Готовая сталь после окончания процесса плавки выпускается в разливочный ковш и разливается при помощи крана. Из конвертора сталь выпускается в ковш путем наклона, а из мартеновских и электрических печей - по выпускному желобу. Из ковша сталь разливают в чугунные изложницы для получения слитков и в земляные или в металлические формы для получения фасонных отливок.

Ковши для разливки стали чаще всего делаются стопорными. сталь из таких ковшей разливается через отверстие в особом огнеупорном стакане 1 (рис.1), вставленном в днище. Выпуск стали приостанавливается стопором 5, который представляет собой стальной стержень, защищенный от действия металла и шлака огнеупорными трубками с укрепленной снизу специальной пробкой 7, закрывающей отверстие в стакане. Пробки и стаканы изготовляются из шамота, графита и магнезита. Стопор с помощью вилки соединен с рычажным механизмом 4, служащим для поднятия и опускания его при открытии и закрытии отверстия во время разливки. Кожух 3 ковша изготовляется из листовой стали. По окружности он опоясывается стальным кольцом с цапфами 6, служащими для захвата крюками мостового разливочного крана. Футеруют ковш шамотным кирпичом. Футеровка 2 ковшей делается тщательно, с незначительной толщиной швов во избежание разрушения металлом. Стойкость футеровки составляет 25-50 плавок. Перед наполнением жидким металлом ковши сушат и нагревают до 700-800° С.

Изложницы, в которые заливается сталь, отливаются главным образом из чугуна и редко из стали. Размеры изложниц зависят от веса заливаемого слитка, который достигает от 100 кг до 100 т и более.

Стойкость чугунных изложниц 60-100 плавок.

Форма и конструкция изложниц зависят от назначения отливаемых в них слитков и способа разливки стали (рис.2а), а также от того, для разливки какой стали они предназначены - кипящей, полуспокойной или спокойной.

Кипящей называется сталь, при разливке которой наблюдается "кипение" металла в изложнице в период кристаллизации слитка. Она раскисляется только ферромарганцем. В процессе раскисления образующаяся окись углерода вместе с другими растворенными в стали газами выделяется из металла, что создает впечатление кипения стали в изложницах. Кипящая сталь легче сваривается, чем спокойная, и очень хорошо штампуется. Из нее меньше отходов при прокатке. Стоимость кипящей стали меньше стоимости спокойной. Отрицательным свойством кипящего металла, особенно при отливке тяжелых слитков, является большая неоднородность химического состава по высоте и поперечному сечению слитка.

Рисунок 1 - Схема устройства стопорного разливочного ковша для разливки стали

Спокойной называется такая сталь, которая перед разливкой хорошо раскислена; при разливке из нее выделяется мало газов, благодаря чему она спокойно застывает в изложницах. Раскисляют ее ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. В слитках кипящей стали имеются пузыри. В слитках спокойной стали они отсутствуют, и наблюдается рыхлость и пористость. Среднеуглеродистая и высокоуглеродистая сталь изготовляется только спокойного типа, так как из кипящей стали с высоким содержанием углерода нельзя получить хорошие слитки. Кроме того, слитки спокойной стали более однородны по химическому составу.

Полуспокойную сталь можно назвать промежуточной между спокойной и кипящей. Для раскисления этой стали дается меньшее количество ферросилиция, чем для спокойной, и определенное количество алюминия, добавляемого в ковш перед разливкой металла или в изложницы во время разливки.

Так как в слитках полуспокойной стали образуется усадочная раковина малого размера и меньше развита химическая неоднородность, выход годной части слитка повышается. Для отливки кипящей стали применяют сквозные изложницы квадратного и прямоугольного сечения без дна, уширяющиеся книзу, чтобы было удобнее удалять из них слитки. Чтобы устранить образование трещин на слитках, внутреннюю поверхность изложниц делают волнистой (см. рис.2 а, б).

Для получения слитков спокойной стали применяют изложницы с глухим дном и с отверстием в нем для установки шамотного стаканчика при сифонной разливке или стального вкладыша при разливке сверху (см. рис.2б).

Слитки, предназначенные для прокатки сортовых профилей, отливаются в изложницы квадратного сечения, а для прокатки листов - в изложницы прямоугольного (эллиптического) сечения (см. рис.2 а, б).

Слитки, идущие для ковки на молотах или на прессах, отливают в изложницы многогранного сечения, уширяющиеся кверху.

