Классификация эксплуатационных дефектов изложниц

1.3. Классификация эксплуатационных дефектов изложниц

В результате научных исследований [7 – 10] появились новые резервы повышения стойкости изложниц, особенно против образования трещин. Обнадеживающие результаты получены при эксплуатации изложниц (в том числе и крупных) из чугуна, модифицированного магнием [7,8]. Применение высокотемпературных датчиков [9] расширяет возможности исследования температурных напряжений и разработки принципов конструирования изложниц. Однако за счет повышения трещиноустойчивости изложниц нельзя полностью решить проблему снижения их расхода. По данным работы [10] 45 – 55% изложниц выходит из строя в результате образования сетки разгара и ее сколов на рабочей поверхности, причем доля этих изложниц непрерывно растет.

Согласно классификации А.А. Горшкова [11] трещины бывают первого, второго и третьего рода. Причиной образования трещин первого рода являются термические напряжения, развиваемые вследствие большого перепада температур между внутренней и наружной поверхностями изложниц. Но более определенные представления по этому вопросу складываются при анализе работы [4], где показано, что температура внутренней и наружной поверхности существенно зависит от начальной температуры изложницы (до заливки стали). Так, при начальной температуре 80, 100 и 130^оС максимальная температура внутренней поверхности на ½ высоты изложницы равна 915, 940 и 960^оС, а наружной 600, 620 и 635^оС, соответственно. Повышение температуры внутренней поверхности на 45^оС влечет за собой увеличение перепада всего лишь на 10^оС. Следовательно, ужесточение температурного режима работы изложниц не создает особой опасности для образования трещин первого рода.

Причиной образования трещин второго рода являются напряжения, развиваемые вследствие перепада температур между осевой зоной стенки изложницы и внутренней поверхностью. После удаления слитка температура глубинных слоев выше поверхностных на 40 – 60^оС. В связи с этим на внутренней поверхности возникают растягивающие напряжения, приводящие к трещинам второго рода [2].

Сложившиеся условия высокотемпературного режима эксплуатации изложниц в наибольшей степени влияют на износ ее внутренней поверхности. Повышение температуры внутренней поверхности изложниц увеличивает интенсивность образования сетки разгара и выгаров.

Представляется целесообразным для характеристики эксплуатационных дефектов на рабочей поверхности изложниц пользоваться следующими определениями:

-  сетка разгара – трещины, образующиеся в различных направлениях на поверхности изложницы при многократном ее использовании (рис. 1.6, а);

-  выгар – углубление с окисленной поверхностью, образующееся вследствие выкрашивания ячеек сетки разгара (рис. 1.6, б);

-  срыв рабочего слоя – углубление с окисленной зернистой поверхностью, образующееся при извлечении из изложницы приварившегося слитка (рис. 1.6, в);

-  размыв стенки, дна – углубление, образующееся на рабочей поверхности изложницы в результате прямого воздействия струи разливаемой стали (рис. 1.6, г).

1.4. Требования к материалу изложниц

В качестве главного критерия, определяющего пригодность материала для изложниц, считают [9] способность его противостоять воздействию напряжений. После ряда уточнений формула для оценки пригодности материала изложниц предлагается в следующем виде [12]:

; (1.3)

где:

 - способность материала противостоять воздействию напряжений;

 - коэффициент теплопроводности;

 - предел прочности на растяжение;

а - коэффициент линейного расширения;

Е - модуль упругости;

 - относительное удлинение;

S - температурный фактор, учитывающий уменьшение предела текучести при увеличении температуры и выражающийся в виде тангенса угла наклона кривой предел текучести – температура.

