29.03.2018

Охлаждение слитка при непрерывном литье стали и чугуна


Охлаждение слитка при непрерывном литье стали и чугуна до полного затвердевания сопряжено со значительными трудностями из-за сравнительно низкой теплопроводности и является предметом многочисленных исследований.

В этом разделе будут описаны запатентованные способы охлаждения стали.

По предложению Хюльсмейера, в процессе бесслитковой прокатки сталь попадает в зев валков в тестообразном состоянии, т. е. в смеси твердой и жидкой фаз.

Перевод в тестообразное состояние достигается различными путями. Одним из таких путей является продувка стали инертным газом. Газ отводит тепло от металла, не образуя слишком прочной корки. Можно также сжатым газом разделять массу стали и подводить ее к зеву валков разъединенными или соединенными струями, в этом случае сжатый газ является как бы ножом, а также средством охлаждения. Другая возможность заключается в том, что струю стали на выходе из разливочного устройства разделяют на ряд потоков и пропускают их через охлаждающее пространство, наполненное циркулирующим инертным газом, который равномерно охлаждает металл до тестообразного состояния.

Перемешивание стали инертным газом имеет большое значение для образования смешанной твердо-жидкой фазы. Такое устройство представлено на рис. 1747—1752.
На рис. 1747 1 — опрокидывающийся ковш на роликах 2, закрытый кожухом 4 со штуцером 5. Носок ковша 3 ведет к наклоняемому желобу 6, имеющему с нижней стороны камеру 7, накрытую кожухом 8 с отводным штуцером 9. В дне желоба имеются каналы 10.

Расплавленная сталь, поддерживаемая в ковше 1, служащем смесителем, на возможно одном и том же температурном уровне при опрокидывании ковша попадает непрерывным потоком в лоток 3 и на дно желоба 6 и, проходя каналы 10, разделяется на три струи потоками сжатого газа, выходящими из каналов 10. Сжатый газ, подводимый в камеру 7, отводится через штуцер 9. Когда с помощью сжатого газа отводится также часть тепла расплавленного металла, можно окружить желоб 6 охлаждающим кожухом. Каждая из полос затвердевшего металла 11, 12 и 13 подводится к своему калибру в валках прокатного стана.

При использовании машины, показанной на рис. 1748 и 1749, жидкий поток металла, выходящий из ковша 1 через носок 4 в кольцевой желоб колеса 14, разделяется ребрами 15 и роликом 16, охлаждаемым валком 17. Получающиеся полосы металла 11 и 12 удаляются из кольцевого желоба с помощью валка 18.

В машине, показанной на рис. 1750 и 1751, кроме разделения потока жидкого металла последний предварительно калибруется кольцом 19 большого диаметра, которое соединено с колесом 14.

В устройстве, показанном на рис. 1752, три полосы металла проходят через валки по кривым траекториям и прокатываются в один и тот же профиль. Такой подвод металла вызывает образование рыхлости на внешней поверхности металла.

В те же годы Хюльсмейер предложил вводить металл в круглый калибр в валках. На рис. 1753 показаны валки 1 и 2 трубопрокатного стана с двумя затвердевшими полосами 4 и 5 и оправкой 3. Края полос свариваются вследствие высокой пластичности, которую имеет металл, покидая разделительное устройство.
На рис. 1754 показана такая же трубопрокатная клеть с направляющим устройством для трех полос 4, 5 и 6, которые подводятся через клети 7, 5 и 9, деформирующие и подгибающие полосы по кругу. Рычаги 10 регулируют ввод полос в калиброванные валки 1,2 и служат для подвода охлаждающей жидкости к оправке 3.

На pиc. 1755 показано расположение подгибающих валков, которое позволяет легко сменять оправку и упрощает обслуживание

При подводе металла к прокатной клети по желобу охлаждающую среду целесообразно вводить между стенками желоба и металлом, что уменьшает износ желоба.

Наряду с отведением тепла, выделяющегося из расплавленного металла при затвердевании, следует принимать во внимание движение и дополнительное перемешивание стали, чтобы соответствующим расположением и изменением интенсивности охлаждения воздействовать на поток металла и приводить его благодаря этому в колебательное движение или во вращение. Это заменяет разделение и последующее соединение потоков металла, чем достигается не только хороший теплоотвод и защита от преждевременного разрушения стенок желоба, но и образование улучшенной структуры металла.

Для вытягивания затвердевшего металла после выхода его из прокатной клети можно вводить в него стальную проволоку, которая соединяется с разливаемым металлом.

Если должен сохраниться первоначальный состав стали, то применяют только нейтральный газ, например гелий или для некоторых сталей — азот. Можно добавить к охлаждающему газу, например, фосфаты или хроматы, которые улучшают поверхность изготовленного металлического полуфабриката.

Хюльсмейер также предложил заменить сжатый газ расплавленным металлом, например свинцом. Можно вводить листовой свинец с потоком стали в разливочный желоб, что также повышает охлаждающее действие.
Для осуществления этого способа применяют устройства, показанные на рис. 1756—1760. На рис. 1756 показан ковш 1, наполненный жидкой сталью. Сталь подается к выходному отверстию с помощью специального выдавливателя 2 через мундштук и промежуточное разливочное устройство 4 с отверстием 5 и попадает в желоб 6. Газ под давлением вводится в желоб 6 насосами 7 и 8 через ряд сопел 9 и 10. Насосы работают с разными числами оборотов и создают поэтому различное давление и различной силы потоки газа. Газ собирается в сборнике 11 и перед подачей в желоб проходит через холодильник 12. Затвердевший металл 13 покидает желоб в тестообразном или малопластичном состоянии и прокатывается в окончательный профиль на прокатном стане. Желоб 6, показанный на рис. 1757, снабжен соплами, (расположенными по винтовой линии, которые подводят газ тангенциально к основному потоку газа, приводят его во вращение и изолируют от стенок желоба. Желоба с соплами могут быть поворотными.