Рисунок 2 - Типы изложниц для заливки слитков

Способы разливки стали.

Существует три основных способа разливки стали: сверху, сифонный и непрерывный. По первому способу каждую изложницу заливают металлом сверху (рис.3).

Рисунок 3 - Схема разливки стали в изложницы сверху: а - ковш с жидкой сталью, б - изложница

Рисунок 4 - Схема сифонного способа разливки стали:

1 - ковш, 2 - центровой литник, 3 - сифонные кирпичи, 4 - поддон, 6 - изложницы, 6 - шлакоуловители, 7 - огнеупорная масса

Сверху отливаются слитки крупного развеса (до 200 т), а также некоторые сорта легированной стали (быстрорежущей, шарикоподшипниковой и др.), в которых допустимо минимальное содержание неметаллических включений.

По сифонному способу из ковша 1 (рис. 4) через центровой литник 2 одновременно заливается в зависимости от развеса слитков от двух до 60-100 изложниц. При этом металл, проходя по центровому литнику 2, поступает по системе каналов, образованных специальными сифонными кирпичами 3 в чугунном поддоне 4, к каждой изложнице 5. Преимущества сифонного способа: можно отливать одной струей большое число слитков, поверхность слитков получается чистой, вследствие уменьшения высоты и объема усадочной раковины можно получить качественные слитки развесом до 20-30 г стали.

Прогрессивным способом является непрерывная разливка стали. Металл из ковша 1 (рис. 5) заливается непрерывной струей в промежуточное устройство 2, а из него поступает в охлаждаемые водой кристаллизаторы 3, в которые предварительно закладываются стальные заготовки, образующие дно. При соприкосновении жидкого металла с этими заготовками (затравками) и стенками кристаллизаторов начинается быстрое затвердевание его, еще более усиливающееся при проходе через зону 4 вторичного охлаждения. Затвердевшая заготовка вытягивается роликами 5, действующими от специального механизма к тележкам газорезок 6, разрезается на куски, а затем по конвейеру поступает в прокатный цех. Применение способа непрерывной разливки стали позволяет сократить отходы металла с 15-20% при обычной разливке до 3-5%, т.е. в 5 раз.

Рисунок 5 - Схема непрерывной разливки стали

2. Технология разливки стали в изложницы

2.1 Разливка сверху

2.1.1 Разливка стали в изложницы сверху

В настоящее время наибольшее применение находит простая, менее трудоемкая и более экономичная разливка стали сверху, составляя около 80% от всей стали, разливаемой в изложницы. При разливке сверху каждая изложница наполняется отдельно через стакан непосредственно из сталеразливочного ковша (реже через промежуточные устройства), рис. 6. Металл поступает в изложницы с заданным расходом и наполняет их до требуемого уровня. После этого канал стакана перекрывают и ковш (реже изложницы) перемещают для отливки следующих слитков. Этот способ широко применяется в кислородно-конвертерных, мартеновских и электросталеплавильных цехах при отливке средних и крупных слитков углеродистых и низколегированных сталей.

Рисунок 6 - Схема разливки стали сверху: 1 - ковш; 2 - изложница; 3 - поддон

Разливка сверху обеспечивает существенные преимущества по сравнению с разливкой сифоном:

Упрощается трудоемкая подготовка и конструкция поддонов, а также составов в целом под разливку стали, отпадает необходимость

Отсутствует загрязнение стали неметаллическими включениями от размывания огнеупоров центрового литника, сифонных проводок и донного стаканчика в изложнице.

Исключаются потери металла на литниковую систему и скрап, образующийся при прорывах сифонных проводок; значительно сокращаются потери на недолитые слитки, количество которых ниже чем при разливке сифоном, так как он может быть только один на плавку.

Требуется более низкая температура металла перед разливкой из-за большей линейной скорости наполнения изложниц и отсутствия охлаждения металла в сифонных проводках. Обеспечивается более благоприятное расположение усадочной раковины в слитках спокойной стали, прибыльная часть которых заполняется медленно в последнюю очередь при смещении теплового центра слитка вверх, а из-за более низкой температуры разливаемого металла сокращается и общий объем открытой усадочной раковины. Создаются более благоприятные условия формирования наружной корки слитков, что позволяет разливать сталь с большей скоростью, чем сифоном. Связано это с тем, что при разливке сверху циркуляционные потоки жидкой стали в изложнице и напряжения в затвердевающих участках слитка существенно отличаются от таковых, возникающих при разливке сифоном, рис. 7.

