рис, IX.6 представлены два способа разливки стали в слит ки: сверху и сифоном Значение непрерывной разливки увели чивается, но большая часть производимой стали разливается на слитки этими двумя способами и их доля долго будет значи тельной.
При разливке сверху желательно применение промежуточ ных емкостей. В промежуточном ковше при намного меньшей высоте жидкого металла, чем в заполненном металлом разли вочном ковше, а главное, при постоянной высоте жидкого ме талла, разливка происходит в более стационарных условиях, с устойчивой струей, пониженной турбулизацией и вихреобразованием. Промежуточный ковш улучшает центрирование струи. Нецентрированная струя увеличивает и интенсифицирует по-
Рис IX.6. Разливка стали в изложницы: |
|
|
в —разливка |
стали сверху через промежуточную воронку |
(/ — ковш; 2 — воронка; |
3 — прибыльная надоставка; 4 — изложница); |
3 — иэложиицы) |
|
б — разливка |
сифоном (/ — центровой литник; 2 — поддон; |
токи жидкого металла в слитке и размывает корочку, создавая условия образования продольных и поперечных трещин в стенке слитка. Промежуточный ковш интенсифицирует разливку, ус коряя ее в два и четыре раза из-за возможности заполнять сразу две или четыре изложницы.
Разливка сверху имеет наибольшее распространение, этим способом разливают до 80 % производимой стали, ее преиму щества: простота подготовки фронта разливки; отсутствие рас ходов на какие-либо разовые приспособления и керамические изделия (в сифонном способе заметные расходы на проводку из сифонных огнеупоров); непосредственное поступление ме талла в изложницу уменьшает загрязнения стали экзогенными неметаллическими включениями; меньшие потери металла при разливке, в то время как в сифонном способе на каждом под доне теряется заметное количество металла в литниковой про водке; металл, предназначенный к разливке сверху, может иметь температуру более низкую, чем для сифонной разливки, отсюда меньше возможностей иметь брак из-за недостаточности температуры металла; в слитках спокойной стали, отлитых сверху, благоприятнее расположена усадочная раковина; менее развита усадочная рыхлость, так как при разливке сверху соз даются условия питания прибыльной части слитка горячим ме
таллом.
При разливке сифоном струя металла из ковша поступает в воронку и центровой литник высотой на 250—400 мм выше изложницы с прибыльной надставкой. Воронка из шамота, про водка литника из шамотных катушек — все это держится цен тровой из двух половинок, отлитых из чугуна. Поступающий металл из центровой через звездочку распределяется по сифон ным проводкам к изложницам. Центровой литник и изложницы устанавливают на массивной чугунной плите — поддоне. В под доне углубление для звездочки и каналы для укладки проводки
заподлицо.
Разливка сифоном имеет свои преимущества: можно одно временно заполнять несколько слитков; поверхность металла, разлитого, сифонным способом, чище, чем разлитого сверху, по ряду причин и особенно потому, что подъем металла в излож нице спокойный и скорость подъема хорошо регулируется; удобно следить за зеркалом металла и возможно применять средства защиты его. Наибольший недостаток разливки; сифо ном — это возможность загрязнения рталй экзогенными неме таллическими включениями из-за размыва сифонной огнеупор ной проводки.
§ 2. Изложницы
Изложницы отливают из чугуна, имеющего феррито-перлитовую структуру с небольшим количеством свободного графита. Сред няя стойкость изложниц 60—100 плавок, для качественных ста лей меньше.
Пороки стен изложниц ухудшают качество поверхности слитка. К ним относят мелкие трещины, вызванные ростом чу гуна от его работы при высоких температурах. Эти трещины увеличиваются от взаимодействия с газами, создавая сетку раз гара и разветвленных трещин. Глубокие трещины, разгар, вы моины могут создавать условия подвисания слитка в излож нице, при котором будут образовываться трещины на поверх ности слитка. Расход изложниц в настоящее время 1,5—3,0 % от массы отлитых слитков. Одной из мер сохранения изложниц в рабочем состоянии и получения лучшей поверхности слитка является смазка изложниц смесью каменноугольного пека и бесфенольного масла. При наполнении изложницы смазка сгорает, обугливаясь на стенках изложницы, создает газовую прослойку между изложницей и образующейся корочкой слитка; попутно отгоняет от стенок изложницы пленку оксидов на зеркале ме талла, не допуская прирастания образующейся на зеркале ме талла корочки к стенке изложницы, что приводит к поверхност ному пороку стали — заливинам. Если смазка нанесена толстым слоем, возникает сильное газообразование, смазка догорает под слоем металла, что вызывает появление подкорковых пузырей.
Конструкция изложниц (рис. IX.7) зависит от сорта и назна чения выплавляемой стали, массы слитка. Для разливки кипя-
Рис. IX.7. Формы |
нэложннц: |
|
|
|
|
|
а — квадратная с |
вогнутыми |
стенками; |
6 — квадратная |
с выпуклыми стен |
||
ками; |
в — квадратная с волнистыми стенками; г — прямоугольная |
для 5-т |
||||
слитка; |
д — прямоугольная с |
волнистыми |
стенками для |
7-т слитка; |
е — круг |
лая изложница; ж — круглая многогранная
щей стали преимущественно применяют сквозные изложницы без дна квадратного или эллиптического сечения. Изложницы для слитков кипящей стали обычно уширяющиеся (1,0—1,5 %) книзу, что способствует созданию необходимой структуры слитка.
