Оборудование для разливки в слитки

Для разливки стали используют следующее оборудование:

1.  же­лоб, по которому сталь из конвертера или плавильного агрегата (мартеновских или двухванных печей) попадает в ковш;
2. стале­разливочный ковш;
3. промежуточный ковш или промежуточ­ное разливочное устройство;
4. изложницы;
5. поддоны;
6. уста­новки непрерывной разливки стали УНРС (машины непрерывного литья заготовок МНЛЗ).

В тех случаях, когда сталь разливают в изложницы, процесс разливки может осуществляться двумя методами:

1) сверху

2) сифоном

Выпускной желоб

Выпускной желоб состоит из металлического сварного или литого кожуха, футерованного, как правило, шамот­ным кирпичом, установленного с наклоном 0,10—0,12 к горизон­тальной плоскости (для обеспечения полноты стекания металла).

Сверху шамотный кирпич покрывают хромомагнезитовой массой, которую возобновляют после каждой плавки. Сечение желоба — трапецеидальное. На небольших мартеновских печах устанавли­вают стационарный желоб, прикрепляемый к печи у выпускного отверстия. На крупных мартеновских и двухванных печах приме­няют, как правило, съемные стальные желоба. После выпуска металла желоб снимают краном и переносят в разливочный пролет для ремонта, а продолжающий вытекать из печи шлак попадает в заранее подставленную шлаковую чашу. На мартеновских печах садкой >300 т плавку одновременно выпускают в два ковша (рисунок 3). Такие печи называют двухжелобными.

Сталеразливочный ковш

Сталеразливочный ковш выполняет функции:

1. служит емкостью для транспортировки металла от сталеплавильного агрегата до места разливки;
2. является уст­ройством, при помощи которого сталь распределяется по излож­ницам или по кристаллизаторам установки непрерывной разливки;
3. выполняет роль агрегата, в котором осуществляется ряд метал­лургических процессов (раскисление, легирование, обработка вакуумом, продувка инертным газом, обработка жидкими синте­тическими шлаками или твердыми шлаковыми смесями и т. н.);
4. служит емкостью, в которой металл выдерживают при заданной температуре в процессе разливки плавки.

К сталеразливочному ковшу предъявляют следующие требо­вания. Ковш (без металла) должен быть возможно более легким, компактным и оборудован простыми и надежными устройствами, обеспечивающими выдачу металла необходимыми порциями и с тре­буемой интенсивностью. Футеровка ковша должна обеспечивать возможно более длительную его кампанию (от ремонта до ремонта).

Конструкция и футеровка ковша должны обеспечивать минималь­ные потери тепла (минимальное охлаждение металла) в течение периода разливки.

Кожух ковша — сварной, форма ковша — усеченный конус со сферическим днищем. Отношение диаметра к высоте — близ­ко к 1. Обычно сечение ковшей круглое, в некоторых случаях — слегка овальное (для того чтобы при неизменном размере траверсы разливочного крана использовать ковши большей вместимости). Объем ковша рассчитывают, исходя из объема всей массы металла плюс определенный (5— 10 %) слон шлака.

Отечественная промышленность выпускает стандартные ковши вместимостью от 50 до 480 т. Масса порожнего футерованного ковша вместимостью 300т — 72,5 т, масса порожнего 480-т ковша 136,3 т. Разливочный ковш переносится и удерживается во время разливки разливочным краном. Применяют разливочные краны различной грузоподъемности. т: 260—75/15; 350—75/15; 450—100/20; 630—90/16. Первое означает грузоподъемность главной тележки, второе и третье вспомогательной тележки. Разливочный кран большой грузоподъемности — сложное и дорогостоящее сооружение. Обычно вместимость сталеплавильного агрегата на действующих заводах ограничивается грузоподъемностью разли­вочного крана. Ковши футеруют либо шамотом, либо магнезито­-доломитовыми, либо высокоглиноземистыми огнеупорными мате­риалами. Футеровку ковша выполняют либо из кирпичей, либо монолитной. Для изготовления монолитной футеровки требуется соответствующее оборудование, однако при этом заметно сни­жаются затраты труда. Существует несколько способов выполне­ния монолитной футеровки ковшей: литье (рисунок 4), трамбование (в том числе автоматическое без шаблона), торкретирование, пескометная набивка (с давлением укладки массы до 147 МПа). Выбор того или иного способа футеровки ковша определяется наличием и стоимостью соответствующих оборудования и материалов.