На рис. 1758 показан желоб 6 с входной воронкой 3, который с торцовой стороны имеет отверстие 14 для введения свинцового желоба, отводящего тепло и изолирующего потоки стали от стенок желоба.

В устройстве на рис. 1759 свинцовый лист 15 проходит через профильные валки, придающие листу форму желоба, и скользит по охлаждающему устройству 16. Поток жидкой стали 17 удаляется с желоба в затвердевшем состоянии.

В устройстве на рис. 1760 проволока 18 в виде замкнутой петли проходит через свинцовую ванну 19 и два валка 20. Из корпуса желоба 11 авинец, расплавившийся в желобе, стекает по трубопроводу 21 в свинцовую ванну 19, где и охлаждается. В 1944 г. Хюльсмейер предложил перед введением слитка в прокатный стан пропускать его через камеру охлаждения.

При непосредственном охлаждении металлическими стенками образуется прочная внешняя корка с жидкой или затвердевшей сердцевиной, которая мало пригодна для прокатки.

Жидкая сталь, вытекая одним или несколькими потоками, должна пройти через охлаждающее устройство с циркулирующим инертным газом, которое устроено таким образом, что теплоотвод происходит непрерывно, а температура камеры не превышает определенной максимальной величины. Инертный газ охлаждается при циркуляции. Длину камеры следует избирать так, чтобы тепло еще жидкой сердцевины отлитого металла могло отводиться через уже затвердевшую внешнюю корочку для образования однородного жидко-твердого состояния. Выравнивать температуру перед введением затвердевшего стального слитка в прокатный стан можно в свинцовых ваннах.

Далее Хюльсмейер предложил механически перемешивать жидкую сталь охлаждающей средой. Введение охлаждающего газа в сталь позволяет осуществлять охлаждение на определенном участке, например на выходе, и здесь переводить сталь в жидко-твердое состояние.
На рис. 1761 показан такой преобразователь, состоящий из копильника 1, небольшого конвертера 4 и охлаждающего устройства 8. В копильнике 1 с впускным отверстием 2 помещается поршень 3, опусканием которого регулируется уровень зеркала стали в конвертере 4. На дне и боковых стенках конвертера 4 имеются продувочные сопла 5. Охлаждающий газ подводится по трубопроводам 6. Разливочное отверстие 7 конвертера примыкает к охлаждающему устройству 8, имеющему гофрированные стенки. Затвердевшая сталь профилируется, проходя через Мундштук 9.

Сталь, продуваемая в конвертере 4, попадает через разливочное отверстие 7 в охлаждающее устройство 8, в котором перемещается под действием собственного веса. Температура стального прутка на выходе из разливочного отверстия составляет 1200—1300° и определяется температурой охлаждающей воды.

Устройство, представленное на рис. 1762, отличается от вышеописанного наличием четырех разливочных отверстий, камерой 10 с циркулирующим охлаждающим газом, скручивающим мундштуком 11 с приводом 12 и свинцовой ванной 13. Сталь, вытекающая из конвертера 4, может соединяться или скручиваться вращающимся мундштуком. В свинцовой ванне выравнивается температура.

В устройстве, приведенном на рис. 1763 и 1764, новым элементом является смесительная и продувочная головка 14, которая закрепляется на полом валу 15, имеющем каналы для прохода охлаждающего газа и жидкости. Головка помещается над разливочным отверстием конвертера и может также служить стопором. Головка (имеет яйцеобразную форму и разделена на концентрические камеры 16 — для охлаждающего газа и 17 — для охлаждающей воды. На внешней стенке имеются продувочные отверстия и ребра 18. Головка подвешивается на кронштейне и при открывании разливочного отверстия 7 поднимается с помощью специального привода. Сталь, попадающая в малый конвертер, частично охлаждается газом, поступающим из трубопровода 6. Вязкость отливаемой стали определяется головкой 14, привод которой позволяет производить автоматическую регулировку. Как только вязкость стали повышается, уменьшается число оборотов головки 14, что воздействует на регулятор, дросселирующий подачу охлаждающего газа, и степень охлаждения уменьшается.

Фирма Huttenwerk Huckingen HG в 1951 г. предложила для разливки стали или чугуна расположить один над другим два кристаллизатора, в верхнем из которых формовать, а в нижнем — охлаждать слиток.

Чтобы уменьшить глубину лунки жидкого металла при непрерывном литье стали в коротком охлаждаемом кристаллизаторе, по предложению, сделанному фирмой Deutshe Edelstahlwerke AG, металл во время разливки должен охлаждаться от головной жидкой части слитка, при этом также удаляются газы. Вследствие уменьшения глубины лунки жидкого металла можно повышать скорость вытягивания затвердевшего слитка.

Охлаждение должно осуществляться с помощью медных труб. Чтобы одновременно удалять газ, целесообразно изготовлять медные трубы с водоохлаждаемыми вращающимися или колеблющимися перемешивающими створками, которые также целесообразно делать медными.

Охлаждающее устройство дает возможность воздействовать на расплавленный металл ультразвуком, связывая охлаждающие вещества с источником ультразвуковых колебаний. Подвижные створки можно соединить с источником ультразвука, удваивая его действие.

При соответствующей форме перемешивающих створок удается уменьшить гидростатическое давление на стенки кристаллизатора и в значительной степени ограничить, таким образом, опасность прорыва металла в этих участках. Одновременно достигается столь полное удаление газов, которое невозможно получить только одним перемешиванием расплавленного металла.

Даже тонкостенные охлаждающие кристаллизаторы незначительно разъедаются металлом. Внутри кристаллизатора образуется поверхностная корка из затвердевшей стали, оказывающая защитное действие и обеспечивающая длительное и безопасное использование кристаллизатора.

