Справочник по чугунному литью

Гиршович Н.Г. (ред.).

Машиностроение, 1978 г.

ЛИТЬЕ ИЗЛОЖНИЦ

Классификация изложниц, условия их работы и требования к металлу

Чугунные изложницы, применяемые в металлургии, насчитывают свыше 300 типоразмеров массой от 0,1 до 27 т; их потребление у нас сейчас уже значительно превышает 2 млн. т в год. Кроме того, они применяются еще для кузнечных слитков массой до 250 т. По ТУ 14-12-14—71 изложницы делятся по развесу, назначению, конструкции, форме внутреннего сечения и наружной поверхности, характеру усиления бандажами, способу выплавки чугуна и его составу, типам заливаемых сталей, способу утепления верха слитка, обработке торцевых поверхностей и качеству (I и II сорт). Техническими условиями регламентированы чистота и наличие дефектов на внутренней, наружной, торцевых поверхностях и на дне изложниц, размеры дефектов, подлежащих заварке, а также допускаемые отклонения от номинальных размеров по чертежу. Конструкция и характеристика применяемых изложниц приведены в атласе 18]. На рис. VI 1.18 и VII. 19 показаны изложницы: сквозная (массой 13,5 т) и глуходоиная (массой 14,8 т).

Расход изложниц в большой мере зависит от свойств материала, конструкции и условий их эксплуатации. При наполнении сталью внутренняя поверхность изложницы нагревается до 900—1000 °С, температура наружной поверхности достигает 400—700 °С. Наиболее резкий перепад температур в стенке появляется сразу после заливки. Сильнее нагреваются длинные стороны в середине, короткие стороны и особенно углы остаются холодными. В результате этого между различными частями и внутри стенок возникают напряжения. В процессе разогрева металл внутренней поверхности изложницы испытывает сжатие, а в наружных слоях — растяжение. После раздевания слнтков знак напряжений меняется на обратный. Кроме того, при нагреве изложниц возникают напряжения, связанные с изменением структуры и объема чугуна. В результате этого иногда образуются трещины, которые по А. А. Горшкову [6] классифицируются как трещины первого рода, возникающие в результате одностороннего нагревания в начальный период после заливки металла, образующиеся на первых наливах, как правило, на наружной, менее нагретой стороне и обычно проходящие на всю толщину стенки; трещины второго рода, возникающие обычно постепенно с внутренней стороны и проходящие через всю стенку; трещины третьего рода, которые называют также сеткой разгара, возникающие в результате многократного повторения цикла нагрев—охлаждение, имеющие разную глубину

Рис. VI 1.18. Сквозная уширенная книзу квадратная изложница массой 13,5 т для 12,5-тониого слитка

Рис. VII.19. Глуходонная прямоугольная изложница с волнистой внутренней поверхностью массой 14,8 т для 13,1-тонного слитка и ширину в зависимости от свойств металла, длительности н условий эксплуатации. В результате развития напряжений наблюдается коробление изложниц, что особенно характерно для изложниц из ВЧШГ и стали. Кроме того, они испытывают также непосредственное воздействие жидкой стали, причем происходит размыв стенки или дна, а также приваривание слитка. При эксплуатации бывают также случаи механических повреждений: обрыв ушей  цапф при стрипперовании. В соответствии с типовой инструкцией по учету стойкости изложниц различают: продольные трещины; поперечные трещины; выгар и вырыв стенки; размыв стенки; сетку разгара; механические повреждения и застревание слитка.

С учетом специфических условий работы материал изложниц должен иметь высокие значения λ и δ, низкий Е и малый α. На работоспособность изложниц большое влияние оказывают также циклическая вязкость, температуропроводность,  ростоустойчивость и окалиностойкость металла. При этом, учитывая масштабы производства изложниц, материал для их изготовления должен быть недорогим (табл. VI 1.26). Изложницы из обычного и низколегированного СЧ должны иметь серый или темно-серый однородный зернистый излом без усадочных раковин й пористости. Металлическая основа должна быть Фе—П или П. Наличие структурно-свободного Ц не допускается.