Стойкость футеровки ковшей, изготовленных из обычных ша­мотных кирпичей, 10— 15 плавок (наливов). Футеровка изнаши­вается неравномерно, наибольший износ наблюдается в том месте, куда падает струя металла (так называемая боевая стенка ковша), и в районе шлакового пояса. В тех случаях, когда металл в ковше подвергают различным методам обработки, включая методы, свя­занные с интенсивным перемешиванием металла, стойкость шамо­товой футеровки резко снижается; в этих случаях футеровку ковша выполняют из высокоогнеупорных материалов. В зависи­мости от качества огнеупорных материалов и технологии обра­ботки стали в ковше расход огнеупоров колеблется в пределах от 3 до 5 кг/т стали.

Оборудование для выпуска стали из ковша состоит из стопор­ного устройства и разливочного стакана. Обычно в каждом ковше устанавливается один комплект такого оборудования, однако в ковшах большой вместимости для ускорения разливки монти­руются два таких комплекта. Разливочный стакан устанавливают в гнездо, предусмотренное в днище ковша (в самой низкой точке днища — так, чтобы в стакан сливался из ковша весь металл, без остатка). После разливки каждой плавки стакан заменяют новым.

Различают два типа стопорных устройств.

1. Вертикальные стопорные устройства (или просто стопоры). Устройство включает вертикальный стопор, проходящий внутри ковша через массу металла (рисунок 5). При помощи механизма рычажного типа стопор поднимается и опускается. При подъеме нижний конец стопора (пробка стопора) отходит от разливочного стакана и через открывшееся отверстие металл из ковша выливается в изложницу. Стопор состоит из сплошного или полногометаллического стержня, на который надета серия катушек из огнеупорного материала (обычно из шамота).

2. Стопорные устройства скользящего типа. Устройство кре­пится к кожуху ковша снизу снаружи. Отверстие разливочного стакана перекрывается (и открывается) горизонтальным отсе­кающим движением скользящей огнеупорной плиты. В зависи­мости от вида движения отсекателя (прямолинейного или враща­тельного) скользящие затворы делят на шиберные (рисунок  6, а) и поворотные или дисковые (рисунок 6, б) с несколькими отвер­стиями различного диаметра. Дисковые затворы позволяют изменять по ходу разливки скорость истечения металла из ковша или сохранять ее по мере опорожнения ковша (по мере опускания уровня металла в ковше проводить разливку через отверстия все большего диаметра). Расположение затворного устройства вне ковша позволяет производить необходимые операции с нахо­дящимся в ковше металлом (перемешивание и т. д.) без опасения повредить стопор и вызвать этим аварийный выход металла из ковша. Надежность скользящего затвора зависит от огнеупор­ности и износостойкости скользящих плит, от точности их изго­товления и притирки.

В процессе разливки сечение разливочного стакана изменяется. Опасным является случай так называемого зарастания стакана. Такое явление наблюдается, в частности, при разливке стали, раскисленной алюминием. Образующиеся при раскислении час­тицы корунда Аl₂O₃ оседают на внутренних стенках стакана, обра­зуя тугоплавкую и прочную настыль, внутренний диаметр стакана начинает уменьшаться и, если не принять необходимых мер, раз­ливка может вообще прекратиться. Для предотвращения таких явлений, а также случаев застывания металла (особенно первых его порций) в полости стакана за время от выпуска плавки до на­чала разливки в разливочный стакан подают (с небольшой интен­сивностью) инертный газ.

Падение струи стали из ковша в изложницу или в кристалли­затор сопровождается рядом явлений, отрицательно влияющих на качество металла. Большой напор металла, вытекающего из крупного ковша, вызывает интенсивное разбрызгивание струи при ударе о дно изложницы или о поверхность жидкого металла. Рас­четы и результаты моделирования показывают, что при разливке из ковшей большой вместимости критерий Рейнольдса для струи может достигать значений ≥10⁶, что свидетельствует о высокой степени турбулентности струи. Истечение таких турбулентных потоков сопровождается захватом атмосферного воздуха, а также развитием кавитационных явлений, что в свою очередь приводит к резким местным колебаниям давления металла в слитке. При большом напоре металла струя перестает быть непрерывной, что приводит к эжектированию окружающего воздуха, интенсивному развитию вторичного окисления стали, увеличению содержания азота и т. д. Диаметры разливочных стаканов могут быть различ­ными (от 50 до 120 мм), но все они достаточно велики.