При охлаждении головной жидкой части слитка может образоваться почти горизонтальный фронт кристаллизации, что дает возможность отводить тепло от поверхности средами, оказывающими более мягкое действие, чем вода, например, воздухом, находящимся в обычном состоянии или подаваемом под давлением. Воду нельзя применять в качестве охлаждающей среды для многих сортов стали и сплавов на железной основе, к которым относятся сплавы с большим содержанием железа, но не являющиеся сталями в обычном их понимании, например стеллиты, железоникельалюминиевые сплавы, желевотитанокобальтовые сплавы, которые применяются для изготовления постоянных магнитов.

В 1936 г. Вильямс использовал описанный ранее кристаллизатор главным образом для разливки стали и провел успешные опыты на установке компании Williams Engineering Co.

Для протекания охлаждающей жидкости через узкую камеру охлаждения было необходимо подавать жидкость под высоким давлением, что вызывало трудность, так как стенки кристаллизатора должны быть достаточно толстыми, чтобы выдерживать давление охлаждающей жидкости. Эта трудность была преодолена в 1939 г., когда жидкость подавалась с помощью насоса. Это было особенно важно, когда применялись квадратные и прямоугольные сечения кристаллизаторов.

Ссылаясь на трудности непрерывного литья металлов с высокой температурой плавления, как например стали, Рохлинг в 1949 г. предложил впрыскивать охлаждающую воду в зазор между слитком и стенкой кристаллизатора под таким высоким давлением и с такой скоростью истечения, чтобы сдувался пар, образовавшийся от струй охлаждающей воды. Для охлаждения не всегда применяют холодную воду. Можно собирать воду, нагретую в кристаллизаторе, и вновь подавать в зазор кристаллизатора.

Хотя при охлаждении слитка водой происходит свободное парообразование, можно поддерживать охлаждающее пространство под давлением и использовать кристаллизатор как паровой «котел», получая пар под давлением от 2 до 10 ати, который легче использовать, чем пар, имеющий атмосферное давление. При этом можно получать 0,3 т пара на каждую тонну стали.

Такой способ применим также и при непрерывном литье, когда кристаллизатор имеет жаропрочную металлическую или неметаллическую футеровку, например из вольфрама или окислов циркония.

На рис. 1765 и 1766 показаны два взаимно перпендикулярных сечения такой установки.
Из разливочного ковша 1 сталь через отверстие 2 поступает в разливочное устройство, которое состоит из кожуха 4 из жаропрочной стали и футеровки 5 из огнеупорной керамической массы. Разливочное отверстие закрывается стопором 3. К разливочному устройству 4 и 5 примыкает верхняя часть кристаллизатора 6. Установка может работать с несколькими кристаллизаторами. Вокруг кристаллизатора располагается стальная труба 7, через которую охлаждающая вода под высоким давлением разбрызгивается на внешние стенки кристаллизатора. Дальнейшее охлаждение осуществляется в кристаллизаторе 8 с водяным кожухом или на воздухе.

В нижней части разливочного ковша вокруг отверстия 2 имеется воротник 9, находящийся в кольцевом пространстве 10, в котором находится вода, масло, смола, жидкий свинец и т. п., уплотняющие пространство 11, где подается защитный газ. Для контроля высоты металла в пространстве 4—5 служит уровнемер 12.

При непрерывном литье металлов с высокой температурой плавления, например стали и чугуна, особенно велико количество тепла, отводимого внешними стенками кристаллизатора, охлаждаемого жидкостью, причем для хорошего действия охлаждения на слиток температура кристаллизатора поддерживается как можно ниже. Величина теплопередачи между внешними стенками кристаллизатора и охлаждающей жидкостью должна быть очень большой и увеличиваться пропорционально скорости протекания охлаждающей жидкости. Если хотят получить теплопередачу величиной в 20 000 ккал/м2*час*град при температуре воды 10°, то скорость воды должна составлять около 8 м/сек; при теплопередаче в 50 000 ккал/м2*час*град скорость воды должна равняться 25 м/сек.

Исключительно большой неэкономичный расход воды получается при незначительном увеличении проточного сечения щели в кристаллизаторе. Уменьшить пространство охлаждения до величины зазора в 0,6 мм очень трудно, так как даже небольшая остаточная деформация металлических частей приводит к сильному изменению поперечного сечения кристаллизатора. Спиральные каналы в охлаждающем кожухе непригодны при разливке стали. Устройство, описанное на стр. 270, не может применяться для металлов с высокой температурой плавления.

По способу фирмы Gebr. Bohler Co AG при непрерывном литье в проходной кристаллизатор охлаждающая вода вводится снизу и выводится сверху. Для повышения скорости протекания воды между кожухом и кристаллизатором она подается из нескольких отверстий тангенциально к кристаллизатору, причем по меньшей мере одно из впускных отверстий (имеет сопло высокого давления и поэтому вода в него поступает под более высоким давлением, чем в остальные. Благодаря этому вся масса воды приводится в быстрое спиралеобразное вращение вокруг (кристаллизатора. Расход воды и ее давление при этом уменьшаются.
При охлаждении металла, выходящего из кристаллизатора установки непрерывного литья, с помощью газовых потоков, воздействующих на металл с высокой скоростью, возникает нежелательное местное образование окалины.

По данным фирмы Gebr. Bohler Co AG, этот дефект не возникает при обдувке металла газообразным охладителем (воздухом) с высокой скоростью. Потоки охлаждающей среды подводятся преимущественно тангенциально, как показано на рис. 1767 и 1768. Для повышения охлаждающего действия воздух может подаваться вместе с распыленной водой. По способу Остендорфа, слиток охлаждается обдувкой потоком насыщенного пара до 120—200°, который поступает через специальные форсунки, благодаря чему слиток защищается от образования окалины.