В работе [12] на основании дисперсионного анализа стойкости изложниц пришли к заключению, что основными свойствами чугуна, определяющими стойкость изложниц (С) являются: циклическая вязкость (Q), температуропроводность (D), модуль упругости (Е) и коэффициент теплового расширения (), что выражается следующей статистической зависимостью: С = 147,68 (QD (E)) + 40,46

Стойкость изложниц растет с увеличением первых двух составляющих и с уменьшением вторых. Сравнение этих двух функциональных зависимостей, включающих многие важнейшие свойства материалов, свидетельствует о существенном расхождении мнений о вопросе выбора чугуна для изложниц. В некоторых работах [12] первостепенная важность отдается химическому составу чугуна. В других [9] исследованиях указывается на необоснованность этого вывода. В настоящее время достаточно четко установлена связь между служебными свойствами изложниц и макро- и микроструктурой чугуна [2]. Благодаря большой пластичности чугуна с шаровидным графитом, снижается вероятность появления сквозных трещин, а меньшая склонность его к росту способствует замедлению образования сетки разгара.

Это положение подтверждается специальным экспериментом [13]. Изложницы отливали по стержням, полграни которых по вертикали покрывали (опытный участок) хромо-графитовой краской. В поверхностном слое чугуна на обычном участке была перлито-ферритная структура с крупными включениями графита (рис. 1.7, а), а на опытном участке наблюдалось много карбидов хрома в перлитной основе и незначительное количество мелкого графита (рис. 1.7, б).

Трещины сетки разгара на участке, обогащенном хромом, развивались значительно медленнее (рис. 1.8), чем на обычном. В данном случае повышение ростоустойчивости чугуна в рабочем слое положительно сказалось на разгароустойчивости изложниц [2].

Основное значение для роста чугуна в поверхностном слое изложниц имеет процесс окисления. Каналами для проникновения окислительных агрегатов являются графитовые включения: чем больше их количество и величина, тем интенсивнее идут процессы окисления и роста. Графитовые включения являются не только каналами для прохождения окислительных агрегатов в чугун, но и концентраторами напряжений. От графитовых включений берут свое начало трещины [2]. Как уже отмечалось, изложницы из феррито-перлитного чугуна хуже противостоят образованию сетки разгара, чем из перлитного; хотя перлитный чугун обладает пониженной пластичностью по сравнению с ферритным.

Окислительные процессы в феррите протекают значительно быстрее, чем в перлите. При испытании образцов из перлито-ферритного чугуна на разгароустойчивость установлено, что пограничное окисление феррита наблюдается после 10 – 20 циклов, в первую очередь вокруг графита. При увеличении числа циклов окисление продвигается от графитовых включений в глубь матрицы в основном по ферритным полям, огибая перлитные участки, и только при значительном числе циклов (150 – 200) может проходить по перлиту [15].

Изложницы из чугуна с перлитной структурой лучше противостоят образованию сетки разгара, чем с перлитно-ферритной. С другой стороны, разгароустойчивость чугуна с мелкими включениями графита, полученного авторами в поверхностном слое изложниц при исследовании стержней из материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью, выше перлито-ферритного.

Следовательно, для замедления развития сетки разгара на рабочей поверхности изложниц необходимо повышать пластичность (в условиях умеренного окисления), либо повышать ростоустойчивость, даже в ущерб пластичности [2].

Представляет интерес опыт работы металлургического комбината «Запорожсталь» [16] в котором показано важное значение смачиваемости и адгезии. Изложницы из ваграночного чугуна, используемые для разливки высоколегированных сталей, обладали большей склонностью к привариванию слитков. После замены ваграночного чугуна доменным стойкость изложниц резко повысилась, но сетка разгара развивается более интенсивно. Это объясняется наличием в доменном чугуне большого количества крупных включений графита, что способствует уменьшению смачиваемости поверхности изложниц сталью, но, в то же время, приводит интенсификации процессов окисления и роста чугуна в поверхностном слое.

Выполненный анализ исследования по данному вопросу позволяет сделать вывод, что при оценке пригодности материала для изложниц необязательно и нецелесообразно принимать во внимание какой-то строго определенный фактор (температура, химсостав, макроструктура и т.д.) характеристики изложницы, а только несколько важнейших из них. Принципиальный подход к выбору материала обязательно должен базироваться на анализе условий работы изложниц и превалирующих причин их отбраковки. Если придерживаться такого принципа, то некоторые характеристики, признанные важнейшими, могут быть отнесены в разряд второстепенных без ущерба для стойкости изложниц [2].