Наповнення виливниць металом

Розливання великих сталевих злитків здійснюється двома способами: зверху (рис.5.4) та за сифонною схемою (рис.5.5). Широко відомо, що кожен із цих способів має деякі особливості, які за певних умов можуть давати будь-які технологічні переваги або ж розглядатися як недоліки.

Розливка стали зверху представляється дуже цікавою з погляду формування оптимальних умов формування зливка, оскільки характер наповнення виливниці у разі дозволяє заповнювати прибуток у останню чергу. Тобто, у прибуток потрапляють гарячі порції металу з ковша, які потім підживлюють тіло зливка. У той же час при розливанні сталі у великі зливки через їх велику висоту відбувається розбризкування металу в нижній частині виливниці внаслідок удару струменя об піддон. При цьому на поверхні злитків виникає велика кількість дефектів у вигляді бризок, полон, тріщин, заворотів, підкіркових бульбашок, хвилястості, залівин і т.п.

Для поліпшення якості поверхні застосовують, як раніше зазначалося, мастило виливниць. Слід мати на увазі, що порушення технології мастила призводить до утворення підкіркових бульбашок на злитках та поверхневих дефектів на поковках.

Малюнок 5.4- Схема проміжного ковша та виливниці при розливанні зверху: 1 - проміжний ківш; 2 - виливниця; 3- прибуткова надставка; 4-піддон; 5- вкладиш

Для стабілізації швидкості закінчення сталі, і тим самим, швидкості підйому металу у виливниці, при розливанні сталі у великі зливки зверху використовують так званий проміжний ківш, що дозволяє підтримувати дзеркало металу практично на однаковій висоті і тим самим забезпечує постійнушвидкість закінчення. Проміжний ківш складається із сталевого кожуха, що має всередині футерування з шамотної цеглини або високоглиноземистого бетону. При розливанні ковальських злитків, маса яких перевищує ємність однієї плавки, проміжний ківш служить також як резервуар для рідкої сталі в період заміни сталерозливних ковшів.

Малюнок 5.5- Схема сифонного розливання сталі: 1 – ківш, 2 – центрове проведення, 3 – сифонне проведення, 4 – піддон, 5 – виливниця, 6 – теплоізолююча суміш, 7 – прибуткова надставка

Відповідно, обов'язковою умовою при розливанні зверху є наявність кюмпельного піддону, що сприяє швидкому утворенню подушки рідкого металу і зниження небажаного розбризкування струменя. При цьому в центрі піддону зазвичай укладають сталевий вкладиш товщиною 100-200 мм і тим самим перешкоджають оплавленню піддону і приварюванню зливка до піддону. Тим не менш, в початковий момент розливу поверхневі шари вкладиша дуже швидко нагріваються струменем сталі, що падає, до високої температури і матеріал вкладиша втрачає свою міцність, а струмінь сталі його легко вимиває.

Іноді перед початком розливу кюмпель на 2/3 заповнюють сталлю і дають затвердіти. Проте, такий метод дещо ускладнює та затягує процес розливання загалом.

Розливання сифонним способом (рис.5.5) ґрунтується на принципі сполучених судин. При розливанні сифонним способом струмінь металу через систему вертикального та горизонтального каналів потрапляє у виливницю знизу.

Розливання сифонним способом супроводжується спокійнішим підйомом сталі у виливниці (0,15–0,35 м/хв), що сприятливо впливає на якість зливка.

Час заповнення виливниці може бути розрахований за такою формулою:

Відомо щосифонне розливання забезпечує більш високу якість поверхні злитків і дозволяє зменшити відповідно до цього витрати на зачищення металу. Однак, при такому способі розливання підготовка канави вимагає більше часу та засобів, ніж при розливанні зверху; крім того, збільшуються втрати металу (литники, аварійний скрап).

Для оцінки методу розливання стали необхідно розглядати техніко-економічні показники всього виробництва загалом. З цього погляду результати дослідних плавок, проведених одному заводі, є показовими.

Для порівняння техніко-економічних показників процесу розливання стали зазначеними двома способами необхідно враховувати втрати металу під час розливання та на зачистці, витрати праці на підготовку виливниць, надставок та піддонів, вогнетривкого запасу, зачистку заготовок, розливання сталі, вартість розливання та зачистки, капітальні витрати, продуктивність розливних прольотів та ін.

Значною перевагою сифонного способу розливу є можливість наповнення виливниці під шаром теплоізолюючої суміші, що не тільки перешкоджає окисленню на поверхні дзеркала металу, але й дає можливість суттєвого підвищення якості зливкової поверхні. Застосовувані на практиці суміші являють собою легкі тонкодисперсні, низькотеплопровідні порошки, що мають порівняно високу температуру плавлення і низьку рідину при високих температурах. Ці порошки подаються на дзеркало металу до початку розливання або ранній стадії заповнення виливниць.