Во избежание образования трещин в слитке при непрерывном литье стали и чугуна в короткий кристаллизатор, по предложению фирмы Vereinigte heichtmetall-Werke GmbH (1944 г.), зона непосредственного охлаждения, примыкающая к кристаллизатору, имеет такую длину, чтобы большая часть сечения слитка оставалась еще полностью жидкой, благодаря чему достигается более равномерное выравнивание температуры между поверхностью и сердцевиной слитка. Дальнейшее охлаждение должно осуществляться на воздухе и деформирование слитка может проводиться без подогрева, так как слиток, покидая разливочную установку, может иметь требуемое теплосодержание. Охлаждающая вода, действующая непосредственно под кристаллизатором и стекающая по слитку, может сдуваться на определенном расстоянии от кристаллизатора косонаклоненными кверху форсунками со сжатым воздухом.

Позднее, в 1949 г., эта фирма предложила такой способ получения слитков без трещин, при котором слиток, выходя из кристаллизатора, вначале очень сильно охлаждается, а затем теплоотвод уменьшается в такой мере, чтобы затвердевание распространилось до середины слитка; например, отливаемый слиток охлаждается вначале водой, а затем смесью воздуха и воды и, наконец, только сжатым воздухом, что препятствует стенанию охлаждающей воды по слитку. Можно также под кристаллизатором расположить по кругу форсунки и обдувать слиток холодным воздухом или водяным паром под высоким давлением, ниже на равномерных расстояниях расположить несколько рядов форсунок, которые работают с меньшим давлением.

Из-за плохой теплопроводности большинства металлов с высокой температурой плавления и их сплавов температура в слитке выравнивается очень медленно, что может привести к высоким внутренним напряжениям. Ho даже у жаропрочных сплавов, так же как и у сталей, деформируемых только при высоких температурах, возможно выравнивание температуры по затвердевшему сечению, не вызывающее внутренних напряжений.

Фирма Vereinigte Leichtmetall-Werke GmbH достигла этого благодаря тому, что слиток внутри кристаллизатора или на выходе из него вначале сильно охлаждался прямым струйным охлаждением водой или опусканием в водный раствор соли до участка, где диаметр жидкой сердцевины соответствовал половине диаметра отливаемого слитка, и затем на длине, равной четверти диаметра слитка, он сильно подогревался пламенем горелок. При этом фронт затвердевания быстро проникал внутрь слитка, а температура внешних ранее холодных слоев опять повышалась.

По способу фирмы Wieland-Werke AG (1949 г.) затвердевание корочки слитка начинается непосредственно под зеркалом жидкого металла и достигает такой степени, что слиток может вытягиваться из кристаллизатора, не повреждаясь, а сердцевина слитка охлаждается вне или внутри кристаллизатора с такой скоростью, чтобы можно было удалить газы до затвердевания металла. При этом можно разливать непрерывным способом кипящие марки стали с такой же скоростью, как и спокойные стали, по-видимому, потому, что затвердевает только незначительная часть всего слитка и может возникать неконтролируемое взаимодействие между углеродом и окислами железа и марганца с интенсивностью, необычной для нормальной разливки стали в металлические формы.

При изготовлении шестидюймового слитка температура стали в плавильной печи составляла 1600°. Температура охлаждающей воды на входе в кристаллизаторы было 6°, а на выходе 60° при расходе веды 10 000 л/час. Разливочный стакан, диаметр отверстия которого был равен 7,2 мм, находился ниже зеркала жидкого металла. Производительность разливки составляла 3 т/час. Для уменьшения тепловых напряжений в зоне подачи струи металла в кристаллизатор последний проводился в возвратно-поступательное движение с числом ходов в минуту 12 и величиной хода 28 мм.

При непрерывном литье стали по способу Юнганса (1949 г.) жидкий металл быстро образует прочную поверхностную корочку и затвердевание происходит на таком расстоянии от зеркала металла, что давление жидкого металла уменьшает возможность возникновения пустот в слитке и образование ликвации. Такая установка показана на рис. 1769. В кристаллизаторе 1 из-за резкого охлаждения образуется корочка 2, которую по выходе из кристаллизатора можно получить определенной толщины и при определенной температуре. С этой целью слиток проходит через выравнивающую температуру камеру 3, содержащую, например, подогретый воздух.
Высота L у слитка диаметром 100 мм равна. 2400 мм, а давление жидкого металла 1,7 ати. Слиток выходит из кристаллизатора с температурой поверхности примерно 1300° и проходит газовую камеру с подогретым до 600° газом. Выходя из камеры, слиток имеет температуру поверхности 1150°. Таисии образом можно изготовлять слитки очень хорошего качества без ликвации и губчатой структуры.

Однако в 1951 г. было показано, что, несмотря на соблюдение описанных условий, внутри слитка могут возникать осевые трещины при обжатии еще не затвердевшего полностью слитка тянущими валками.

На рис. 1770 показана такая трещина. Чтобы обеспечить все же надежное направление слитка, следует предусмотреть между кристаллизатором и тянущими валками пару холостых роликов 4 и 5.

Для хорошей отливки, особенно когда она имеет низкую теплопроводность жидком состоянии, и улучшения охлаждающего действия вдоль длинной оси кристаллизатора фирмы August Thyssen-Hiitte AG и Hiittenwerk Horde AG предложили применять резкое охлаждение металла в нижней части кристаллизатора с тем, чтобы слиток при выходе из него затвердевал по всему сечению.