При истечении металла через отверстие в днище ковша создается положение, при котором основное перемещение жидкого металла происходит по оси стакана. Получается, что столб металла, располагающийся над отверстием стакана, как бы непрерывно проваливается, а объемы металла, находящиеся вблизи стенок ковша, не перемещаются и поступают на разливку в последнюю очередь. Температура и свойства этих объемов металла отли­чаются от температуры и свойств внутренних слоев, что приводит к нестабильности качества слитков, отлитых в различные периоды времени по ходу разливки. При входе жидкого металла в стакан происходит сжатие (сужение) струи, которое продолжается до определенной глубины, после чего поток снова расширяется, заполняя все поперечное сечение стакана. Отрыв потока от стен канала и связанное с ним вихреобразование создают в стакане зону пониженного статического давления и являются основной причиной увеличения сопротивления движению жидкости в струе, а также захвата струей воздуха. Дополнительная трудность при решении проблемы организации истечения струи металла из ковша заключается в том, что по мере опорожнения ковша изме­няется напор металла (высота металла в ковше). Может оказаться, что удовлетворительный характер истечения струи в начале раз­ливки (небольшое отношение диаметра струи к высоте столба металла в ковше) сменяется не­ удовлетворительным в конце раз­ливки (при неизменном диаметре струи напор металла резко уменьшился). На характер дви­жения металла в ковше и стакане влияет также расположение ста­кана относительно стен ковша. На практике для организации нормальной разливки используют ряд приемов.

• Сечение, размеры и форму разливочного стакана и его рас­положение в ковше выбирают по результатам предварительного мо­делирования с учетом размеров ковша, состава стали и необходи­мой скорости разливки. Горизон­тальное сечение стаканов может быть круглым, эллиптическим, крестообразным и т д. По высоте стаканы могут быть цилиндричес­кими, цилиндрическими с закру­глением углов на входе струи, формы диффузора, конфузора, в форме диффузора с переходом в цилиндр и др. (рисунок 7).

• Используют удлиненные стаканы таким образом, чтобы металл проходил по раз­ливочному стакану, не соприкасаясь с окружающим воздухом (рисунок 8).

• Защищают струи металла, вытекающего из ковша, инертным газом, подаваемым из кольцеобразного устройства, окружающего струю.
• Инертный газ подают непосредственно в стакан таким обра­зом, что условия истечения струи определяются не изменяющимся по ходу разливки напором металла, а воздействием выходящего из пористых стенок стакана инертного газа.
• Перемешивают металл в ковше.
• Применяют промежуточные разливочные устройства (во­ронки, промежуточные ковши и т. п.), позволяющие разливать металл почти до конца разливки всей плавки с неизменной и тре­буемой скоростью истечения.

Промежуточные разливочные устройства

Использование раз­ливочных промежуточных устройств способствует уменьшению разбрызгивания при ударе струи о дно изложницы или о поверх­ность разливаемого металла. Применение таких промежуточных разливочных устройств, как воронки, корытообразные футеро­ванные емкости с несколькими отверстиями в днище и т.п., огра­ничено отдельными случаями (например, разливка единичных крупных слитков для поковок). Применение промежуточных ков­шей получило широкое распространение при непрерывной раз­ливке, когда характер воздействия струи на кристаллизующийся металл имеет особое влияние на качество слитка.

Промежуточный ковш является дополнительным звеном в тех­нологической цепочке сталеплавильный агрегат — сталеразливоч­ный ковш — слиток. Однако, несмотря на определенные затраты, связанные с изготовлением промежуточных ковшей и их обслужи­ванием, применение этого дополнительного звена целесообразно.

Использование промежуточных ковшей имеет следующие пре­имущества:

1. обеспечивает разливку практически всей плавки с одинаковой скоростью и характером истечения струи металла;
2. существенно уменьшается удар струи металла при разливке;
3. можно разливать сверху одновременно несколько слитков;
4. позволяет в необходимых случаях осуществлять дополнитель­ные операции по исправлению состава и повышению качества металла;
5. при непрерывной разливке позволяет разливать несколько плавок без перерыва струи металла, вытекающей из промежуточного ковша (так называемый метод плавка на плавку); некоторый запас металла в промежуточном ковше позволяет про­должать разливку в то время, пока один опорожненный большой разливочный ковш заменяют другим.

