Металлургия стали

Основными причинами выхода изложниц из эксплуатации являются образование  продольных и поперечных трещин, возникновение  на внутренней поверхности сетки разгара, коробление стенок изложниц и т.п. По признаку «образование трещины» и «коробление» выходит из строя свыше 90% всех изложниц.

Классификация дефектов, возникающих  в изложницах, впервые предложена еще А.А.Горшковым. По этой классификации  различают трещины первого, второго  и третьего рода.

Возникновение трещин первого  рода связывают с резким и односторонним  нагреванием изделия в течение  короткого промежутка времени от начала нагрева. Трещины первого  рода могут быть как продольными, так и поперечными. Они, как правило, возникают с наружной (менее нагретой) стороны при первых наливах металла  и развиваются на больших участках. Обычно такие трещины проходят на всю толщину стенки изложницы, что  исключает ее дальнейшую эксплуатацию.

Трещины второго рода возникают  на внутренней (более нагретой) поверхности  изложницы после достаточно большого числа наливов (несколько десятков). В отличие от трещин первого рода эти трещины формируются и  растут в размерах в течение значительного  числа наливов. Причиной их возникновения, видимо, следует считать формирование растягивающих напряжений, вызванных  ускоренным охлаждением внутренних слоев стенки изложницы. Трещины  второго рода также могут быть как продольными, так и поперечными.

Трещины третьего рода обычно связывают с широко известным  явлением формирования «сетки разгара». Они представляют собой систему  мелких различно ориентированных трещин, образующихся на внутренней поверхности, нагреваемой до высоких температур после значительного числа односторонних  нагревов. Вероятно, основной причиной возникновения сетки разгара  следует считать циклически изменяющиеся растягивающие и сжимающие напряжения в совокупности с развитием явления  роста чугуна и его окисления. Отбраковку изложниц по этому виду дефектов осуществляют из соображений  обеспечения требуемого качества поверхности  слитка.

Кроме различного рода трещин в процессе эксплуатации изложниц может  наблюдаться их коробление, которое  является, главным образом, результатом  пластических деформаций материала  под влиянием термических и эксплуатационных напряжений. Как правило, коробление сопровождается выпучиванием стенок изложниц, что следует рассматривать как  необратимое изменение размеров изложницы и геометрии слитка. Выпуклость стенок образуется вследствие того, что внутренние слои металла  стенок нагреваются до высокой температуры  и стремятся расшириться. Этому  процессу препятствуют наружные, более  холодные слои стенки изложницы. В этом случае пластическая деформация материала  изложницы направлена внутрь, так  как в этом направлении отсутствует  сопротивление деформации. Определенное влияние на процесс коробления изложниц может оказывать также и рост чугуна.

Различают два типа прибыльных надставок - внутренние (плавающие) и  внешние (стационарные). Плавающая прибыльная надставка имеет в нижней части  буртик, который служит для укрепления фасонных кирпичей, образующих опорное  кольцо футеровки прибыли. Конусность надставки обычно составляет 14-18%. За рубежом еще в начале 50-х годов  прошлого века использовали полностью  плавающие прибыльные надставки. Эти  надставки свободно опускались вместе с затвердевающим слитком, что исключало  образование горячих трещин в  результате зависания слитка. Перед  разливкой положение надставок  фиксировалось деревянными подставками, которые убирали после окончания  заполнения изложницы металлом.

Конструкция каркаса внешней  стационарной прибыльной надставки  отличается тем, что в нижнем основании  каркаса имеется кольцевая выточка, с помощью которой нижнее основание  прибыльной надставки сопрягается  с верхней частью изложницы, имеющей  кольцевой выступ. Такое сочленение прибыльной надставки с изложницей обеспечивает хорошую центровку  надставки и предотвращает прорыв металла в зазор между изложницей и надставкой. Фотография стационарной прибыльной надставки приведена на рис. 2.

 

 

Рисунок 2. - Фотография изложницы и стационарной прибыльной надставки для отливки кузнечного слитка

 

Конусность стационарной прибыли обычно составляет 25%, а относительный  объем металла –12-20% от массы слитка. Для укороченных слитков рекомендуется  прибыль с двойной конусностью (большой в нижней части и малой  в верхней части), что способствует локализации усадочной раковины.

Футеровка боковой поверхности  прибыльной надставки теплоизоляционными материалами позволяет существенно  уменьшить тепловые потери прибыли. Наиболее простым приемом является использование в качестве футеровки легковесных теплоизоляционных материалов. Поскольку затраты тепла на разогрев футеровки составляют самую значительную часть тепловых потерь металла прибыли (60-75%), всякое снижение теплоёмкости материала футеровки, то есть. уменьшение аккумулирующей способности надставки представляется весьма желательным. Применение футеровки из пеношамотных материалов, диатомитового кирпича или другого специального термоизоляционного кирпича позволяет уменьшить объём прибыли от 2 до 5 % в зависимости от теплоёмкости изоляционного материала.

Недостатком этого способа  является низкая стойкость футеровки  надставок, составляющая 1-2 плавки. Это  заставляет прибегать к обмазке  изоляционного кирпича слоем  более огнеупорного материала, что позволяет увеличить стойкость футеровки, однако последняя всё же остаётся недостаточно высокой для применения этого способа в массовом производстве и в значительной мере уменьшает его экономическую эффективность.

Достаточно привлекательным  является получивший распространение  за рубежом способ замены обычных  прибыльных надставок безкорпусными керамическими надставками, изготовляемыми отливкой из огнеупорных бетонов. Такие надставки позволяют уменьшить объём прибыли примерно на 40%, по сравнению с обычными. Стойкость их почти в два раза выше стойкости кирпичной футеровки обычных надставок. Единственным их недостатком является то, что в процессе службы в результате износа внутренней поверхности, объём прибыли, при постоянной высоте налива, возрастает, примерно на 15% (через 75 плавок).