По предложению фирмы AG fur Unternehmungen der Eisenund Stahlindustrie с целью устранения усадочной раковины и ликвации, а также размельчения первичной структуры при непрерывном литье стали, чугуна и других металлов с высокой температурой плавления целесообразно подавать охлаждающую среду на затвердевающий слиток в зоне непосредственного охлаждения с высокой скоростью, закрывая слиток кожухом. Кожух 2 (рис. 1771), окружающий кристаллизатор 1, удлиняется .шизу, благодаря чему интенсивность охлаждения по сравнению с обрызгиванием водой или окунанием в воду увеличивается во много раз. Для регулирования интенсивности охлаждения по периметру слитка охлаждающая среда может распределяться неравномерно.
На рис. 1772 показана схема горизонтальной установки непрерывного литья стали, предложенной в 1955 г. Мортекcом. Расплавленный металл из ковша 1 через подогревательную печь 2 и промежуточный ковш 3 поступает в разливочный желоб и попадает в водоохлаждаемый кристаллизатор 5 через канал 4 из огнеупорной массы. После прохождения через кристаллизатор 5 слиток попадает в кристаллизатор 6, стенки которого имеют размеры, выполненные с учетом усадки слитка, для сплошного прилегания его к стенкам кристаллизатора и более действенного охлаждения. По опорным роликам 7 слиток, выходя из кристаллизатора, попадает в прокатный стан 8, который, деформируя металл, удаляет отлитый слиток из кристаллизатора. Пройдя печь 9, слиток попадает в прокатный стан 10.

На рис. 1773 показана часть кристаллизатора 5, в котором затвердевает слиток. Стенки кристаллизатора могут изготавливаться, например, из латуни.

На рис. 1774—1775 показан кристаллизатор 6, имеющий регулировку расстояния между стенками кристаллизатора с помощью клиньев 1 для подгонки стенок кристаллизатора к охлаждаемому слитку.

На рисунке показан клин 1, устанавливаемый болтом 2 и гайкой 3. Этот кристаллизатор регулируется только в начале разливки.

Фирма Gebr. Bohler Co AG в 1950 г. предложила при непрерывном литье охлаждать слиток в начале разливки с большой скоростью до образования тонкой прочной корочки, а затем с уменьшенной, чтобы пройти область температур, при которой появляются трещины, и после этого вновь повысить скорость охлаждения. Скорость охлаждения можно регулировать с помощью кристаллизатора, имеющего разную толщину стенок. На участке, где желательно получить больший теплоотвод, толщина стенки составляет, например, 2—3 мм, а в участках, где следует уменьшить интенсивность охлаждения, толщину стенки увеличивают до 10—20 мм. У стальных кристаллизаторов при изменении толщины стенки от 2 до 20 мм величина теплопередачи уменьшается от 320 до 230 ккал/м2*час*град. Кристаллизаторы с изменяющейся толщиной стенки особенно выгодно применять при разливке высоколегированных сталей.

При непрерывном литье стали и чугуна в тонкостенные металлические кристаллизаторы возможно увеличение толщины затвердевшей корочки минимум по 0,25 мм на каждый сантиметр длины отливаемого слитка, общая длина которого составляет от 3 до 10 диаметров. Охлаждение слитка вне кристаллизатора по дальнейшему предложению той же фирмы (1951 г.) регулируется таким способом, что температура поверхности его до полного затвердевания не превышает 1100° и не опускается ниже 750°. Таким образом устраняется опасность слишком резкого охлаждения, которое может привести к разрывам корочки слитка.

Для осуществления другого способа, предложенного в 1952 г. фирмой Gebr. Bohler Co AG, слиток, выходящий из кристаллизатора, охлаждается непосредственным соприкосновением с охлаждающей средой до такого состояния, чтобы выравнять температуру слитка по всему поперечному сечению.

После прохождения зоны охлаждения отливаемый слиток должен иметь постоянную температуру. При разливке стали с плохой теплопроводностью температура внешней зоны слитка незначительно, но равномерно понижается до затвердевания его сердцевины. Таким образом при больших скоростях вытягивания слитка достигается однородная структура по всему сечению отливаемого слитка.

Отвод тепла от сердцевины к периферии слитка может быть осуществлен только тогда, когда скорость вытягивания слитка изменяется, а подводимое количество охлаждающей среды регулируется Поэтому та же фирма в 1952 г. предложила расположить спрейеры (брызгала) на значительном расстоянии от выходного участка кристаллизатора. Если раскаленный слиток обрызгивается охлаждающей водой, то образующееся облако пара мешает наблюдению за процессом вытягивания слитка. Для удаления облака пара спрейеры по всей их длине накрывают тонкими листами, на которых пар конденсируется и образующаяся вода стекает.

При непрерывном литье металлов с высокой температурой плавления стремятся к возможно большей скорости вытягивания слитка, но при этом возникает опасность возникновения неоднородности в свойствах отлитого слитка. При слишком резком вторичном охлаждении получается различная структура между сердцевиной и внешней поверхностной зоной слитка. Поэтому требуется такой способ охлаждения, при котором слиток отдает большое количество тепла, не создавая разнородную структуру.

Фирма Gebr. Bohler Co AG предложила в 1953 г. так вести вторичное охлаждение слитка, чтобы скорость затвердевания оставалась постоянной по сечению слитка. Для этого у круглых слитков охлаждение осуществляется вначале более интенсивно, а затем постепенно по мере удаления слитка от кристаллизатора уменьшается, а у прямоугольных сечений, на длинной грани — с равномерной интенсивностью, но там, где жидкая сердцевина кончается, интенсивность охлаждения усиливается. При выполнении этих условий получается равномерное затвердевание слитка и особенно хорошая однородность слитков по всему сечению.
На рис. 1776 показан фронт кристаллизации (затвердевания) 1 по ранее известным способам охлаждения и 2 — по предлагаемому методу. При обычных способах охлаждения затвердевание идет следующим образом. Внутри кристаллизатора расплавленный металл быстро затвердевает у стенок. Скорость кристаллизации уменьшается с увеличением толщины затвердевшей Корки из-за понижения теплопроводности в затвердевшей части слитка и появления воздушного зазора между слитком и стенками кристаллизатора. После выхода слитка из кристаллизатора из-за большой толщины затвердевшей корки непосредственное вторичное охлаждение не оказывает такого сильного действия и жидкая фаза сердцевины имеет куполообразную форму значительной глубины. При этом возникает опасность появления «мостиков» и усадочных раковин. По новому способу литья скорость кристаллизации в единицу времени остается постоянной и может быть выражена формулой dr = const (см. 2 на рис. 1776). Такое состояние охлаждения может быть создано соответствующим расположением спрейеров.