Механізм роботи теплоізолюючих сумішей має комплексний характер, оскільки в процесі заповнення виливниці вона є тришаровою системою, що складається з рідкого шлаку, спеклого шару і шару залишкового теплоізолюючого порошку. Так якнижній шар теплоізолюючої суміші, що розташовується безпосередньо на дзеркалі металу, розплавляється, він виконує функції захисту поверхні металу від окислення, поглинання спливаючих до поверхні неметалевих включень, а також затікає в зазор між меніском і стінкою виливниці, утворюючи прошарок шлаку між зливком і стінками. Шлаковий прошарок між внутрішньою поверхнею виливниці і зливком знижує швидкість охолодження в скоринці в початковий період формування зливка і, тим самим, зменшує можливість порушення суцільності поверхні злитка. Шар шлаку на межі виливниця-злиток запобігає також затіканню металу в нерівності стінок виливниці і сприяє розвитку вільної усадки сталі в процесі затвердіння. Спеклий шар є хіба що перегородкою, демпфирующей вирування металу у изложнице, забезпечуючи цим збереження залишкового, верхнього шару. Верхній шар, що має порошкоподібну будову, має високу рухливість і рівномірно розподіляється по поверхні металу, забезпечуючи хорошу теплоізоляцію дзеркала.

Аналіз умов взаємодії теплоізолюючих сумішей з потоками рідкого металу, що надходить у виливницю при сифонному розливанні, показав, що для зменшення забруднення донної частини зливка частинками суміші бажано виключити прямий контакт суміші з донною частиною виливниці. З цією метою пакети із сумішшю підвішують або зміцнюють за допомогою дерев'яних рамок на деякому віддаленні від дна виливниці.

Найбільше практичне застосування отримали теплоізолюючі суміші на базі кам'яновугільної золи ТЕС, вермікуліту, перліту та деяких інших матеріалів. Розроблені в даний час спеціалізовані суміші на базі низьковуглецевої золи ТЕС призначені для відливання сифонним способом злитків різнихтипів практично всього сортаменту виробленої сталі. Як правило, суміші містять аморфний графіт або вуглецевмісні добавки (до 30%), які перешкоджають спіканню та плавленню порошків. Витрата таких сумішей становить 1,5-2,5 кг/т. Основні вимоги до теплоізолюючих сумішей можуть бути сформульовані таким чином:

температура плавлення повинна бути в межах 1100 – 1350 про С;
в'язкість рідкої суміші повинна становити 0,2–0,6 Па*с при оптимальній температурі металу, що розливається, у виливниці;
рідкий шлак не повинен значно змінювати свою в'язкість у межах можливого коливання температур, що виникає в процесі розливання, тобто має бути «довгим»;
рідкий прошарок шлаку повинен добре змочувати оксиди на поверхні металу та знижувати поверхневий натяг сталі.

У практиці розливання великих сталевих злитків досить широке застосування отримали звані екзотермічні суміші, тобто, суміші, у процесі яких відбувається виділення теплоти у метал прибутку. До екзотермічних сумішей пред'являються такі вимоги: висока теплотворна здатність, що забезпечує розплавлення компонентів та компенсацію втрат тепла, велика швидкість згоряння, вибухобезпечність, мінімальне виділення шкідливих газів, високий ступінь асиміляції неметалевих включень. До складу екзотермічних сумішей входять горючі, кисневмісні та шлакоутворюючі компоненти. Як горючі матеріали використовують алюміній або силікокальцій. Окислювачами в шлакоутворювальних сумішах служать натрієва селітра, марганцева руда, окалина, залізорудні концентрати. Функції шлакоутворюючих компонентів у сумішах виконують доменний шлак, силікатна брила, плавиковий шпат та ін.

Екзотермічну суміш перед початком розливу зазвичай поміщають на дно виливниці. Наявність у складі такої суміші магнію або силікокальцію викликає при її згорянні сильний піроефект та супроводжується виділенням великої кількості диму. Вміст в екзотермічній суміші селітри та плавикового шпату викликає забруднення повітря на робочому майданчику, що перешкоджає масовому використанню таких сумішей. Крім того, зазначені суміші є відносно дорогими, складні у виготовленні та зберіганні через велику кількість компонентів та вибухонебезпечності.

В даний час у зарубіжній та вітчизняній практиці широко застосовується високоефективне теплоізолююче покриття на основі золи рисового лушпиння. Воно має дуже високі теплоізолюючі властивості. Існують різні версії композиційного складу цих сумішей, які відрізняються незначними добавками інших рослинних відходів (наприклад, зола соняшникової лушпиння тощо). Однак, найкращі результати показує саме чистий зол рисового лушпиння. При контакті з рідкою сталлю вона швидко формує рідку плівку, яка різко зменшує поглинання кисню та азоту рідкою сталлю. У той самий час це покриття поглинає неметалеві включення (оксиди алюмінію), що у рідкої сталі, перешкоджаючи утворенню настилів в проміжних ковшах.

Властивості золи рисового лушпиння в області точки плавлення матеріалу є оптимальними для експлуатації. Над тонким розплавленим шаром покриття залишається у стабільно твердому стані та зберігає свої високі ізолюючі властивості. Його низька насипна маса гарантує максимальну теплоізоляцію за низького коефіцієнта витрати матеріалу. На практиці встановлено, що при використанні золи рисового лушпиння вихід придатного може бути підвищений на 2-4% порівняно звикористанням синтетичних теплоізолюючих сумішей.

У цілому ж теплоізолюючі суміші, що застосовуються для розливання великих злитків, повинні мати високу рухливість, легкість, низьку теплопровідність і високу температуру плавлення, тобто властивостями, що визначають якість утеплення дзеркала металу в процесі розливу і затвердіння злитків. Вибір конкретної суміші для розливу великих зливків повинен проводитись на підставі випробувань у виробничих умовах. У цьому має значення як склад суміші, а й спосіб її подачі у виливницю.