Разливка стали в крупные слитки

Наполнение изложниц металлом

Разливка крупных стальных слитков осуществляется двумя способами: сверху (рис.5.4) и по сифонной схеме (рис.5.5). Широко известно, что каждый из этих способов имеет некоторые особенности, которые при определенных условиях могут давать какие-либо технологические преимущества или же рассматриваться как недостатки.

Разливка стали сверху представляется весьма интересной с точки зрения формирования оптимальных условий для формирования слитка, поскольку характер наполнения изложницы в этом случае позволяет заполнять прибыль в последнюю очередь. То есть, в прибыль попадают горячие порции металла из ковша, которые затем подпитывают тело слитка. В то же время при разливке стали в крупные слитки в силу их большой высоты происходит разбрызгивание металла в нижней части изложницы вследствие удара струи о поддон. При этом на поверхности слитков возникает большое количество дефектов в виде брызг, плен, трещин, заворотов, подкорковых пузырей, волнистости, заливин и т.п.

Для улучшения качества поверхности применяют, как ранее отмечалось, смазку изложниц. Следует иметь ввиду, что нарушение технологии смазки приводит к образованию подкорковых пузырей на слитках и поверхностных дефектов на поковках.

Рисунок 5.4 – Схема промежуточного ковша и изложницы при разливке сверху: 1 - промежуточный ковш; 2 - изложница; 3- прибыльная надставка; 4-поддон; 5- вкладыш

Для стабилизации скорости истечения стали, и тем самым, скорости подъема металла в изложнице, при разливке стали в крупные слитки сверху используют так называемый промежуточный ковш, позволяющий поддерживать зеркало металла практически на одинаковой высоте и, тем самым обеспечивающий постоянную скорость истечения. Промежуточный ковш состоит из стального кожуха, имеющего внутри футеровку из шамотного кирпича или высокоглиноземистого бетона. При разливке кузнечных слитков, масса которых превышает емкость одной плавки, промежуточный ковш служит также в качестве резервуара для жидкой стали в период замены сталеразливочных ковшей.

Рисунок 5.5 - Схема сифонной разливки стали: 1 – ковш, 2 – центровая проводка, 3 – сифонная проводка, 4 – поддон,5 – изложница, 6 – теплоизолирующая смесь, 7 – прибыльная надставка

Соответственно, обязательным условием при разливке сверху является наличие кюмпельного поддона, способствующего быстрому образованию «подушки» жидкого металла и снижению нежелательного разбрызгивания струи. При этом в центре поддона обычно укладывают стальной вкладыш толщиной 100-200 мм и, тем самым, препятствуют оплавлению поддона и приварке слитка к поддону. Тем не менее, в начальный момент разливки поверхностные слои вкладыша очень быстро нагреваются падающей струей стали до высокой температуры и материал вкладыша теряет свою прочность, а струя стали его легко вымывает.

Иногда перед началом разливки кюмпель на 2/3 заполняют сталью и дают ей затвердеть. Однако, такой метод несколько усложняет и затягивает процесс разливки в целом.

Разливка сифонным способом (рис.5.5) основывается на принципе сообщающихся сосудов. При разливке сифонным способом струя металла через систему вертикального и горизонтального каналов попадает в изложницу снизу.

Разливка сифонным способом сопровождается более спокойным подъемом стали в изложнице (0,15–0,35 м/мин), что благоприятно влияет на качество слитка.

Время заполнения изложницы может быть рассчитано по следующей формуле:

Известно, что сифонная разливка обеспечивает более высокое качество поверхности слитков и позволяет уменьшить в соответствии с этим расходы по зачистке металла. Однако, при таком способе разливки подготовка канавы требует больше времени и средств, чем при разливке сверху; кроме того, увеличиваются потери металла (литники, аварийный скрап).

Для оценки способа разливки стали нужно рассматривать технико-экономические показатели всего производства в целом. С этой точки зрения результаты опытных плавок, проведенных на одном заводе, не являются показательными.

Для сравнения технико-экономических показателей процесса разливки стали указанными двумя способами необходимо учитывать потери металла во время разливки и на зачистке, затраты труда на подготовку изложниц, надставок и поддонов, огнеупорного припаса, зачистку заготовок, разливку стали, стоимость разливки и зачистки, капитальные затраты, производительность разливочных пролетов и др.

Значительным преимуществом сифонного способа разливки является возможность наполнения изложницы под слоем теплоизолирующей смеси, что не только препятствует окислению на поверхности зеркала металла, но и дает возможность существенного повышения качества поверхности слитка. Применяемые на практике смеси представляют собой легкие тонкодисперсные, низкотеплопроводные порошки, обладающие сравнительно высокой температурой плавления и низкой жидкотекучестью при высоких температурах. Эти порошки подаются на зеркало металла до начала разливки или на ранней стадии заполнения изложниц.

Механизм работы теплоизолирующих смесей имеет комплексный характер, поскольку в процессе заполнения изложницы она представляет собой трехслойную систему, состоящую из жидкого шлака, спекшегося слоя и слоя остаточного теплоизолирующего порошка. Так как нижний слой теплоизолирующей смеси, располагающийся непосредственно на зеркале металла, расплавляется, то он выполняет функции защиты поверхности металла от окисления, поглощения всплывающих к поверхности неметаллических включений, а также затекает в зазор между мениском и стенкой изложницы, образуя прослойку шлака между слитком и стенками изложницы. Шлаковая прослойка между внутренней поверхностью изложницы и слитком снижает скорость охлаждения в корочке в начальный период формирования слитка и, тем самым, уменьшает возможность нарушения сплошности поверхности слитка. Слой шлака на границе изложница-слиток предотвращает также затекание металла в неровности стенок изложницы и способствует развитию свободной усадки стали в процессе затвердевания. Спекшийся слой является как бы перегородкой, демпфирующей бурление металла в изложнице, обеспечивая тем самым сохранность остаточного, верхнего слоя. Верхний слой, имеющий порошкообразное строение, обладает высокой подвижностью и равномерно распределяется по поверхности металла, обеспечивая хорошую теплоизоляцию зеркала.