Рисунок 7 - Характер интенсивных потоков и расположение теплового центра при сифонной разливке (а) и при разливке сверху (б)

Разливка сверху обеспечивает последовательное перемещение зоны интенсивной циркуляции металла снизу-вверх.

При этом максимальное ферростатическое давление воспринимается уже вполне затвердевшей прочной коркой внизу слитка, которая формируется в условиях относительно спокойного состояния стали и не омывается потоками горячего металла.

Это способствует более быстрому образованию зазора в нижней части слитка и устранению торможения усадки стали по его высоте, а, следовательно, и снижает вероятность образования горячих трещин, препятствующих повышению скорости разливки. Затрудненная усадка корки слитка при сифонной разливке связана еще и с наличием литника в донной части.

Более высокий выход годных слитков и снижение затрат на подготовку составов снижают себестоимость стали на 2-3%. Однако при необходимости получения большого количества слитков от одной плавки разливка стали сверху связана с некоторыми недостатками, которые не позволяют иметь качественную поверхность слитков. Рассматривая основные недостатки и их причины отметим следующее:

Условия разливки стали сверху обуславливают получение плохой пленистой поверхности, особенно в нижней части слитков.

Механизм образования плен связан с тем, что струя стали вследствие большого ферростатического напора и высокой выходной скорости с силой ударяется о дно изложницы (поддон при сквозных изложницах), что вызывает разбрызгивание металла.

Кроме того, по ходу наполнения изложницы образуются заплески на ее стенках из-за натекания поверхностных волн, образующихся на зеркале металла. Степень разбрызгивания металла, и величина заплесков зависят от мощности струи, пропорциональной кубу скорости, и конфигурации донной части слитка.

Скорость падения струи в донной части слитка рассчитывается по уравнению:

(1)

где Нм - высота уровня металла в ковше над нижним торцом стакана, м; hш - толщина слоя шлака в ковше, м - коэффициент торможения струи воздухом, который в зависимости от состояния поверхности струи изменяется в пределах 0,90-0,98; - коэффициент скорости при истечении струи; pш, pм - соответственно плотность шлака и металла, т/м³; Нс - длина струи, м.

Эта скорость струи входит в выражение для определения мощности струи N при ударе ее о дно изложницы:

(2)

Из этого выражения следует, что мощность удара снижается при уменьшении скорости и диаметра d струи. Особенно интенсивное образование брызг и заплесков металла происходит вначале разливки вследствие значительного напора металла, большой длины струи и отсутствия лунки жидкого металла. Попадающие на стенки изложницы, окисленные капли и заплески металла быстро затвердевают и окисляются, а их скоплении образуются отслаивающиеся корки. При подъёме уровня металла в изложнице до покрытых окисными пленками застывших брызг и корочек происходит взаимодействие окислов с углеродом, кремнием и другими элементами, образуя подкорковые пузыри и шлаковые включения в слитке. В следствие интенсивного теплоотвода через стенки изложницы затвердевшие брызги и корочки металла не оплавляются и не свариваются с основной массой слитка, образуя плены на поверхности заготовок при прокатке слитков. Поэтому для разливки сверху характерным является увеличение трудоёмкости зачистки заготовок из-за поверхностных дефектов.

Еще одним специфическим недостатком разливки стали сверху является приваривание донной части слитков к изложницам (поддонам при сквозных изложницах). При этом значительно снижается стойкость изложниц (поддонов), а из-за затрудненной усадки в корке слитка возникают дополнительные растягивающие напряжения и повышается вероятность образования поперечных горячих трещин, особенно при уширенных кверху изложницах. Размывание струей металла донной части изложниц (поддонов), сопровождается изменением химического состава металла в донной части слитка, а также снижением примерно в два раза сроков службы изложниц (поддонов).

Приваривание слитков наносит большой ущерб производству, сопровождается дополнительными затратами труда на стрипперование, а иногда для извлечения слитков необходимо разбивать изложницы под копром. Приваренные слитки отстают от своей плавки, катаются холодным всадом в основном не по назначению, а иногда разрушаются вместе с приварившимися к ним изложницами.

