книги / Металлургия черных и цветных металлов

возможности трещин. Форма стакана определяет турбулентность струи, ее жесткость, количество захватываемого воздуха, разбрызгивание стали, коли­ чество плен на слитке, вторичное окисление металла во время разливки, ко­ личество оксидных включений.

§ 4. Вихреобразование, кавитация

Изменение давлений жидкой стали перед стаканом в ковше мо­ жет быть под действием переменного по направлению динами­ ческого напора расплава при конвективном или вынужденном движении. Может быть изменение давлений в насадке в резуль­ тате местных зон срыва (рис. IX.4, а).

Вихрь образуется чаще с поверхности насадки или ближе к обтекаемому телу. На поверхности вихря скорость равна ско­ рости потока и максимальна у оси. При огромных скоростях, развивающихся внутри вихря, создается вращение, участки по­ ниженного статического давления и кавитационные полости. Если вихри оканчиваются на свободной поверхности жидкости, образуются воронки с истечением при небольшом давлении. При истечении с пульсацией давления жидкости (расплава) на по­ верхности струи возникают вихревые кольца. При высоких ско­ ростях истечения развиваются мощные вихри, которые перено­ сятся со струей вниз по потоку, вызывают появление вихревых колец внутри затопленной струи (рис. IX.4, б) и образуют тореобразные вихри.

Кавитация — быстрое изменение однородного фазового состояния с нару­ шением сплошности материи, появлением газовых пузырей или полостей, мгно­ венно заполняющихся паром или растворенными газами. Кавитационные по­ лости образуются в участках потока пбд разрежением, где растягивающие на­ пряжения, действующие на жидкость, превышают силы связи жидкости. Это происходит там, где сужается поток с последующим разрушением (стакан, перегородка, диафрагма). Кавитация может начаться с мельчайших пузырь­ ков воздуха, выделившегося монооксида углерода, образовавшейся полости,

в зонах низкого давления, в поле течения у ограничивающих струю поверхно­ стей. Склонность к кавитации может определиться критическим числом кави­ тации

где ро и р я — давление абсолютное и насыщенного пара. Признаки кавитации проявляются при 0,35<<3кав<1,0. Если в этот критерий кавитации подставить характерные данные для условий сталеварения, то скорость, при которой воз­ никает кавитация, оказывается ~3,37 м/с. Очевидно, реальные условия раз­ ливки стали благоприятны появлению кавитации и повышаются с ростом ско­ рости потока.

§5. Основы конструирования, насадка

ивыбор разливочных стаканов

За срезом стакана идет сплошная часть струи металла с увели­ чивающейся турбулентностью; далее возникают усиливающиеся волновые возмущения и образование вихрей, создающие ради­ альные составляющие скорости, которые разрушают сплошность струи. Интенсивность вихрей, радиальная скорость зависят от массы металла в ковше и скорости истечения струи на срезе стакана. Турбулентность струи зависит от обтекаемой поверх­ ности, а данном случае внутренней поверхности стакана с пара­

перед стаканом, тем легче теряется устойчивость. Несомненна зависимость от диаметра выходного отверстия стакана dBых, его величина варьируется в пределах 60—160 мм. В производстве для разливки кипящей стали устанавливают стаканы с d Bbix = = 35-М0 мм, для сифонной разливки низколегированной, угле­ родистой спокойной стали — стаканы с dBbIx = 45-f-50 мм; для сифонной разливки стали с высоким содержанием хрома, ти­ тана, алюминия— стаканы с dBblx = 60 мм. Увеличение диаметра выходного отверстия разливочного стакана повышает количе­ ство трещин и плен, при этом усиливается приварка слитка ко дну изложницы. Чем больше радиус закругления входного края стакана и положе вход, тем меньше вихреобразование. Отметив особо диаметр выходного отверстия dBblXl остальные параметры

мых: L = f ( р, а, т], р, dBbix, К, Пстан). Улучшая параметры раз­ ливки, изменяя эти независимые, можем уменьшать турбулизацию, вихреобразование, кавитацию в свободной и затопленной струе и объеме металла в изложнице. Выражением этой воз­ можности будет удлинение устойчивой части струи L.

Г л а в а 2. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ РАЗЛИВКИ

§ 1. Разливка сверху и сифоном

На рис, IX.6 представлены два способа разливки стали в слит­ ки: сверху и сифоном Значение непрерывной разливки увели­ чивается, но большая часть производимой стали разливается на слитки этими двумя способами и их доля долго будет значи­ тельной.

