СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Характеристика изложниц

По своему назначению применяются два типа изложниц: изложницы для разливки кипящей стали и изложницы для разливки спокойной стали. Конструкция изложниц для кипящей стали не зависит от того, разливается ли сталь сверху, непосредственно из ковша, или разливается снизу – сифонным способом. Конструкция изложниц для спокойной стали часто зависит от способа разливки и от того, как обрабатываются слитки – прокаткой или ковкой. Вес слитка и форма изложниц для кипящей и спокойной стали зависит от мощности станов и от того, на каком обжимном стане прокатываются слитки – на блуминге или на слябинге: изложницы для блуминговых слитков имеют квадратное сечение, изложницы для слябинговых слитков – прямоугольное [1].

Вопросу определения оптимальной толщины стенок изложниц посвящено множество исследований [2,10]. Это объясняется стремлением создать условия для получения максимальной стойкости изложниц и наиболее быстрое затвердевание слитков, так как качество литого металла в наибольшей степени зависит от химической однородности, которая обусловлена ликвацией примесей и агрегацией компонентов, входящих в состав стали, и при прочих равных условиях, значительно зависит от скорости затвердевания металла в изложнице. До недавнего времени считалось, что чем больше толщина стенок изложницы, тем больше скорость затвердевания слитков [4]. Однако исследования последних лет убедительно доказывают, что увеличение толщины стенок изложницы целесообразней лишь до некоторой величины, дальнейшее же увеличение ее на возрастание скорости затвердевания слитков не влияет значительно [4].

Так, Н.Е. Скороходов, в результате проведенного им исследования, показал, как изменяется скорость затвердевания 6-ти тонного в изложницах разной толщины [5]. В указанной работе слитки отливались в изложницы одинаковые по емкости и типу, но с разной толщиной стенок (табл. 1.1).

Скорость кристаллизации слитков в этих условиях проверялась путем выливания незатвердевшего металла с изложниц через определенное время. Средние результаты четырех измерений (табл. 1.2) показали, что в тонкостенной изложнице затвердевание металла происходит даже быстрее, чем в толстостенной, так через 30 минут средняя толщина закристаллизовавшейся корки составила 151 мм против 139 мм у изложницы со средней толщиной стенки 180 мм, кроме того, с увеличением выдержки эта разница увеличивается (см. табл. 1.2), что можно объяснить снижением теплового потока за счет большей аккумуляции тепла изложницей с большей толщиной стенок.

Таблица 1.2 – Динамика затвердевания слитка в изложницах с различной толщиной стенок

Автор указанного исследования объясняет более быстрое затвердевание металла в тонкостенной изложнице тем, что она быстро прогревается, при этом температура ее наружной поверхности достигает величины большей, чем у толстостенной изложницы за тот же промежуток времени. Поверхность, нагретая до высокой температуры, больше отводит тепла лучеиспусканием и конвекцией, что видно из следующего уравнения:

(1.1)

(1.2)

где:

С₁ – коэффициент излучения;

α – коэффициент теплопередачи конвекцией;

Т₁ – абсолютная температура наружной поверхности изложницы;

Т₀ – абсолютная температура среды.

В тоже время аккумулирующая способность изложниц почти полностью исчерпывается задолго до окончания затвердевания слитков. Так, например, за 60 минут кристаллизации аккумулирующая способность толстостенной изложницы (рис. 1.1) т.е. способность поглощать теплоту, выделяемую слитком при охлаждении, исчерпывается на 91%, в это время доля излучаемого тепла такой изложницей составляет 10%; в тонкостенной изложнице за 60 минут аккумулирующая способность исчерпывается на 100%, однако доля излучаемого тепла, воспринимаемой этой изложницей от охлаждаемого металла, будет большей, чем для толстостенной изложницы (рис. 1.2).

В тонкостенной изложнице получаются меньшие температурные перепады между внутренней и наружной поверхностью, чем в толстостенной (рис. 1.3), что способствует повышению стойкости тонкостенных изложниц.

