|
Большая часть изложниц
используется для получения слитков стали, предназначенных для последующей
прокатки и ковки.
Значительные объемы производства стали в СССР
предопределили и большое потребление изложниц. Несмотря на все увелй- чивающееся
внедрение непрерывных способов разливки, все же значительное количество стали
будет разливаться в изложницы, например при получении крупнотоннажных
слитков. Качество изложниц, продолжительность их службы определяют качество
слитка и стоимость конечной продукции. Разнообразие конструкций, типоразмеров
изложниц предъявляет существенные (иногда определяющие) требования к выбору
материала и технологии их изготовления.
Анализ работы изложниц показывает, что основной причиной
их выхода из строя является образование и развитие различных трещин. По этой
причине выходит из строя 90 % изложчиц. А. А. Горшков предложил подразделить
трещины на три рода.
Трещины первого рода возникают при резком одностороннем
нагреве стенки. В изложнице они образуются во время заполнения сталью.
Нагреваясь от последней с внутренней (рабочей) поверхности, чугун стремится
расшириться, в результате чего в наружных, более холодных слоях стенки
возникают растягивающие напряжения. Трещины первого рода проходят на всю
глубину стенки и полностью разрушают изложницу.
Трещины второго рода, возникающие и развивающиеся с
внутренней поверхности, постепенно увеличиваются (по глубине и протяженности)
с увеличением числа теплосмен. Причиной их появления и роста являются также
растягивающие напряжения, возникающие от торможения усадки чугуна во время
быстрого охлаждения внутренней поверхности после извлечения слитка из
изложницы.
Причиной образования трещин третьего рода считают
циклически повторяющиеся нагрев и охлаждение чугуна с внутренней стороны
стенки, вызывающие неравномерную пластическую деформацию отдельных зерен.
Совершенно очевидно, что описанные выше процессы
осложняются физико-химическими процессами и прежде всего окислением
поверхности трещин.
Возможность появления всех указанных выше трещин
предопределяют условия работы изложницы. Распределение температуры по толщине
ее стенки в различные периоды формирования слитка показано на 111.
Неравномерность и цикличность нагрева и охлаждения отдельных участков
изложницы являются причиной развития термических напряжений, которые и
вызывают появление трещин. Все другие факторы влияют только на скорость их
развития. К числу таких факторов следует отнести наличие несплошностеи,
изменение фазового и химического состава при циклических нагревах, рост
чугуна, механическое воздействие заливаемой стали и т. д.
В предыдущих главах было показано, что величина
термических напряжений в отливке (изложнице) зависит от перепада температур
(А/) между отдельными ее частями или по сечению стенки, коэффициента
термического сжатия (а), модуля упругости (Е). Способность же выдерживать эти
напряжения без разрушения характеризуется прочностью материала. Исходя из
изложенного, способность материала выдерживать возникающие напряжения —
стойкость против образования трещин В — должна быть прямо пропорциональна
временному сопротивлению ав и обратно пропорциональна а, Еу At. Отметим, что
перепад температур определяется теплопроводностью материала X, и чем выше i,
тем меньше разность температур разных частей (сечений) изложницы. Нельзя
исключать возможность релаксации возникающих напряжений за счет работы
пластической деформации. Повышенную пластичность б сплава следует
рассматривать как фактор, снижающий вероятность образования трещин.
Следовательно, в общем виде функциональная зависимость стойкости материала
против образования трещин
Соответствующие характеристики материала следует учитывать
именно в той температурной области, которая соответствует реальным условиям
службы изложницы. Недооценка этого обстоятельства, т. е. суждение о стойкости
материалов на основе сопоставления их характеристик при нормальной
температуре, часто приводит к ошибочным выводам.
Определенные погрешности вносит также недоучет степени и
полноты фазовых превращений и изменения структуры при циклическом нагреве и
охлаждении.
Следует подчеркнуть, что уделять особое внимание какой-либо
одной или группе перечисленных выше характеристик необходимо с учетом условий
эксплуатации и конструкции изложницы.
Главными показателями, определяющими стойкость материала
изложницы, являются структура чугуна и его фазовый состав. Именно они влияют
на сгв, 6, X, а. Наиболее доступные пути регулирования структуры — изменение
химического состава и скорости охлаждения чугуна в форме.
По данным многочисленных исследований, степень
эвтектичности чугуна для изложниц рекомендуется принимать близкой к единице
(0,97—1,05). Достигать этих значений следует главным образом увеличением
содержания углерода, не повышая концентрацию кремния более 2 %, ибо кремний,
растворяясь в феррите, снижает теплопроводность чугуна и повышает его
хрупкость. Концентрацию углерода и кремния в чугуне рекомендуется
поддерживать соответственно в пределах 3,4—4,2 и 1,4—2,2 %. В чугу- нах для
изложниц массой более 3 т содержание углерода целесообразно поддерживать на
верхнем, а кремний на нижнем пределе.
