Особенности технологии сифонной отливки слитков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности технологии сифонной отливки слитков

Ромашкин А. Н., Мальгинов А. Н.,

Дуб В. С., Колпишон Э. Ю.

В настоящее время на заводах, производящих металлургические заготовки для энергетического и тяжёлого машиностроения, увеличивается как доля в общей номенклатуре производства [1, 2], так и единичная масса кузнечных слитков, отливаемых сифонным методом. В частности такой метод применяют при отливке слитка массой 170 т на чешском машиностроительном предприятии Pilsen Steel [3].

Распространение метода сифонной разливки связано с рядом очевидных причин. Во-первых, это обусловлено тем, что современный уровень развития технологии внепечной обработки позволяет воспроизводимо обеспечивать низкое содержание водорода и, соответственно, необходимость в вакуумной разливке отпадает. Во-вторых, при сифонной разливке есть возможность менее затратного (чем разливка в вакууме) и при этом достаточного надежного способа защиты струи металла от вторичного окисления. В-третьих, такой метод разливки позволяет стабилизировать в готовом металле содержание азота (актуально для марок стали, легированных азотом). И, наконец, в-четвертых, современные огнеупорные материалы способны практически полностью исключить загрязнение металла экзогенными включениями из сифонных каналов, что позволяет устранить один из существенных недостатков этого метода. Кроме того, сифонный метод обладает рядом преимуществ технологического характера: сифонный разливка металлопровод теплоизоляционный

· получение высокого качества поверхности слитка, связанного с тем, что металл поступает снизу и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки;

· исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутствия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава);

· наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц;

· упрощение системы защиты поверхности металла при разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном наполняют и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания с шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла;

· продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляют отливку нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки;

· разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки.

Конечно, сифонный метод имеет и некоторые недостатки.

· смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленного (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости (эта характерная негативная особенность сифонного метода может быть отчасти решена изменением режима нагрева разливочной оснастки, а именно за счет уменьшения температуры нагрева поддона и увеличения температуры нагрева прибыльной надставки и/или верхней части корпуса изложницы);

· необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху, скорости разливки;

· увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы;

· повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2 % от массы разливаемого металла);

· повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

Однако, несмотря на наличие перечисленных недостатков сифонный метод разливки находит все большее применение, и потому вопросы оптимизации данной технологии являются достаточно актуальными. В данной работе рассмотрены основные направления совершенствования технологии сифонной разливки.

Скоростной режим сифонной разливки

Одним из важных аспектов технологии сифонной разливки является скорость заполнения изложницы. Ее регламентируют с целью обеспечения заданного темпа повышения уровня металлического расплава в изложнице; как правило, оптимальная линейная скорость заполнения составляет 0,2…0,3 м/мин. Большие слитки, кузнечные слитки или специальные фасонные отливки обычно заполняют с меньшей скоростью, что необходимо для гарантированного формирования твердой корочки надлежащей толщины, чтобы устранить или минимизировать формирование продольных трещин.

Уменьшение скорости разливки сопровождается увеличением продолжительности 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 ее заворотам.

Влияние скорости заполнения изложницы на форму поверхности зеркала металла показано на рис. 1.

Рис. 1 - Влияние скорости заполнения изложницы для 8-тонного слитка металлическим расплавом на форму мениска: слева - скорость заполнения равна 30 см/мин; справа - 1300 см/мин [4].

Если скорость будет больше некоторого критического значения, то металлический расплав будет поступать в изложницу в виде фонтана и, падая, он будет захватывать шлак и окисляться кислородом воздуха. Эта критическая скорость зависит от поверхностного натяжения и плотности стали; согласно работе [5] ее следует рассчитывать по следующей формуле:

V_cr = 3,5 (г/с)^0,25,

где г -- поверхностное натяжение, Дж/м²;

с -- плотность металлического расплава, кг/м³;

Как правило, г = 1,89 Н/м, а с = 7020 кг/м³, тогда в соответствии с вышеприведенным выражением V_cr = 0,45 м/с.

Рекомендуется, чтобы скорость заполнения была ниже этого критического значения в течение первых нескольких минут. Когда высота столба жидкой стали в изложнице достигнет определенного значения и устойчивой формы поверхностности, значение скорости после этого может постепенно увеличиваться.

На рис. 2 и рис. 3 представлены результаты обобщения производственных данных отечественных предприятий о зависимости линейной и массовой скорости наполнения в изложнице при сифонном способе разливки и при разливке сверху.

а б

Рис. 2 - Зависимость линейной скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка.

а б

Рис. 3 - Зависимость массовой скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка: _ -- завод А; ? -- завод Б (ПАО «НКМЗ») [10, с. 154, 197, ]; ? -- завод В; ¦ -- завод Г; ^ -- завод Д; Д -- завод Е; ¦ --завод Ж (Витковице); х --завод З (ОАО «Камасталь») [2]; + -- завод З (Ellwood Quality Steel Company) [11].