Приваривание слитков учащается при увеличении удельного давления и количества подводимого тепла к зоне приваривания донной части слитка, что имеет место при разливке перегретого металла и при увеличении скорости разливки, как это следует из выражения для определения количества тепла, подводимого к зоне приваривания донной части слитка:

(3)

где Sc - площадь поперечного сечения струи у дна изложницы; См - средняя теплоёмкость жидкой стали в интервале температур, при которых она воздействует на дно изложницы; t - понижение температуры жидкой стали в результате потери тепла на нагрев омываемого участка изложницы (поддона).

На практике широко применяется начало разливки, приторможенной струей. Кроме того, скорость струи у дна изложниц понижают, уменьшая до минимума расстояние между дном ковша и изложницей, а иногда используют промежуточные устройства. Простейшим приспособлением является промежуточная воронка со вставленным в неё разливочным стаканчиком. Воронку подвешивают к ковшу или устанавливают на изложницу. Применение воронки позволяет разливать металл при практически постоянном ферростатическом давлении и иметь примерно одинаковую скорость наполнения всех изложниц. Однако применение простейших промежуточных устройств в виде воронок при разливке стали из высоких ковшей практически невозможно. При высоте ковшей до 6 м скорость истечения из него стали и диаметры струи значительно отличаются от этих параметров для воронки. Для обеспечения синхронной разливки площадь сечения канала воронки должна быть, примерно, в 4 раза больше площади сечения канала стакана в основном ковше. При таком соотношении размеров более тонкая струя жидкой стали из ковша, не будет задерживаться в воронке.

Наиболее приемлемым в этом случае является промежуточный ковш с 2-6 дозирующими устройствами. Такие ковши позволяют в широких пределах регулировать скорость наполнения изложниц, значительно сокращать продолжительность разливки, улучшать качество поверхности слитков и увеличивать стойкость изложниц. Однако применение промежуточных ковшей требует повышения температуры металла, увеличения расхода огнеупоров и затрат труда, значительно усложняет оборудование и организацию работ в разливочном пролете. В связи с этим применение их ограничивается, в основном, непрерывной разливкой, при которой стабильность скорости разливки и возможность её целенаправленного регулирования в значительной мере определяют качество металла.

Защита дна изложниц (поддонов) обеспечивается вкладышами, листовой обрезью, обмазками, изолирующими засыпками и т.п. При введении в изложницы порошкообразных смесей для разливки стали под защитными средами, они же и предотвращают приваривание слитков. Положительные результаты достигаются при использовании обмазок на основе графита и 50% -го раствора жидкого стекла.

Для улавливания брызг и предотвращения образования заплесков на стенках изложниц используют манжеты, изготовленные из листового железа или картона, а также плавающие огнеупорные втулки, рис.8. Во время наполнения изложниц манжеты плавятся или сгорают, а огнеупорные втулки извлекают после отливки слитков.

Рисунок 8 - Форма манжет (план) для улавливания брызг и предотвращения заплесков металла на стенки изложниц

Существенное уменьшение брызгообразования достигается при изготовлении донной части изложниц и кюмпельных углублений поддонов полусферической формы. В этом случае брызги металла направляются не на стенки изложницы, а на струю, рис. 9. Опробованные О.В. Трифоновым и Б.Л. Ходановым результаты, полученные на гидравлической модели при помещении конусообразной пробки с вогнутыми обтекаемыми поверхностями в центре дна изложницы в случае строгой центровки струи показали полное устранение пленообразования. Однако, при заглублении такой пробки на 250 мм в тело слитка трудно избежать увеличения утяжки в заготовке и величины донной обрези.

Рисунок 9 - Схемы брызгообразования при плоском (а) и полусферическом (б) исполнении донной части слитка

При разливке стали сверху, возникают затруднения, когда из одного ковша необходимо отливать много слитков. Так как чаще всего используется ковш с одним дозатором и скорость опорожнения ковша снижается до величины массовой скорости наполнения изложницы, то значительно повышается продолжительность пребывания металла в ковше, особенно при отливке мелких слитков. Чтобы предотвратить чрезмерное остывание металла и образование настылей в ковшах, увеличивают скорость разливки в ущерб качеству слитков. При большой скорости разливки кипящей стали не обеспечивается необходимое удаление зоны сотовых пузырей от наружной поверхности слитка, а в слитках спокойной и полуспокойной стали увеличивается пораженность горячими трещинами. Кроме того в слитках спокойной стали увеличивается заглубление усадочной раковины и подусадочной рыхлости. Для всех типов стали увеличивается брызгообразование и приваривание слитков.