Фирма Mannesmann-Huttenwerke AG в 1951 г. определила, что максимальная скорость вытягивания слитка при разливке стали и чугуна зависит от температуры металла. Так, яри разливке хромомолибденовой стали в заготовку диаметром 130 мм первоначальная скорость вытягивания составляла 0,7 м/мин при 1600°, с понижением температуры до 1510° скорость была увеличена до 1,15 м/мин. Поэтому эта фирма предложила повышать скорость вытягивания по мере падения температуры металла.

В 1944 г. Андрюс установил, что охлаждать стальные и чугунные слитки при разливке намного сложнее, чем из меди или ее сплавов. При этом скорость охлаждения влияет не только на обрабатываемость и прочностные свойства, но и на величину зерна в стальном слитке и форму графита в чугуне. Он предложил вытягивать с определенной скоростью чугунные слитки из насадки определенной длины, изготовленные из графита и постоянно наполненные расплавленным металлом, и поддерживать температуру в таких границах, чтобы получать желаемую структуру и физические свойства отливаемого металла. Обычно насадку вблизи входа металла в нее подогревают и около выхода металла охлаждают. Так как чугун при выделении графита расширяется, то целесообразно также расширить диаметр насадки к выходной стороне. Можно одновременно разливать металл из одной печи в несколько насадок.

Скорость охлаждения серого чугуна 5° в 1 сек. и в зависимости от состава может варьировать до 100° в 1 сек. При разливке аустенитных чугунов скорость охлаждения следует поддерживать очень низкой, чтобы можно было присаживать твердую шихту.

На рис. 1777 и 1778 показана установка для осуществления этого способа непрерывного литья. Можно применять также наклонные и вертикальные насадки, которые устанавливаются в ванну расплавленного металла и слиток из которых вытягивается вверх.
По предложению фирмы Eisenwerke Gelsenkirchen AG (1948 г.), при непрерывном литье передельного чугуна используют разливочное устройство, в котором находится расплавленный чугун при температуре свыше 720° (преимущественно порядка 800—1000°). Получают продукцию в виде отдельных болванок, охлаждающихся с небольшой скоростью для образования механической смеси мелких кристаллов металла и графита.

Чугун, разлитый непрерывным способом, имеет по сечению сильно различающуюся структуру. При быстром охлаждении в чугуне выделяется углерод не в форме графита, а в виде карбидов железа, и внешние зоны полуфабриката становятся такими твердыми и хрупкими, что возникает необходимость последующего отжига. Для ускорения распада карбидов железа в поверхностных слоях, по предложению фирмы Eisenwerke Gelsenkirchen AG (1951 г.), непрерывный чугунный слиток выдерживают определенное время при температуре выше 900°, чтобы цементит, образовавшийся благодаря значительному теплоотводу, распался под действием тепла самого слитка. Скорость охлаждения может уменьшаться, например, при прохождении слитком теплоизолированной камеры, которая при необходимости может дополнительно подогреваться. Время, потребное для выдержки слитка при температуре выше 900°, зависит от величины поперечного сечения слитка и составляет от одной до десяти минут.

Снижение интенсивности охлаждения можно достичь с помощью переменного охлаждения при различном теплоотводе в определенных зонах кристаллизатора или оправки. Для этой цели кристаллизатор составляют из нескольких частей, имеющих независимое охлаждение, или же различные сечения кристаллизатора имеют изменяющуюся толщину стенки, или отдельные элементы кристаллизатора изготовлены из материалов с разной теплопроводностью.

По способу фирмы August Thyssen-Hutte AG, сталь в кристаллизаторе затвердевает с поверхности, образуя форму слитка, который до сквозного затвердевания опускается в ванну с расплавленным свинцом. Свинец оказывает на сравнительно тонкую поверхностную корочку всестороннее давление, превышающее ферростатическое давление стали и препятствующее разрыву корочки.

В установке, приведенной на рис. 1779, расплавленная сталь разливается в проходной кристаллизатор 1, находящийся в свинцовой ванне 2 и поднимающийся вместе с зеркалом свинца при вытеснении свинца образующимся слитком.

В установке, приведенной на рис. 1780, расплавленный металл разливается в тонкостенные листовые контейнеры, которые по мере наполнения опускаются все глубже в ванну расплавленного свинца, при этом отдельные части контейнеров постепенно насиживаются одна на другую.

Фирма AG fur Unternehmungen der Eisen und Stahlindustrie (1943 г.) обнаружила, что трещин в слитках из стали и других тугоплавких металлов можно избежать, опуская слиток после затвердевания поверхности в ванну с расплавленным свинцом: затвердевание при этом осуществляется с требуемой скоростью.
Фирма Gebr. Bohler Co AG в 1949 г. предложила при непрерывном литье стали в трубчатый кристаллизатор, открытый с двух сторон, отводить тепло изнутри прочной штангой из того же металла, что и разливаемый. Металл затвердевает тогда от центра к поверхности, если стенки кристаллизатора не отводят тепла. С этой целью применяют кристаллизатор из керамического материала, плохо проводящего тепло. Перед началом разливки кристаллизатор подогревают газовыми горелками примерно до температуры разливаемого материала. Сердцевина слитка может выдерживать определенное напряжение при жидко-твердой внешней зоне. Это можно даже использовать для деформирования слитка в кристаллизаторе 1, как показано на рис. 1781, и размельчать первичные грубые зерна. Так как металл наверху кристаллизатора всегда находится в расплавленном состоянии, то на стенки кристаллизатора частички шлака не могут осаждаться. Для удаления шлака от вводимой штанги 2 (рис. 1781) можно применять кольцо 3 из керамического материала или обдувать его защитным газом.