При разливке сверху желательно применение промежуточ­ ных емкостей. В промежуточном ковше при намного меньшей высоте жидкого металла, чем в заполненном металлом разли­ вочном ковше, а главное, при постоянной высоте жидкого ме­ талла, разливка происходит в более стационарных условиях, с устойчивой струей, пониженной турбулизацией и вихреобразованием. Промежуточный ковш улучшает центрирование струи. Нецентрированная струя увеличивает и интенсифицирует по-

токи жидкого металла в слитке и размывает корочку, создавая условия образования продольных и поперечных трещин в стенке слитка. Промежуточный ковш интенсифицирует разливку, ус­ коряя ее в два и четыре раза из-за возможности заполнять сразу две или четыре изложницы.

Разливка сверху имеет наибольшее распространение, этим способом разливают до 80 % производимой стали, ее преиму­ щества: простота подготовки фронта разливки; отсутствие рас­ ходов на какие-либо разовые приспособления и керамические изделия (в сифонном способе заметные расходы на проводку из сифонных огнеупоров); непосредственное поступление ме­ талла в изложницу уменьшает загрязнения стали экзогенными неметаллическими включениями; меньшие потери металла при разливке, в то время как в сифонном способе на каждом под­ доне теряется заметное количество металла в литниковой про­ водке; металл, предназначенный к разливке сверху, может иметь температуру более низкую, чем для сифонной разливки, отсюда меньше возможностей иметь брак из-за недостаточности температуры металла; в слитках спокойной стали, отлитых сверху, благоприятнее расположена усадочная раковина; менее развита усадочная рыхлость, так как при разливке сверху соз­ даются условия питания прибыльной части слитка горячим ме­

таллом.

При разливке сифоном струя металла из ковша поступает в воронку и центровой литник высотой на 250—400 мм выше изложницы с прибыльной надставкой. Воронка из шамота, про­ водка литника из шамотных катушек — все это держится цен­ тровой из двух половинок, отлитых из чугуна. Поступающий металл из центровой через звездочку распределяется по сифон­ ным проводкам к изложницам. Центровой литник и изложницы устанавливают на массивной чугунной плите — поддоне. В под­ доне углубление для звездочки и каналы для укладки проводки

заподлицо.

Разливка сифоном имеет свои преимущества: можно одно­ временно заполнять несколько слитков; поверхность металла, разлитого, сифонным способом, чище, чем разлитого сверху, по ряду причин и особенно потому, что подъем металла в излож­ нице спокойный и скорость подъема хорошо регулируется; удобно следить за зеркалом металла и возможно применять средства защиты его. Наибольший недостаток разливки; сифо­ ном — это возможность загрязнения рталй экзогенными неме­ таллическими включениями из-за размыва сифонной огнеупор­ ной проводки.

§ 2. Изложницы

Изложницы отливают из чугуна, имеющего феррито-перлитовую структуру с небольшим количеством свободного графита. Сред­ няя стойкость изложниц 60—100 плавок, для качественных ста­ лей меньше.

Пороки стен изложниц ухудшают качество поверхности слитка. К ним относят мелкие трещины, вызванные ростом чу­ гуна от его работы при высоких температурах. Эти трещины увеличиваются от взаимодействия с газами, создавая сетку раз­ гара и разветвленных трещин. Глубокие трещины, разгар, вы­ моины могут создавать условия подвисания слитка в излож­ нице, при котором будут образовываться трещины на поверх­ ности слитка. Расход изложниц в настоящее время 1,5—3,0 % от массы отлитых слитков. Одной из мер сохранения изложниц в рабочем состоянии и получения лучшей поверхности слитка является смазка изложниц смесью каменноугольного пека и бесфенольного масла. При наполнении изложницы смазка сгорает, обугливаясь на стенках изложницы, создает газовую прослойку между изложницей и образующейся корочкой слитка; попутно отгоняет от стенок изложницы пленку оксидов на зеркале ме­ талла, не допуская прирастания образующейся на зеркале ме­ талла корочки к стенке изложницы, что приводит к поверхност­ ному пороку стали — заливинам. Если смазка нанесена толстым слоем, возникает сильное газообразование, смазка догорает под слоем металла, что вызывает появление подкорковых пузырей.

