Разливка стали в изложницы сверху

Р

Рисунок 8.29 — 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. 8.30.

Рисунок 8.30 — 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. Рассматриваяосновные 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:

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. разливка металл приваривание изложница Эта скорость струи входит в выражение для определения мощности струи N при ударе ее о дно изложницы:

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. По этому 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:

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. 8.31. Во время наполнения изложниц манжеты плавятся или сгорают, а огнеупорные втулки извлекают после отливки слитков.

Рисунок 8.31 — 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. 8.32 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 8.32 — 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 соста-вов 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 20−25оС. 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 брызгои 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.