При отливке большого количества слитков многократные перекрытия стопорных или шиберных затворов снижают их стойкость и надежность. Кроме того увеличивается количество переездов и центровок струи, увеличивая общую продолжительность разливки. Поэтому с 1954 года на многих заводах осуществлена разливка стали из ковшей, оборудованных двумя дозирующими устройствами, одновременно через два стакана. При этом в два раза снижается количество переездов ковша и перекрытий канала одного стакана, что повышает надежность работы дозирующих устройств и на 35-50% сокращает общую продолжительность разливки.

Наполнение двух изложниц через два дозирующих устройства обеспечивается при строгом соответствии расстояний между центрами отверстий стаканов в ковше и осями одновременно наполняемых изложниц, фиксируемых на поддоне соответствующими выступами. На практике такая подготовка разливочных составов и ковшей особой сложности не вызывает. На Донецком металлургическом заводе по предложению автора в 1960 году была успешно осуществлена даже двухстопорная сифонная разливка и затруднений с точным наведением двух струй в две центровые не возникало.

При переходе на двухстопорную разливку магнитогорцы на 30% увеличили срок службы футеровки ковшей с соответствующим снижением расхода огнеупоров и затрат труда каменщиков. Сократились потери металла в виде настылей в ковшах и аварийного скрапа. Разливочный пролет перестал быть узким местом в цехе и достигнуто увеличение производства стали. В результате появившегося запаса времени стало возможным совершенствование технологии разливки путем торможения струи в начале и конце разливки, а при необходимости и уменьшение диаметра канала сталеразливочного стакана. Снизились изменения температуры металла по ходу разливки, а температура слитков, подаваемых в нагревательные колодцы повысилась на 20-25 С°. Все это позволило резко улучшить качество металла и на 1/5 сократить брак металла на первом и втором переделах.

При разливке сверху спокойной стали на ряде заводов отмечено более высокое, чем при сифонной разливке вторичное окисление и насыщение металла азотом. Это связано с большей длиной струи, обильным брызго - и пленообразованием, значительными завихрениями на поверхности металла в изложницах. Наряду с этим повышенные скорости разливки металла сверху увеличивают скорость нарастания гидростатического давления и затрудняют дегазацию металла в изложницах. Обычно при резком понижении температуры металла в изложницах растворимость газа в нем понижается и происходит удаление их в тем больших количествах, чем ниже скорость разливки и медленнее нарастает давление жидкого металла над рассматриваемым горизонтом.

По указанной причине от разливки стали сверху шарикоподшипниковой и других марок стали отказываются, из-за повышенного содержания газов и неметаллических включений, а также связанных с ними поверхностных и внутренних дефектов. Особенно заметно ухудшается качество сталей, содержащих легко окисляемые элементы и образующие тугоплавкие оксиды. Защита струи и зеркала металла в изложницах в значительной мере устраняет эти недостатки.

Распространение метода сифонной разливки связано с рядом очевидных причин. Во-первых, это обусловлено тем, что современный уровень развития технологии внепечной обработки позволяет воспроизводимо обеспечивать низкое содержание водорода и, соответственно, необходимость в вакуумной разливке отпадает. Во-вторых, при сифонной разливке есть возможность менее затратного (чем разливка в вакууме) и при этом достаточного надежного способа защиты струи металла от вторичного окисления. В-третьих, такой метод разливки позволяет стабилизировать в готовом металле содержание азота (актуально для марок стали, легированных азотом). И, наконец, в-четвертых, современные огнеупорные материалы способны практически полностью исключить загрязнение металла экзогенными включениями из сифонных каналов, что позволяет устранить один из существенных недостатков этого метода. Кроме того, сифонный метод обладает рядом преимуществ технологического характера:

? получение высокого качества поверхности слитка, связанного с тем, что металл поступает снизу и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки;

? исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутствия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава);

? наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц;

? упрощение системы защиты поверхности металла при разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном наполняют и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания с шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла;

? продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляют отливку нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки;

? разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки.

Конечно, сифонный метод имеет и некоторые недостатки:

? смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленного (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости (эта характерная негативная особенность сифонного метода может быть отчасти решена изменением режима нагрева разливочной оснастки, а именно за счет уменьшения температуры нагрева поддона и увеличения температуры нагрева прибыльной надставки и/или верхней части корпуса изложницы);

? необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху, скорости разливки;

? увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы;

? повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2% от массы разливаемого металла);

? повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

Однако, несмотря на наличие перечисленных недостатков сифонный метод разливки находит все большее применение, и потому вопросы оптимизации данной технологии являются достаточно актуальными. В данной работе рассмотрены основные направления совершенствования технологии сифонной разливки.