Конструкция изложниц (рис. IX.7) зависит от сорта и назна­ чения выплавляемой стали, массы слитка. Для разливки кипя-

лая изложница; ж — круглая многогранная

щей стали преимущественно применяют сквозные изложницы без дна квадратного или эллиптического сечения. Изложницы для слитков кипящей стали обычно уширяющиеся (1,0—1,5 %) книзу, что способствует созданию необходимой структуры слитка.

Кипящую сталь лучше разливать сифоном с предельной мас­ сой слитка обычно до 20 т.

Большинство марок спокойной стали и всю качественную сталь разливают в расширяющиеся кверху изложницы. Такая конусность создает более плотный слиток, уменьшает усадоч­ ную раковину и осевую рыхлость, усадочные пороки меньше уходят в глубину слитка, а это все связано с тем, что при рас­ ширении слитка кверху термический центр поднимается. Конус­ ность изложниц необходима для захвата слитка валками про­ катного стана блюминга или слябинга. Конусность изложниц для слитков спокойной стали, предназначенной для проката, со­ ставляет 2,5—3,0 %, для ковки — 3,0—4,0 %; для слитков си­ фонной разливки большого поперечного сечения — 0,7—0,9 %, для кипящей стали— 1,0—1,2 % с уменьшением для больших слитков. Сечение слитков для проката, главным образом, квад­ рат, прямоугольник и эллипс; для ковки сечение слитков имеет многогранный профиль, применяют шести- и чаще восьмигран­ ные изложницы. Для уменьшения разбрызгивания при разливке сверху дно глуходонной изложницы или поддона делают со сфе­ рической выемкой. Заплески дают окисленный металл, который при прокате не сваривается, образуя пленку или плены. При­ липшие капли металла также окисляются и, взаимодействуя с поднимающимся металлом, образуют мелкие поверхностные пузыри, раскатывающиеся в волосовины.

Для изложниц основным конструктивным параметром явля­ ется отношение высоты изложницы (без надставки) к ее тол­ щине или усредненному диаметру Я/D. Это отношение для слит­ ков, поступающих в прокат, составляет 2,8—3,3; под ковку — 2,0—2,5; для слитков массой до 1 т легированной стали — 3,0— 3,5. При большом отношении тормозится кипение, а следова­ тельно, ухудшается структура стали кипящей стали.

Толщина стенок изложниц имеет значение как теплопоглоти* тель, особенно в первые моменты разливки. Дальнейшая кри­ сталлизация происходит с меньшей интенсивностью теплоот­ вода, так как увеличивается толщина затвердевшего металла, а между стенкой изложницы и стенкой слитка создается газо­ вый зазор. В связи с этим установлено, что утолщение стенок изложниц >55 мм не имеет смысла. Рекомендуется толщину стенок изложниц для слитков до 4 т отливать 0,20—0,25 сред­ него диаметра слитка, с утолщением у дна. Тогда благоприят­ ное отношение массы изложницы к массе слитка составит для спокойной стали 1,0—1,3, для кипящей 0,7—1,0.

В углах слитка может быть очень быстрое охлаждение, при росте кристаллов по нормали к стенке образуются плоскости слабины на стыке встречающихся кристаллов и продольные трещины по граням слитка у углов. Идеальным сечением слитка

сэтой стороны было бы круглое, поэтому часто приближаются

кнему, по возможности создавая волнистые стенки или много­ гранные изложницы (см. рис. IX.7). Волнистые стенки быстрее образуют корочку, особенно быстро на выпуклостях, создавая как бы ребра жесткости и взаимопроникновение кристаллов, увеличивая всем этим противодействие трещинообразованию. Для этой же цели толщину стенок изложниц по углам обычно уменьшают.

§3. Поддоны и прибыльные надставки

Те же принципы лежат в основе проектирования поддонов. Из­ лишняя толщина поддона может вызвать ненужное развитие столбчатой кристаллизации по нормали к поддону, а резкое ох­ лаждение нижней части слитка способствовать образованию горизонтальных трещин в стенках слитка. Толщина поддона опре­ деляется его массой, обычно составляющей 40 % от массы слитка.

Назначение прибыльных надставок (рис. IX.8) — сосредото­ чить усадочную раковину в объеме надставок, т. е. вывести ее из объема слитка, возможно в большей степени подтянув вверх слитка усадочную рыхлость и другие усадочные пороки. Для обеспечения ее объем должен вмещать жидкого металла 12— 20 % от массы слитка (нижний предел для больших, верхний — для малых слитков). Внутренние стенки прибыльной надставки имеют конусность 10—15 % для сокращения теплоизлучения верха слитка. Для выполнения своих задач в прибыльной над­