Увеличение толщины стенок изложницы приводит к увеличению их веса, вследствие чего расход изложниц на единицу стали в слитках возрастет. При этом также возможно уменьшение стойкости изложниц, так как с увеличением толщины стенок перепад температур между внутренней и наружной поверхностью возрастает как при затвердевании в ней слитка так и при охлаждении ее. Увеличение перепада температур приводит к повышению термических напряжений, что способствует образованию трещин на рабочей поверхности изложниц.

Таким образом, изложницы следует делать тонкостенными, принимая при конструировании толщину стенок, равной 0,15 – 0,20 средней ширины слитка, при этом нижний предел 0,15 для слитков весом более 7 тонн, верхний – 0,20 для слитков весом менее 2 тонн [1].

При выборе толщины стенок следует руководствоваться также конструктивными соображениями механической прочности и устойчивости изложниц [1].

При соблюдении указанных условий выбора толщины стенок и дна изложниц, их общий вес, по отношению к весу отливаемых слитков, будет составлять 0,9 – 1,1. У изложницы без дна, предназначаемых для отливки слитков кипящей стали, это отношение будет равно примерно 0,7 – 0,9 [1].

При конструировании изложниц следует уделять особое внимание форме и размерам полости для отливки слитков. В дальнейшем, для удобства изложения, вместо размеров полости изложниц следует рассматривать вес и габаритные размеры слитков.

Чрезмерное увеличение высоты слитков, при неизменной ширине, отрицательно влияет на их качество. Так например, значительное увеличение высоты слитков, разливаемых сверху, способствует увеличению разбрызгивания стали при наполнении изложниц, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества плен и подкорковых пузырей на поверхности слитков. Увеличение высоты слитков спокойной стали вызывает также ухудшение внутреннего строения слитков вследствие развития усадочной рыхлости. При увеличении высоты слитков спокойной стали, разливаемой сифонным способом, увеличивается продолжительность 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 заворотам ее.

Увеличение высоты слитка кипящей стали, при неизменной ширине, его, ухудшает кипение стали в изложнице, так как при этом повышается ферростатическое давление в слитке, что затрудняет зарождение и всплывание пузырьков газа [5].

С другой стороны, увеличение поперечных размеров изложниц, при неизменной высоте их, как у слитков кипящей стали, так и слитков спокойной стали приводит к увеличению цикла, а также способствует большему развитию химической неоднородности, в результате увеличения массы слитка и времени его кристаллизации. Чрезмерное увеличение толщины слитков резко снижает производительность обжимных станов. При выборе толщины слитка необходимо также учитывать возможность захвата его клещами стрипперного крана.

С учетом вышесказанного при проектировании изложниц для стальных слитков применяют [4] следующие отношения высоты к средней ширине в верху слитка:

При весе слитка:

до 1 т – 5;

от 1 т до 5 т – 4;

свыше 5 т – 2,5÷3.

Изложницы, применяемые для отливки слитков, предназначенных для прокатки, делают обычно квадратного или прямоугольного сечения. Углы внутреннего контура изложницы закругляются, при этом значительно увеличивать радиус закруглений не допустимо, так как в этом случае форма слитка приближается к цилиндрической, у которой, вследствие наименьшей поверхности для данного объема слитка, тангенциальные напряжения в затвердевающем слое достигают наибольшего значения, что увеличивает склонность к образованию на поверхности слитка продольных трещин. При малом радиусе закруглений также появляется возможность образования продольных трещин на углах слитка вследствие того, что плоскости слабины, которые образуются на стыке зон транскристаллизации, растущих от смежных граней, будут находиться очень близко от поверхности. Таким образом, необходимо выбирать оптимальный радиус закруглений, при котором склонность к образованию продольных трещин будет наименьшей [1].

Оптимальным радиусом закруглений углов четырехгранных изложниц следует считать по данным работы [1] радиус, равный 10 – 12% средней ширины слитка.

В настоящее время на металлургических заводах применяются прямоугольные изложницы, имеющие разнообразную форму внутренних граней (рис. 1.4): прямые (рис. 1.4, а), вогнутые (рис 1.4, в) внутрь изложницы (рис. 1.4, б) и волнистые.