В соответствии с приведенными данными массовая скорость разливки слитков различной массы, при которой на них не образуются продольные трещины, может быть примерно рассчитана по уравнениям (1) и (2) для случаев разливки сверху и сифоном, соответственно; линейная скорость может быть рассчитана по уравнениям (3) и (4). Как видно, эти формулы достаточнол просты и могут быть без затруднений использованы инженерами на производстве.

v_масс^cверху = 0,5·M^0,5(1)

v_лин^cверху = 470·M-^0,2(2)

v_масс^cифон = 0,3·M^0,5(3)

v_лин^cифон = 420·M-^0,2(4)

где v_{лин/масс} -- линейная и массовая скорость наполнения изложницы, мм/мин / т/мин;

M -- масса слитка, т.

Сопоставление данных о массовой и линейной скоростях разливки показывает меньший разброс в значениях первой в зависимости от массы слитка; изменение линейной скорости в зависимости от массы отливаемого слитка менее единообразно для различных предприятий, что, очевидно, говорит об отсутствии общепризнанной единой методики расчета значения оптимальной линейной скорости наполнения изложницы в настоящее время.

Конструкция сифонного металлопровода и входного патрубка

При использовании сифонного метода на начальных стадиях поступления металлического расплава в изложницу, особенно при высоких скоростях разливки, ввиду наличия интенсивного напора и малого сопротивления создаются условия для возникновения фонтана металлического расплава, что негативно отражается на качестве поверхности получаемого слитка. После того, как ванна металлического расплава в изложнице стабилизировалась, и мениск приобрел близкую к плоской форму, поступающий в изложницу поток стали может все еще сместить плавающий на поверхности металла защитный шлак на периферию, создавая оголенную поверхность (''глаз'') зеркала металла. Чрезмерно интенсивные потоки расплава в изложнице могут привести к оголению зеркала металла и, как следствие, к его вторичному окислению. Кроме того, при определенной скорости потоков в изложнице становится возможным захват покровного шлака в металлическую ванну. Этот эффект может быть уменьшен за счет оптимизации сечения каналов сифонной проводки и особенностей конструкции входного патрубка, через который металлический расплав поступает из сифонной проводки в изложницу.

Установлено, что при увеличении диаметра выходного отверстия по сравнению с каналом сифонной проводки уменьшается воздействие выходящей струи на кристаллизующуюся корочку.

Результаты моделирования влияния увеличения площади сечения струи, входящей в изложницу, на холодной модели в масштабе 1:2 путем увеличения количества входных отверстий до двух показали, что высота подъема струи сокращается вдвое, максимальное отклонение от оси подвода по сравнению с подводом через одно отверстие уменьшается в 2…2,5 раза. В условиях моделирования расстояние между осями отверстий не оказывало существенного влияния на характер наполнения модели изложниц; его изменение может быть объяснено технологией изготовления сифонного кирпича.

Рис. 4 - Схема холодного моделирования подвода металла в изложницы через одно отверстие (а), как по обычной технологии; через два отверстия с межцентровым расстоянием 30 мм (б) и 40 мм (в) [6]

В итоге, в работе было показано, что в результате подвода металла в изложницы через два отверстия и использования изложниц волнистого сечения можно добиться сокращения брака слитков по трещинам в 2 раза.

Влияние формы входного патрубка на гидродинамику металлического расплава в изложнице было исследовано в работе [7] с использованием холодной модели и численного моделирования. Было показано, что для предотвращения возможности формирования несимметричного потока металлического расплава, отношение линейной длины входного патрубка к его минимальному диаметру должно быть больше, чем 6. Поток жидкости в изложнице при сифонной отливке показан на рис.5. Расчет скорости потока жидкости и траектории движения включений в каналах сифонной проводки указывает на то, что включения двигаются преимущественно вдоль главной стены, таким образом, они могли бы быть пойманы в ловушку специальными ловушками включений, установленными вблизи конца сифонных каналов. Другой метод удаления включений - использование керамических фильтров из пены в системе каналов около входного патрубка.

Рис. 5 - Влияние конструкции входного патрубка на особенности заполнения металлом изложницы [7]

Уменьшение пораженности грубыми разливочными пленами нижней части слитков, отливаемых сифоном, может быть обеспечено при использовании специальных компенсаторов над выходными отверстиями сифонной проводки в каждой изложнице. Такие компенсаторы обеспечивают гашение энергии струи металла и исключение заплесков на стенки изложницы.

Существуют стаканы с глухим верхом (рис. 6), обратной внутренней конусностью и выступающей в полость изложницы головкой с боковыми отверстиями. При сифонной разливке стали через такой стакан полость изложницы заполняется горизонтальными струями до наполнения не менее чем на четверть высоты. Число отверстий в новом стакане можно варьировать от двух для плоских листовых слитков до шести для круглых и фигурных кузнечных. При отливке сортовых блюминговых слитков принимают четыре отверстия.