Одним из важных аспектов технологии сифонной разливки является скорость заполнения изложницы. Ее регламентируют с целью обеспечения заданного темпа повышения уровня металлического расплава в изложнице; как правило, оптимальная линейная скорость заполнения составляет 0,2…0,3 м/мин. Большие слитки, кузнечные слитки или специальные фасонные отливки обычно заполняют с меньшей скоростью, что необходимо для гарантированного формирования твердой корочки надлежащей толщины, чтобы устранить или минимизировать формирование продольных трещин.

Уменьшение скорости разливки сопровождается увеличением продолжительности наполнения изложниц, вследствие чего усиливается охлаждение открытой поверхности металла, поднимающегося в изложнице при разливке, что приводит к образованию на ней твердой окисленной "корочки" и к ее заворотам.

Влияние скорости заполнения изложницы на форму поверхности зеркала металла показано на рис. 10.

Рисунок 10 - Влияние скорости заполнения изложницы для 8-тонного слитка металлическим расплавом на форму мениска: слева - скорость заполнения равна 30 см/мин; справа - 1300 см/мин

Если скорость будет больше некоторого критического значения, то металлический расплав будет поступать в изложницу в виде фонтана и, падая, он будет захватывать шлак и окисляться кислородом воздуха. Эта критическая скорость зависит от поверхностного натяжения и плотности стали; согласно работе [5] ее следует рассчитывать по следующей формуле:

Vcr = 3,5 (г/с) 0,25 (4)

где г - поверхностное натяжение, Дж/м2;

с - плотность металлического расплава, кг/м3;

Как правило, г = 1,89 Н/м, а с = 7020 кг/м3, тогда в соответствии с вышеприведенным выражением Vcr = 0,45 м/с.

Рекомендуется, чтобы скорость заполнения была ниже этого критического значения в течение первых нескольких минут. Когда высота столба жидкой стали в изложнице достигнет определенного значения и устойчивой формы поверхностности, значение скорости после этого может постепенно увеличиваться.

На рис. 11 и рис. 12 представлены результаты обобщения производственных данных отечественных предприятий о зависимости линейной и массовой скорости наполнения в изложнице при сифонном способе разливки и при разливке сверху.

а

б

Рисунок 11 - Зависимость линейной скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка.

а

б

Рисунок 12 - Зависимость массовой скорости разливки стали сверху (а) и сифоном (б) от массы слитка:

_ - завод А; - завод Б (ПАО "НКМЗ") [10, с.154, 197]; ? - завод В; ¦ - завод Г; ^ - завод Д; Д - завод Е; - завод Ж (Витковице); х - завод З (ОАО "Камасталь") [2]; + - завод З (Ellwood Quality Steel Company).

Конструкция сифонного металлопровода и входного патрубка. При использовании сифонного метода на начальных стадиях поступления металлического расплава в изложницу, особенно при высоких скоростях разливки, ввиду наличия интенсивного напора и малого сопротивления создаются условия для возникновения фонтана металлического расплава, что негативно отражается на качестве поверхности получаемого слитка. После того, как ванна металлического расплава в изложнице стабилизировалась, и мениск приобрел близкую к плоской форму, поступающий в изложницу поток стали может все еще сместить плавающий на поверхности металла защитный шлак на периферию, создавая оголенную поверхность (''глаз'') зеркала металла. Чрезмерно интенсивные потоки расплава в изложнице могут привести к оголению зеркала металла и, как следствие, к его вторичному окислению. Кроме того, при определенной скорости потоков в изложнице становится возможным захват покровного шлака в металлическую ванну. Этот эффект может быть уменьшен за счет оптимизации сечения каналов сифонной проводки и особенностей конструкции входного патрубка, через который металлический расплав поступает из сифонной проводки в изложницу.

Установлено, что при увеличении диаметра выходного отверстия по сравнению с каналом сифонной проводки уменьшается воздействие выходящей струи на кристаллизующуюся ко­рочку.