Затвердевший металл в большинстве случаев содержит включения, которые собираются на внешних зонах слитка. Их можно удалять непосредственно в процессе разливки с помощью специального ножа, как показано на рис. 1782. Этот способ можно осуществить и с горизонтальным кристаллизатором, как показано на рис. 1788. На рис. 1784 показано. как можно изготовлять трубы. Возможно также вместо одной штанги применять несколько или же заменять штанги полосами.
Фирма Gebr Bohler Co AG в 1950 г. рекомендовала применять непрерывное литье заэвтектоидных и ледебуритных сталей в тонкостенный, охлаждаемый жидкостью кристаллизатор, чтобы ,получить благоприятное карбидораспределение, устранить ликвацию и повысить способность к последующей горячей обработке. Затвердевание при этом должно вестись таким образом, чтобы скорость роста кристаллов затвердевающего слитка в радиальном направлении в среднем была не ниже 15—20 мм/мин.

У слитка диаметром 130 мм, разливаемого в кристаллизатор длиной 800 мм со скоростью вытягивания слитка 900 мм/мин, полное затвердевание внутри слитка заканчивалось на длине 1,9 м; общее время охлаждения составляло 2,1 мин., а скорость кристаллизации составляла приблизительно 30 мм/мин.

Заэвтектоидные и ледебуритные стали, разлитые непрерывным способом, можно обрабатывать после вторичного подогрева так же, как и обычные слитки. Слиток диаметрам 130 мм, полученный непрерывным литьем из быстрорежущей стали с содержанием 0,8% С, 18% W, 4% Cr, 2% V и 3% Co, ,после обжатия до 60 мм (пятикратная степень деформации) имел равномерное распределение карбидов и не имел заметной ликвации. Слиток, изготовленный обычным способом, для получения равномерного распределения карбидов должен быть обжат до 35 мм.

Важнейшей характеристикой конструкционных и всех инструментальных сталей наряду с возможно высокой прочностью или твердостью является степень прокаливаемости и связанная с этим способность к термическому улучшению. Добавкой определенных легирующих элементов можно снизить критическую скорость охлаждения. Прокаливаемость может повышаться при использовании резко действующих охлаждающих сред, что, однако, вызывает повышенные закалочные напряжения и опасность появления трещин. Известно благоприятное действие повышенных температур закалки на прокаливаемость, но в большинстве случаев это действие ухудшается при укрупнении зерна. Повышение теплопроводности сталей, подлежащих закалке или термическому улучшению, также приводит к быстрому охлаждению сердцевины детали и улучшает прокаливаемость. По способу, предложенному в 1947 г. фирмой Gebr. Bohler Co AG, который может применяться также и при непрерывном литье, внутри по длине заготовки достигается высокая скорость охлаждения, например для заготовок из конструкционных сталей. Для ускорения охлаждения в продольном направлении устанавливается очень маленькая, по сравнению с обычной, скорость вытягивания заготовки. Благодаря этому тепло of сердцевины отводится более коротким путем, чем при обычном охлаждении. Перепад температуры получается только в одном направлении и зависит от сорта стали, охлаждающих средств способа охлаждения — разбрызгиванием или окунанием — и сечения слитка. Большой перепад температуры возникает при интенсивном охлаждении поверхности затвердевающего слитка до температуры закалки, в то время как сердцевина слитка остается еще жидкой.

В 1949 г. Крайнер и Тарманн опубликовали статью о затвердевании стали, что также было предметам обсуждения в статье Саваджа.

Авторы исследовали условия, при которых можно применять непрерывное литье на сталелитейных заводах, и указали на существенные отличия непрерывного литья стали по сравнению с литьем легких и цветных металлов. На установках непрерывного литья можно изготовлять заготовки для сортовых прокатных станов с хорошей поверхностью и плотной сердцевиной. Скорость разливки стали должна быть высокой, так как применение подогреваемых печей (миксеров) при разливке стали нежелательно.

Важнейшей частью установки непрерывного литья является кристаллизатор. Чтобы получить основы для расчетов кристаллизатора, авторы провели замеры некоторых параметров процесса на тонкостенном водоохлаждаемом кристаллизаторе диаметром 80 мм. Теплопередача между слитком и кристаллизатором равнялась 1500 ккал/м2*час*град и ниже; теплопередача между кристаллизатором и водой должна быть более 20 000 ккал/м2*час*град. На каждый килограмм разливаемой стали следует отводить в кристаллизаторе от 85 до 100 ккал тепла.

Теплоотвод при непрерывном литье стали вследствие ее плохой теплопроводности происходит через боковые стенки кристаллизатора. Некоторые конструкции кристаллизатора при разливке стали допускают возможность вытягивания слитка со скоростью от 1,2 до 2 м/мин. Ho несмотря на это рекомендуется переходить на многоручьевое непрерывное литье, чтобы обеспечить разливку достаточного количества стали в единицу времени.

Для отвода тепла в верхней части кристаллизатора большую роль играют, как показал Тисендорф, скорость движения охлаждающей воды, толщина стенки и материал кристаллизатора. Образование между слитком и кристаллизатором газового (воздушного) слоя толще 0,1 мм не оказывает на теплоотвод большого влияния. Целью приведения в движение кристаллизатора является уменьшение изолирующего влияния газового (воздушного) слоя. Тисендорф доказал исключительную эффективность пульсирующего охлаждения. При круговых колебаниях величина теплоотвода в кристаллизаторе удваивается, а при движении вверх и вниз увеличивается в 1,5 раза. Можно работать с малой частотой, так как теплопередача не зависит от частоты.