Применение промежуточных ковшей имеет ряд недостатков:

1. дополнительная поверхность контакта струи металла с окру­жающим воздухом между большим разливочным и промежуточным ковшами вызывает дополнительное вторичное окисление металла и взаимодействие его с воздухом;
2. дополнительная операция пропуска металла через промежуточный ковш связана с усиле­нием охлаждения металла.

Отмеченные выше недостатки, связанные с использованием промежуточных ковшей, устраняются в результате усовершен­ствования их конструкций. Применяют промежуточные ковши, непосредственно прикрепляемые к большим разливочным (для уменьшения контакта струи с воздухом), ковши с крышкой для уменьшения потерь тепла, ковши с огнеупорными перегородками для улучшения условий всплывания неметаллических включений и т.д.

Изложницы

Изложницы отливают обычно из чугуна (из ва­гранки или иногда из чугуна непосредственно из доменной печи),так как чугун имеет относительно невысокую стоимость, обла­дает хорошими литейными свойствами и отливки из чугуна при нагреве почти не коробятся. В некоторых случаях (например, для отливки крупных кузнечных слитков) изложницы отливают из низкоуглеродистой качественной стали, предварительно подвер­гнутой вакуумированию. Размеры и форма изложницы, опреде­ляющие форму слитка, зависят от следующих факторов:

1. Вида продукции (прокатные слитки поступают в прокатный цех, кузнечные — в кузнечно-прессовый).
2. Назначения (для получения сортовой заготовки исполь­зуют обычно слитки квадратного сечения, для проката на лист — прямоугольного, для получения труб, колес, бандажей — круг­лого или многогранного).
3. Мощности прокатных станов (от этого зависят масса и раз­меры слитка).
4. Степени раскисленности (слитки спокойной и кипящей стали имеют обычно различную форму, соответственно различную форму имеют изложницы).
5. Способа разливки (сверху или сифоном).
6. Требований к качеству металла и его однородности (чем больше масса слитка, тем дольше он застывает, тем в большей степени развиваются в нем ликвационные явления и соответственно неоднородность свойств). Для повышения производительности обжимных станов (блюмингов и слябингов) целесообразно иметь крупные слитки, однако в ряде случаев при отливке крупных слит­ков не обеспечивается нужное качество стали.

Конструкция изложницы должна быть удобна в эксплуатации и иметь возможно более высокую стойкость. Стойкость излож­ниц зависит от состава и качества чугуна, из которого изложница изготовлена, состава и температуры разливаемой стали, от усло­вий эксплуатации изложниц в данном цехе и от конструкции из­ложницы (при данной массе слитка). Для изготовления изложниц обычно используют чугун примерно следующего состава: 3,8%С; 1,8%Si 0,9%Мn; 0,2%Р с минимальным содержанием серы. Некоторое количество хрома в составе чугуна повышает стой­кость изложниц. Стойкость изложниц в значительной степени  зависит от ее жесткости, даже очень небольшое коробление приво­дит к быстрому выходу чугунной изложницы из строя. Это учи­тывают при конструировании изложниц, в частности наружные границы изложницы выполняют не плоскими, а криволинейными, кривизну выбирают противоположной той, которую имели бы плоские грани после прогрева, т. е. в деформированном состоя­нии. Для предупреждения образования продольных трещин торцы изложниц упрочняют стальными бандажами.

Для удобства извлечения слитка из изложницы (или снятия изложницы со слитка) стенки изложниц всегда выполняют с не­которой (1—4 %) конусностью, поэтому изложницы разделяют на расширяющиеся кверху или книзу. Изложницы могут быть с дном и без дна. В первом случае их называют глуходонными, во втором —сквозными. В первом случае слиток извлекают из изложницы, а она остается на месте, во втором изложницы снимают со слитка, сам же слиток остается стоять на поддоне. В тех случаях, когда металл разливают сверху, изложница (или поддон) в месте удара струи быстро выходит из строя, поэтому в данном месте устанавливают сменяемые пробки. Для уменьшения разбрызгивания струи при
ее ударе в донной части изложницы предусмотрено углубление.