Результаты моделирования влияния увеличения площади сечения струи, входящей в изложницу, на холодной модели в масштабе 1: 2 путем увеличения количества входных отверстий до двух показали, что высота подъема струи сокращается вдвое, максималь­ное отклонение от оси подвода по сравнению с подводом через одно отверстие уменьшается в 2…2,5 раза. В условиях моделирования рас­стояние между осями отверстий не оказывало существенного влияния на характер наполнения модели изложниц; его изменение может быть объяснено технологией изготовления сифонного кирпича.

Рисунок 13 - Схема холодного моделирования подвода металла в изложницы через одно отверстие (а), как по обычной технологии; через два отвер­стия с межцентровым расстоянием 30 мм (б) и 40 мм (в)

В итоге, в работе было показано, что в результате подвода метал­ла в изложницы через два отверстия и исполь­зования изложниц волнистого сечения можно добиться сокращения брака слитков по трещинам в 2 раза.

Влияние формы входного патрубка на гидродинамику металлического расплава в изложнице было исследовано в работе [7] с использованием холодной модели и численного моделирования. Было показано, что для предотвращения возможности формирования несимметричного потока металлического расплава, отношение линейной длины входного патрубка к его минимальному диаметру должно быть больше, чем 6. Поток жидкости в изложнице при сифонной отливке показан на рис. 14. Расчет скорости потока жидкости и траектории движения включений в каналах сифонной проводки указывает на то, что включения двигаются преимущественно вдоль главной стены, таким образом, они могли бы быть пойманы в ловушку специальными ловушками включений, установленными вблизи конца сифонных каналов. Другой метод удаления включений - использование керамических фильтров из пены в системе каналов около входного патрубка.

Рисунок 14 - Влияние конструкции входного патрубка на особенности заполнения металлом изложницы

Уменьшение пораженности грубыми разливочными пленами нижней части слитков, отливаемых сифоном, может быть обеспечено при использовании специальных компенсаторов над выходными отверстиями сифонной проводки в каждой изложнице. Такие компенсаторы обеспечивают гашение энергии струи металла и исключение заплесков на стенки изложницы.

Существуют стаканы с глухим верхом (рис. 15), обратной внутренней конусностью и выступающей в полость изложницы головкой с боковыми отверстиями. При сифонной разливке стали через такой стакан полость излож­ницы заполняется горизонтальными струями до на­полнения не менее чем на четверть высоты. Число отверстий в новом стакане можно варьировать от двух для плоских листовых слитков до шести для круглых и фигурных кузнечных. При отливке сорто­вых блюминговых слитков принимают четыре отвер­стия.

Рисунок 15 - Стакан с бо­ковым выводом металла (б) и схема движения потоков металла в изложнице при его использовании (а)

Боковые струи металла, вытекающие практически на уровне дна изложницы, при этом подтекают под смесь, а не покрывают ее веером. В дальнейшем по­токи жидкого металла на уровне границы металл-шлак тоже направлены от корки затвердевающего металла, что исключает захват растущей коркой частиц шлака или компонентов смесей. Продолжительность работы стакана в таком режиме за­висит от типа огнеупора, способа изготовления, количества и диаметра отверстий, т.е. от площади живого сечения огнеупора между отверстиями. Вы­сота выступающей в полость изложницы части ста­канчика составляет 2,3…2,5 % высоты слитка, а объем - около 0,1 %, что существенно меньше объе­ма металла, идущего на донную обрезь. Применение такого стакана к тому же резко сокращает количество так называемых "глухих" изложниц, образующихся из-за закупорирования обычного диффузорного ста­кана и части проводки смесью в случае прорыва или прогара мешка.

При опытно-промышленном опробовании новой тех­нологии разливки стали сифонным способом с использованием предложенного стакана было достигнуто существенное улучшение качества поверх­ности и чистоты корковой зоны донной части слитков, подкатов, заготовок; заметно повысился выход год­ного металла.

Для широкого промышленного опробования и внед­рения новой технологии необходимо провести иссле­дования гидродинамики движения металла с целью оптимизации размера боковых отверстий, а также разработать способы более быстрой постановки из­ложниц на такие стаканы и др.

Новый метод подвода металла в изложницу позво­лит существенно повысить технико-экономические показатели сифонной разливки стали в условиях все более широкого применения различных разливоч­ных порошков.

Следует отметить, что для выявления тех случаев, когда причиной отбраковки слитков стало размытие корочки при поступлении первых порций металла, на сторонах слитка следует наносить маркировку, позволяющую определить расположение браковочных мест относительно центровой (стороны, от которой происходило отклонение струи).