Анализ условий взаимодействия теплоизолирующих смесей с потоками жидкого металла, поступающего в изложницу при сифонной разливке, показал, что для уменьшения загрязнения донной части слитка частицами смеси желательно исключить прямой контакт смеси с донной частью изложницы. С этой целью пакеты со смесью подвешивают или укрепляют с помощью деревянных рамок на некотором удалении от дна изложницы.

Известен эффективный способ утепления металла при сифонной разливке, согласно которому на дно изложницы перед подачей теплоизолирующей смеси укладывают слой древесной стружки или опилок с расходом не более 3кг/т стали. Сгорающие опилки исключают прямой контакт теплоизолирующей смеси с донной частью изложницы. Выделяющиеся в процессе пиролиза органического материала летучие составляющие способствуют разрыхлению верхнего теплоизолирующего слоя и, тем самым, улучшают рассыпаемость смеси и ее теплофизические характеристики. Применение опилок (стружки) в качестве предохранительной прокладки между теплоизолирующей смесью и донной частью изложницы позволяет использовать для сифонной разливки малоподвижные смеси на основе зол с низким содержанием углерода. Недостатком способа является некоторое ухудшение экологических условий разливки, связанное с процессами пиролиза органических материалов и их сгоранием.

Наибольшее практическое применение получили теплоизолирующие смеси на базе каменноугольной золы ТЭС, вермикулита, перлита и некоторых других материалов. Разработанные в настоящее время специализированные смеси на базе низкоуглеродистой золы ТЭС предназначены для отливки сифонным способом слитков разных типов практически всего сортамента производимой стали. Как правило, смеси содержат аморфный графит или углеродосодержащие добавки (до 30%), которые препятствуют спеканию и плавлению порошков. Расход таких смесей составляет 1,5-2,5 кг/т . Основные требования к теплоизолирующим смесям могут быть сформулированы следующим образом:

• температура плавления должна находиться в пределах 1100 – 1350^оС;
• вязкость жидкой смеси должна составлять 0,2–0,6 Па*с при оптимальной температуре разливаемого металла в изложнице;
• жидкий шлак не должен значительно изменять свою вязкость в пределах возможного колебания температур, возникающего в процессе разливки, то есть должен быть «длинным»;
• жидкая прослойка шлака должна хорошо смачивать оксиды на поверхности металла и снижать поверхностное натяжение стали.

В практике разливки крупных стальных слитков достаточно широкое применение получили так называемые экзотермические смеси, то есть, смеси, в процессе работы которых происходит выделение теплоты непосредственно в металл прибыли. К экзотермическим смесям предъявляются следующие требования: высокая теплотворная способность, обеспечивающая расплавление компонентов и компенсацию потерь тепла, большая скорость сгорания, взрывобезопасность, минимальное выделение вредных газов, высокая степень ассимиляции неметаллических включений. В состав экзотермических смесей входят горючие, кислородосодержащие и шлакообразующие компоненты. В качестве горючих материалов используют алюминий или силикокальций. Окислителями в шлакообразующих смесях служат натриевая селитра, марганцевая руда, окалина, железорудные концентраты. Функции шлакообразующих компонентов в смесях выполняют доменный шлак, силикатная глыба, плавиковый шпат и др.

Экзотермическую смесь перед началом разливки обычно помещают на дно изложницы. Наличие в составе такой смеси магния или силикокальция вызывает при ее сгорании сильный пироэффект и сопровождается выделением большого количества дыма. Содержание в экзотермической смеси селитры и плавикового шпата вызывает загрязнение воздуха на рабочей площадке, что сильно препятствует массовому использованию таких смесей. Кроме того, указанные смеси являются относительно дорогими, сложны в изготовлении и хранении ввиду большого числа компонентов и взрывоопасности.

В настоящее время в зарубежной и отечественной практике широко применяется высокоэффективное теплоизолирующее покрытие на основе золы рисовой шелухи. Оно обладает весьма высокими теплоизолирующими свойствами. Существуют различные версии композиционного состава этих смесей, которые отличаются незначительными добавками других растительных отходов (например, зола подсолнечниковой лузги и т.п.). Однако, наилучшие результаты показывает именно чистая зола рисовой шелухи. При контакте с жидкой сталью она быстро формирует жидкую пленку, которая резко уменьшает поглощение кислорода и азота жидкой сталью. В то же время это покрытие поглощает неметаллические включения (оксиды алюминия), находящиеся в жидкой стали, препятствуя образованию настылей в промежуточных ковшах.

Свойства золы рисовой шелухи в области точки плавления материала являются оптимальными для эксплуатации. Над тонким расплавленным слоем покрытие остается в стабильно твердом состоянии и сохраняет свои высокие изолирующие свойства. Его низкая насыпная масса гарантирует максимальную теплоизоляцию при низком коэффициенте расхода материала. На практике установлено, что при использовании золы рисовой шелухи выход годного может быть повышен на 2-4% в сравнении с использованием синтетических теплоизолирующих смесей.

В целом же теплоизолирующие смеси, применяемые для разливки крупных слитков, должны обладать высокой подвижностью, легкостью, низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления, то есть свойствами, определяющими качество утепления зеркала металла в процессе разливки и затвердевания слитков. Выбор конкретной смеси для разливки крупных слитков должен производиться на основании испытаний в производственных условиях. При этом имеет значение не только состав смеси, но и способ ее подачи в изложницу.