Рис. 6 - Стакан с боковым выводом металла (б) и схема движения потоков металла в изложнице при его использовании (а) [8]

Боковые струи металла, вытекающие практически на уровне дна изложницы, при этом подтекают под смесь, а не покрывают ее веером. В дальнейшем потоки жидкого металла на уровне границы металл-шлак тоже направлены от корки затвердевающего металла, что исключает захват растущей коркой частиц шлака или компонентов смесей. Продолжительность работы стакана в таком режиме зависит от типа огнеупора, способа изготовления, количества и диаметра отверстий, т. е. от площади живого сечения огнеупора между отверстиями. Высота выступающей в полость изложницы части стаканчика составляет 2,3…2,5 % высоты слитка, а объем -- около 0,1 %, что существенно меньше объема металла, идущего на донную обрезь. Применение такого стакана к тому же резко сокращает количество так называемых "глухих" изложниц, образующихся из-за закупорирования обычного диффузорного стакана и части проводки смесью в случае прорыва или прогара мешка.

При опытно-промышленном опробовании новой технологии разливки стали сифонным способом с использованием предложенного стакана было достигнуто существенное улучшение качества поверхности и чистоты корковой зоны донной части слитков, подкатов, заготовок; заметно повысился выход годного металла.

Для широкого промышленного опробования и внедрения новой технологии необходимо провести исследования гидродинамики движения металла с целью оптимизации размера боковых отверстий, а также разработать способы более быстрой постановки изложниц на такие стаканы и др.

Новый метод подвода металла в изложницу позволит существенно повысить технико-экономические показатели сифонной разливки стали в условиях все более широкого применения различных разливочных порошков.

Следует отметить, что для выявления тех случаев, когда причиной отбраковки слитков стало размытие корочки при поступлении первых порций металла, на сторонах слитка следует наносить маркировку, позволяющую определить расположение браковочных мест относительно центровой (стороны, от которой происходило отклонение струи).

Метод ввода теплоизоляционных материалов

Оптимальным способом ввода теплоизоляционных материалов в изложницу при сифонной разливке является подвешивание пакета со смесью на некоторой высоте от дна слитка -- примерно 300 мм (рис. 7). Альтернативным методом ввода может быть вбрасывание пакета в изложницу перед началом заливки; при поступлении металлического расплава в изложницу пакет сгорает, и теплоизоляционная смесь распределяется по поверхности стали. Однако при таком способе ввода возникает вероятность возникновения специальных дефектов, связанных с захватом теплоизоляционной смеси в тело слитка в соответствии с показанной на рис. 8 схемой.

В некоторых случаях применяют спрессованный в плиту флюс. Такую плиту размещают на поддоне изложного состава и этим минимизируют всплеск. По мере заполнения изложницы плита из флюса, оставаясь, плавает на зеркале металла, постепенно растворяется, формируя слой защитного шлака. Отклонения на слитках, полученных с применением подобной плиты из защитного флюса, составляют лишь 0,65 %, в то время как у всех других слитков отклонения были равны 1,90 %.

Рис. 7 - Схема ввода теплоизолирующей засыпки методом подвешивания пакета со смесью в изложнице

Рис. 8 - Схематическое изображение захвата теплоизолирующей смеси при ее вводе на дно изложницы [9]

Заключение

Рассмотрены особенности технологии сифонного метода разливки стали.

Обобщен опыт внедрения инновационных технологических приемов, используемых при сифонной разливке.

Рассмотрены особенности расчета максимальной скорости наполнения изложниц металлическим расплавом при сифонной разливке, при которой не происходит формирование продольных трещин

Библиография

1. Ю. П. Воробьёв и др. Совершенствование технологии сифонной разливки стали на заводе "Петросталь" // Сталь. № 11, 2005, с. 36…40.

2. В. А. Штеклейн и др. Улучшение качества стали при сифонной разливке в ОАО "МЗ Камасталь" / Сталь. № 11. 2008, с. 50…52

3. Martin Novak. Production aspects and materials evaluation of the forged nuclear cask from 170 tons bottom poured ingot. Proc. IFM 2009, 18th International Forgemasters Meeting, Santander, Spanien, 3-7. Nov. 2009, S. 1/6.

4. Zhang L., Thomas B.G.. Fluid Flow and Inclusion Motion during Ingot Teeming Process. Part II: Free Surface Phenomena. Continuous Casting Consortium Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, 2005.

5. Halvaee A., Campbell J. \\ AFS Trans., 1998. V. 106. P. 35…46.

6. Кушнир Ю. Б., Поюровский А. И., Шадрин К. В. Снижение трещинообразования на слитках трубной стали // Сталь. 1990. № 9. С. 76…78.

7. Zhang L., Thomas B.G.. Fluid Flow and Inclusion Motion during Ingot Teeming Process. Part I: Fluid Flow. Continuous Casting Consortium Report, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, 2005.

8. Зигало И. Н. Улучшение технологии сифонной разливки стали с применением шлакообразующей смеси // Сталь. 1983. № 4. С. 26…28.

9. H.F. Marston: 69th Steelmaking Conf. Proc., ISS, Warrendale, PA. 1986. Р. 107…19.

10. Смирнов А. Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М. и др. Крупный слиток. Донецк: Изд-во «Вебер». 2009. 278 с.

11. Zhang, L., B. Rietow, B.G. Thomas et. Al. Large Inclusions in Plain-Carbon Steel Ingots Cast by Bottom Teeming \\ ISIJ International. V. 46. № 5. 2006. Р. 670…679.

Размещено на Allbest.ru