Более перспективным является применение экзотермических вставок, которые укладываются на футеровку  прибыльной надставки и, тем самым, ограничивают тепловой поток через  ее боковую поверхность. Для многих случаев наиболее удобным оказалось  применение одноразового экзотермического утеплителя из специального материала (например, материал BORFAX, фирма «FOSECO»), который поставляется в виде ленты из отдельных секций. В зависимости от массы слитка толщина секций может быть 30,40 и 60 мм. Такой утеплитель устанавливается на круглую прибыльную надставку, как показано на рис.4.5. При отливке слитков квадратного и прямоугольного сечения используют вкладыши в виде пластин, которые закрепляют клиньями. Экзотермические вставки могут применяться совместно с высокоэффективными теплоизоляционными материалами, что в принципе позволяет полностью отказаться от шамотной футеровки надставки.

Установлено, что за счет применения экзотермических боковых  плит в комплексе с утеплением такими смесями зеркала металла  в прибыли оказывается возможным  получать высококачественные слитки с  объемом прибыли 7-13%. При этом усадочная  раковина получается мелкой, что позволяет  значительно повысить выход годного  металла.

Большое внимание при подготовке изложниц к разливке уделяется состоянию  стенок изложниц. Как правило, перед  заливкой стенки изложниц тщательно  очищают от металла и шлака, а  затем покрывают специальной  смазкой. Главное назначение таких  смазок состоит в том, чтобы:

замедлять затвердевание  краев мениска поверхности жидкой стали в изложнице;

предотвращать окисление  поверхности мениска жидкой стали;

предотвращать приставание  к стенке изложницы брызг стали;

понижать трение между  изложницей и металлом;

способствовать равномерному затвердеванию корочки слитка;

предотвращать образование  заворотов корки на поверхности  слитка.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.- Установка экзотермических вкладышей для дополнительного утепления прибыли крупного слитка

 

Для смазки поверхности изложниц чаще используют летучие органические материалы, такие как смола, лак, отходы производства целлюлозы и  т.п. Смазку изложниц производят равномерным  слоем без подтеков. Особое внимание следует обращать на недопустимость скопления смазки в углах и  на дне изложниц, поскольку это  приводит к образованию подкорковых  пузырей и поверхностных дефектов на слитках. Содержание влаги в смазке не должно превышать 0,5 %. Применение смазок для изложниц позволяет расширить  допустимые интервалы скорости и  температуры разливки без ухудшения  качества поверхности слитков.

При разливке стали в вакууме  и под теплоизолирующими смесями  изложницы не смазывают.

 

 

4. (135) Изложите теоретические основы вакуумного рафинирования.

 

Во второй половине ХХ-го столетия получили широкое распространение технологии внепечного рафинирования металла, которые позволили существенно повысить производительность сталеплавильных агрегатов и качество стали.

Чтобы избежать чрезмерного  перегрева стали на выпуске из сталеплавильного агрегата необходимо оборудование, которое позволяет  осуществлять периодический нагрев металла в ковше. С этой целью  в конце 60-х годов был разработан процесс ASEA-SKF, схема которого представлена на рисунке 1.6.

 

 

Рисунок 1.6 – Схема установки  ASEA-SKF: 1 – ковш; 2 – участок вакуумирования; 3 – участок нагрева; 4 – металловоз с индуктором; 5 – аварийная яма

 

Предназначенный для рафинирования  металл выпускают в ковш, кожух  которого изготовлен из аустенитной (немагнитной) нержавеющей стали. Ковш имеет опорное кольцо для соединения со съемной вакуумплотной крышкой, соединенной с системой вакуумных насосов. При нагреве металла крышка заменяется сводом с тремя электродами. Как во время вакуумирования, так и при нагреве, металл в ковше перемешивается специальным индуктором системы электромагнитного перемешивания, расположенным снаружи ковша. Система подачи ферросплавов включала автоматическое взвешивающее устройство и 9 бункеров для легирующих и других добавок. Весовая чаша перемещалась вдоль бункеров. В нее набирали необходимые материалы и подавали их на ленточный конвейер для последующей подачи в металл через крышку ковша на нагревательном или вакуумном стенде.

В начале 70-х годов оборудование для рафинирования и нагрева  металла в ковше существенно  упростили путем отказа от вакуумного оборудования и замены системы электромагнитного  перемешивания продувкой металла  аргоном. Таким образом появились получившие широкое распространение установки ковш-печь (УКП, LF), которые позволяют вести нагрев металла со скоростью до 3 – 5оС/мин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Небогатов Ю.Е. и Тамаровский В.И. Специальные виды литья. М.: «Машиностроение», 1975.

2. Бигеев А.М. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1987.

3. Михайлов А.М. Литейное  производство. М.: «Машиностроение», 1987. .

4. Бойченко М.С., Рутес В.С., Фульмахт В.В., Непрерывная разливка стали, М., 1961.

5. Николаев О. А., Сарычев  А. В., Ивин Ю. А. и др. Технология  выплавки стали в двухванновом агрегате и способы ее подготовки для разливки на сортовых МНЛЗ. ISSN 0038 - 920Х «Сталь». №3. 2006г.

6. Шварцмайер В., Непрерывная разливка, пер. с нем., М., 1962;

7. Германн Э., Непрерывное литье, пер. с нем., М., 1961; Теория непрерывной разливки. Технологические основы, М., 1971.