Хворинов распространил теорию стационарной разливки на непрерывное литье и получил параболическую зависимость процесса затвердевания от фактора времени, обусловленную сравнительно малой проводимостью стали. При затвердевании в керамических формах и металлических кристаллизаторах без изолировочного слоя теплоотвод возможен только при перепаде температуры между поверхностью затвердевания и стенками кристаллизатора. Чем больше скорость охлаждения, тем выше должен быть перепад температур и тем меньшая часть тепла расплавленного металла находится в общем тепловом потоке. При ускорении интенсивности охлаждения скорость затвердевания не растет пропорционально скорости охлаждения, а постепенно уменьшается.

Теоретически интенсивное охлаждение стали при непрерывном литье диктуется не только необходимостью сократить продолжительность охлаждения, но и другими не менее важными требованиями.

В некоторых случаях, например, можно, повышая интенсивность охлаждения, устранить радиальный отвод тепла, типичный при непрерывном литье стали и отличающийся принципиально от радиально-осевого процесса затвердевания при непрерывном литье цветных металлов с высокой теплопроводностью.

Повышение производительности разливки меньше зависит от интенсивности охлаждения, чем от изменения площади сечения отливаемого слитка. При сравнении нормального затвердевания в кристаллизаторах круглого, квадратного и плоского поперечных сечений получено, что при одинаковой толщине и скорости вытягивания слитка производительность непрерывного литья в три раза больше при изготовлении слитков плоского сечения в виде слябов, чем слитков круглого поперечного сечения.

Большую роль при этом играет качество слитка, так как внутренние пороки — трещины, раковины и ликвация — также зависят от формы поперечного сечения отливаемого слитка. Повышение интенсивности охлаждения на выходе слитка из кристаллизатора, например обрызгиванием водой, может вызвать температурный перепад между поверхностью и зоной затвердевания в 1000°. Затвердевание заканчивается быстрым выравниванием температуры по сечению слитка, что влечет за собой изменение объема и появление термических напряжений. Поэтому усиление охлаждения при окончании затвердевания может вызвать образование трещин. Появление трещин и их величина зависят от сечения слитка и усиливаются у слитков квадратного и круглого поперечного сечений. Соответственно этому охлаждение должно регулироваться, особенно при разливке среднелегированных конструкционных сталей, имеющих большую склонность к образованию внутренних трещин. У высоколегированных сталей эта склонность меньше, и их можно, несмотря на их малую теплопроводность, охлаждать интенсивнее.

Из этих теоретических соображений следует, что непосредственное охлаждение поверхности не должно производиться при температуре ниже 600°.

Легированные конструкционные стали достаточно охлаждать до 900°. Большое значение для успешного непрерывного литья имеет интенсивность затвердевания в начальной стадии образования на отливаемом слитке поверхностной корочки. При этом затвердевание больше зависит от конструкции кристаллизатора, чем от интенсивности его охлаждения.

От скорости нарастания затвердевшей поверхностной корочки в кристаллизаторе зависит возможность повышения скорости разливки и образование трещин. Особенно большое влияние на затвердевание оказывает теплопередача между кристаллизатором и затвердевшим металлом, зазор, образовавшийся из-за усадки затвердевшего слитка, степень перегрева и изолирование кристаллизатора, вызванного действием смазки. Теоретически доказано, что перегрев металла на 10° выше точки ликвидуса вызывает уменьшение фактора «затвердевания» на 8%. Большое значение имеет также температура разливки и поддержание постоянных условий разливки.

Рутес, Николаев, Евтеев и Дружинин в течение двух лет измеряли скорость кристаллизации стали. Для определения глубины лунки жидкого металла применялись изотопы. По их исследованиям, увеличение расхода воды при вторичном непосредственном охлаждении свыше 6 л на 1 кг стали не увеличивает отвода тепла от слитка.

Скворцов, Акименко и Коротков исследовали с помощью гидравлического интегратора процесс затвердевания стального слитка сечением 175х420 мм, полученного непрерывным литьем при скорости вытягивания 0,5—1,0 м/мин, что дало возможность исследовать с достаточной точностью процесс затвердевания и выявить благоприятные производственные условия.

При непрерывном литье между скоростью вытягивания слитка и его площадью поперечного сечения имеется обратная пропорциональность. С увеличением площади поперечного сечения уменьшается скорость вытягивания слитка.

По данным Цикеля, эти зависимости можно выразить следующей формулой:
где S — удельный размер профиля, см;

v — скорость вытягивания слитка, см/сек;

e' — коэффициент пропорциональности.

Если вместо диаметра или стороны квадрата используют величину S, равную частному от деления площади поперечного сечения отливаемого профиля на его периметр, то получается выражение, не зависящее от формы поперечного сечения слитка. Для определенных материалов коэффициент пропорциональности — величина постоянная. Для сплавов железа она равна 3,0—7,0.

Так как поперечное сечение или размер S остается неизменным по длине отливаемого слитка, то при разливке должно осуществляться следующее требование:
Скорость вытягивания слитка следует выбирать соответственно размерам и составу сплава и во время всего процесса литья она должна оставаться неизменной. Она может изменяться только в очень узких пределах, так как даже при оптимальных условиях затвердевания слитка могут возникать литейные пороки.

Производительность непрерывного литья можно определить по формуле
где W — производительность разливки, выражаемая объемом разливаемого металла в единицу времени;

f — величина площади поперечного сечения слитка, см2;

v — скорость вытягивания слитка, см/сек;

n — число ручьев в установке непрерывного литья.

Оба равенства (1) и (2) Цикель изобразил в виде номограммы и рекомендовал установить коэффициент е', соответствующий хорошему качеству отлитых стальных полуфабрикатов.





Яндекс.Метрика