На стойкость изложниц влияет не только их конструкция. Увеличение продолжительности выдержки слитков в изложницах вызывает значительный нагрев их стенок, рост зерен чугуна и по­вышение напряжений в стенках изложниц. Стойкость изложниц при этом уменьшается. Снижение стойкости изложниц имеет место и при резких колебаниях температур при охлаждении. Лучшие результаты получают при охлаждении изложниц на воз­духе. Ускоренное охлаждение изложниц водой снижает их стой­кость. Оптимальная температура изложниц перед разливкой 50—100 °С; при более высокой температуре наружная корка затверде­вающего слитка остается в контакте с изложницей более длитель­ное время, что ускоряет износ. В тех случаях, когда температура изложницы ниже допускаемой, есть опасность, что на холодных поверхностях конденсируется влага воздуха и может быть ухуд­шено качество стали.

Имеет значение также взаимное расположение изложниц: оно должно быть таким, чтобы обеспечивалась возможность естествен­ного равномерного охлаждения со всех сторон. Стойкость излож­ниц в зависимости от перечисленных факторов может составлять от 50 до 150 наливов, а расход изложниц — от 1,5 до 2,5 % от массы отлитых слитков. Производство изложниц в СССР превы­шает 3,5 млн. т/год. В расчетах для упрощения массу изложницы в среднем можно принимать равной массе слитка. Важнейшей характеристикой изложницы является отношение высоты к услов­ному диаметру слитка H/D. При этом принимают, что условный (диаметр D =√F , где F — площадь поперечного сечения средней по высоте части слитка (или F = D²).

Отношение H/D в значительной мере определяет внутреннее строение слитка. Обычно для углеродистой стали это отношение равно 3—3,5, для высококачественной легированной 2,5—3,3. Для получения более плотного слитка оно при данном сечении должно быть ниже (улучшены условия газовыделения), однако для повышения производительно­сти обжимных прокатных станов желательно, чтобы высота (длина) слитка была больше. На практике обычно принимают компромисс­ное решение (рисунок 9).

Изложницы для получения куз­нечных слитков

Конструирова­ние изложниц для получения крупных (до 350—400 т) слитков имеет свои особенности. Учитывая высокую стоимость получения крупных поковок, к изложницам предъявляют повышенные требо­вания: строго ограничивают разностенность (обычно не более 8 %); на рабочей поверхности недопус­тимо появление заметных дефектов (например, глубиной> 3 мм), каж­дая изложница должна иметь ли­тую маркировку, на каждую изложницу составляют паспорт.

При хорошем утеплении верхней части слитка, уширенного к верху, плотность слитка возрастает, а усадочные дефекты распро­страняются на меньшую глубину при уменьшении H/D). Этот прием используют в случаях отливки крупных кузнечных слит­ков, применяемых для изготовления ответственных изделий (рото­ров турбин электростанций, коленчатых валов судовых двигате­лей, крупных артиллерийских орудий, корпусов агрегатов спе­циального назначения и т. п.). При этом приеме (широкий верх слитка при небольшой его высоте) масса головной обрези по отно­шению к массе слитка возрастает, однако последующие операции со слитком (многократная ковка, придание металлу соответ­ствующей конфигурации, сложная термическая обработка и т. д.) настолько дорогостоящие, что некоторое уменьшение выхода годного оправдывается только высоким качеством металла. Конусность крупных кузнечных слитков увеличивают до 4,5—5,5 %, а отношение H/D уменьшается до ~ 2. В необходимых случаях для получения изделий ответственного назначения отно­шение H/D уменьшают даже до 1,1—1,25, а конусность увеличивают до 14—16 %. В качестве примера на рисунки 10 показана схема стандартной двенадцатигранной кузнечной изложницы для заготовок роторов. Наружный диаметр такой изложницы больше высоты. Большое число граней определяется желанием уменьшить удельное давление большой массы жидкого металла на образую­щуюся при кристаллизации корочку слитка и, следовательно, исключить возможные разрывы этой корочки и образование тре­щин. На рисунке 10 показана изложница для отливки заготовок для роторов; величины a, b, с, h, Н и др. имеют определенные для каждого случая значения, установленные соответствующим ГОСТом.