Кипящую сталь лучше разливать сифоном с предельной мас сой слитка обычно до 20 т.
Большинство марок спокойной стали и всю качественную сталь разливают в расширяющиеся кверху изложницы. Такая конусность создает более плотный слиток, уменьшает усадоч ную раковину и осевую рыхлость, усадочные пороки меньше уходят в глубину слитка, а это все связано с тем, что при рас ширении слитка кверху термический центр поднимается. Конус ность изложниц необходима для захвата слитка валками про катного стана блюминга или слябинга. Конусность изложниц для слитков спокойной стали, предназначенной для проката, со ставляет 2,5—3,0 %, для ковки — 3,0—4,0 %; для слитков си фонной разливки большого поперечного сечения — 0,7—0,9 %, для кипящей стали— 1,0—1,2 % с уменьшением для больших слитков. Сечение слитков для проката, главным образом, квад рат, прямоугольник и эллипс; для ковки сечение слитков имеет многогранный профиль, применяют шести- и чаще восьмигран ные изложницы. Для уменьшения разбрызгивания при разливке сверху дно глуходонной изложницы или поддона делают со сфе рической выемкой. Заплески дают окисленный металл, который при прокате не сваривается, образуя пленку или плены. При липшие капли металла также окисляются и, взаимодействуя с поднимающимся металлом, образуют мелкие поверхностные пузыри, раскатывающиеся в волосовины.
Для изложниц основным конструктивным параметром явля ется отношение высоты изложницы (без надставки) к ее тол щине или усредненному диаметру Я/D. Это отношение для слит ков, поступающих в прокат, составляет 2,8—3,3; под ковку — 2,0—2,5; для слитков массой до 1 т легированной стали — 3,0— 3,5. При большом отношении тормозится кипение, а следова тельно, ухудшается структура стали кипящей стали.
Толщина стенок изложниц имеет значение как теплопоглоти* тель, особенно в первые моменты разливки. Дальнейшая кри сталлизация происходит с меньшей интенсивностью теплоот вода, так как увеличивается толщина затвердевшего металла, а между стенкой изложницы и стенкой слитка создается газо вый зазор. В связи с этим установлено, что утолщение стенок изложниц >55 мм не имеет смысла. Рекомендуется толщину стенок изложниц для слитков до 4 т отливать 0,20—0,25 сред него диаметра слитка, с утолщением у дна. Тогда благоприят ное отношение массы изложницы к массе слитка составит для спокойной стали 1,0—1,3, для кипящей 0,7—1,0.
В углах слитка может быть очень быстрое охлаждение, при росте кристаллов по нормали к стенке образуются плоскости слабины на стыке встречающихся кристаллов и продольные трещины по граням слитка у углов. Идеальным сечением слитка
сэтой стороны было бы круглое, поэтому часто приближаются
кнему, по возможности создавая волнистые стенки или много гранные изложницы (см. рис. IX.7). Волнистые стенки быстрее образуют корочку, особенно быстро на выпуклостях, создавая как бы ребра жесткости и взаимопроникновение кристаллов, увеличивая всем этим противодействие трещинообразованию. Для этой же цели толщину стенок изложниц по углам обычно уменьшают.
§3. Поддоны и прибыльные надставки
Те же принципы лежат в основе проектирования поддонов. Из лишняя толщина поддона может вызвать ненужное развитие столбчатой кристаллизации по нормали к поддону, а резкое ох лаждение нижней части слитка способствовать образованию горизонтальных трещин в стенках слитка. Толщина поддона опре деляется его массой, обычно составляющей 40 % от массы слитка.
Назначение прибыльных надставок (рис. IX.8) — сосредото чить усадочную раковину в объеме надставок, т. е. вывести ее из объема слитка, возможно в большей степени подтянув вверх слитка усадочную рыхлость и другие усадочные пороки. Для обеспечения ее объем должен вмещать жидкого металла 12— 20 % от массы слитка (нижний предел для больших, верхний — для малых слитков). Внутренние стенки прибыльной надставки имеют конусность 10—15 % для сокращения теплоизлучения верха слитка. Для выполнения своих задач в прибыльной над
|
ставке |
должен |
долго |
сохра |
||||
|
няться |
жидкий |
металл, |
которым |
||||
|
компенсируется усадка |
в слитке, |
||||||
|
поэтому заполнение |
|
|
прибыли |
||||
|
происходит |
медленно, |
|
продол |
||||
|
жаясь |
приблизительно |
|
половину |
||||
|
или даже две трети времени за |
|||||||
|
полнения слитка. .По окончании |
|||||||
|
заполнения |
изложницы |
и |
над |
||||
|
ставки металл покрывают тепло |
|||||||
|
изолирующими материалами или |
|||||||
|
экзотермическими |
порошками |
||||||
|
для сохранения |
головной |
части |
|||||
Рис. IX.8. Формы наиболее распро |
в жидком |
состоянии |
|
или |
даже |
|||
страненных прибыльных надставок н |
разогрева |
для |
удлинения |
вре- |
||||
их футеровка |