В отношении оптимальной концентрации марганца нет единого
мнения. Следует отметить, что марганец стабилизирует перлит, упрочняет
металлическую матрицу, в определенной мере нейтрализует серу. Опыт ряда
металлургических заводов свидетельствует о положительном влиянии марганца (до
0,75 %) на стойкость изложниц. Фосфор и сера являются нежелательными
примесями, поэтому их концентрация должна быть минимальной.
Влияние других легирующих элементов (Сг, Ni, Мо, V и др.)
следует оценивать по их воздействию на структуру, степень гра- фитизации,
форму графита.
Выбирая состав и структуру чугуна не следует забывать, что
необходимо стремиться к оптимальному сочетанию теплопроводности, пластических
и прочностных свойств сплава. Изложницы из высокопрочного чугуна с шаровидным
графитом характеризуются более высокой по сравнению с серым чугуном (в 1,5— 2
раза) стойкостью при производстве мелких и средних слитков. Однако стойкость
изложниц из чугуна с пластинчатым графитом для крупных слитков (массой более
50 т) мало отличается от стойкости таких же изложниц из чугуна с шаровидным
графитом.
Более перспективным материалом для изложниц, очевидно,
является чугун с вермикулярным графитом. Особенностью этого материала
является его более высокая (в 1,5 раза) теплопроводность по сравнению с
чугуном, имеющим шаровидный графит. В то же время модуль упругости его
значительно ниже.
Макро- и микроструктура чугуна, как было показано в гл. 9,
кроме состава сплава определяется еще и условиями охлаждения.
В настоящее время на практике регулирование режима охлаждения
ограничено применением кокилей, полупостоянных и разовых песчаных форм.
Наибольшую стойкость имеют изложницы, полученные в разовых песчаных формах,
поскольку в них формируется отливка с наибольшей степенью графитизации чугуна
(ферритно-перлитная матрица) и минимальными остаточными напряжениями.
Особенности технологии изготовления изложниц. Условия
службы изложниц, в отличие от различных чугунных отливок, определяют
особенности технологии их производства.
Прежде всего следует отметить, что наиболее целесообразным
в технико-экономическом отношении является использование чугуна первой
плавки, т. е. без последующего переплава в вагранках или других печах. Это,
как правило, расплав с низким содержанием серы и фосфора, однако в нем
повышено содержание углерода (до 4,7 %), который выделяется в виде спели, его
температура чрезмерно высока и состав непостоянен. Все это вызывает
необходимость дополнительной обработки расплава в ковшах (чугуновозах) или в
специальных печах-отстойниках. Основным недостатком этого способа является
большая продолжительность отстоя (3,5—4 ч) и, следовательно, потребность в
большом количестве промежуточных агрегатов.
Наиболее прогрессивным способом является продувка чугуна
инертными газами (N, Аг), позволяющая интенсифицировать спе- левыделение,
усреднить состав, введением охлаждающих добавок сократить время охлаждения до
заданной температуры заливки в формы. В практике отечественного производства
имеется опыт изготовления изложниц как из передельных, так и из смеси
передельного и литейного чугунов.
Особенности выплавки чугуна для изложниц в вагранках
вызваны необходимостью получения высокого содержания углерода, что
достигается увеличением высоты горна. Не допускается высокий перегрев
расплава (не выше 1300 °С на желобе), использование стального скрапа в
завалке. Таким образом, приемы, применяемые для повышения свойств
машиностроительных отливок, вызывающие увеличение количества связанного
углерода, измельчение графита, в данном случае неприемлемы. Повышение
температуры заливки свыше 1200 °С приводит не только к отрицательному влиянию
на структуру, но и к ухудшению поверхности изложниц, увеличению литейных
напряжений и появлению рыхлот. Заливку форм осуществляют из поворотных или
стопорных ковшей через различные литниковые системы (сифонные, дождевые, на
нескольких уровнях). Тип системы определяется прежде всего массой изложницы и
ее конструкцией.
Из всех видов форм, используемых для отливки изложниц,
наиболее распространены разовые песчаные формы, обеспечивающие высокое
качество изложниц. Процесс изготовления таких форм максимально поддается
механизации и автоматизации.
В зависимости от условий производства и конструкции
изложницы распространение получили два способа изготовления форм; по чистой
модели и раздельной оснастке. Формовочная смесь имеет следующий состав, %:
60—80 отработанной смеси, 5—20 кварцевого песка, 5—20 глины, иногда 10
опилок. На поверхности полости литейной формы и стержня в два-три приема
наносят графитосодержащие покрытия. После сборки формы подсушивают при 350 °С
в течение 1—2 ч.
Залитые чугуном формы охлаждаются до выбивки в зависимости
от массы изложницы в течение 24—100 ч. При ранней выбивке (при температуре
600—700 °С) стойкость изложниц снижается из-за высоких напряжений.
|