В изложницах из СЧ, выходящих из строя по трещинам, рекомендуется иметь больше крупного графита. Одиако следует иметь в виду, что оптимальный состав чугуна в сильной степени зависит не только от массы и способа производства изложниц, но и от способа плавки и наследственных факторов [24].

Изложницы из ВЧШГ должны иметь светлый мелкозернистый однородный излом без усадочных рыхлот и пористости. Графит должен быть шаровидный, допускается компактный·. Для мелких изложниц металлическая основа должна быть П— Фе с содержанием П до 80%. Такие изложницы характеризуются повышенной стойкостью благодаря большей прочности, пластичности, росто- и окалиноустойчнвости металла по сравнению о СЧ.

Технология изготовления форм, плавки и заливки

В большинстве цехов отливка изложниц осуществляется в разовых формах; некоторые старые цехи применяют полупостоянные формы, но при этом скорость кристаллизации наружных и внутренних слоев неодинакова, что снижает стойкость отливок. Кроме того, точность размеров и качество наружной поверхности у них хуже. Изготовление разовых форм обычно производят по чистой металлической модели с набивкой пневматическими трамбовками. Более совершенными являются уплотнения с помощью пескометов ПН-40 и процессы с применением ЖСС. Состав и свойства смесей некоторых заводов приведены в табл. VI 1.27.

Состав красок, применяемых при изготовлении форм, различен. Так, на Магнитогорском металлургическом комбинате для этого используют пасту ГБ плотностью 1,2—1,5 г/см³; на заводе «Запорожсталь»—40% пасты ГБ н 60% серебристого графита, плотность 1,4 г/см³; на заводе «Криворожсталь» — 70% молотого кокса, 26% черного графита, остальное эмульсия глнны, плотность 1,4 г/см³. Покраску осуществляют в два-три приема с перерывами между покрытиями не менее 30 мин, затем заглаживают кистью (замывают), используя краску плотностью 1,05—1,10 г/см³. Толщина слоя краски должна быть 2—3 мм.

Сушка форм и стержней осуществляется в течение 8—20 ч. Так, на Магнитогорском металлургическом комбинате режим сушки крупных форм в камерных сушилах после посадки в камеру при 80 °С составляет: подъем температуры и выдержка при 100 °С — 3 ч; подъем температуры до 250 °С — 2 ч; выдержка при 250 °С — 1 ч; подъем температуры до 350 °С — 3 ч; выдержка при 350 °С — 6 ч. После покраски формы и стержня, а также сборки формы производят подсушку при 350 °С в течение 2 ч; глубина просушенного слоя должна быть не менее 100 мм. Мелкие и средние формы сушат в конвейерном рециркуляционном проходном сушиле в течение 8 ч. Глубина просушенного слоя должна быть не менее 60 мм.

Сборку форм производят с прокладкой глиняных валиков. Скрепление форм осуществляют при помощи скоб. В последние годы на многих заводах сквозные изложницы (на заводе «Запорожсталь» н глуходонные) отливают без верхней опоки.

На ряде заводов изложницы отливают из доменного передельного чугуна, поступающего в чугуновозных ковшах, причем для удаления спели и снижения температуры часто выдерживают металл в отстойниках в течение 1—3 ч. Для доведения состава до требуемого в отстойники иногда вводят ФМн н ФС. При работе без отстойников для снижения температуры с тем же успехом присаживают в чугуновозные ковши чушки массой около 1 т каждая. Для отливки таких чушек используют остатки металла в ковшах. Заливку форм изложниц из доменного чугуна осуществляют из 30— 60 т стопорных ковшей; во избежание попадания спели в форму в стопорном ковше всегда оставляют 3—7 т чугуна. При применении ваграночного чугуна шихта согласно ТУ 14-12-14—71 должна содержать до 50% литейных чугунов марок ЛК1, ЛК2и Л КЗ, остальное—бой изложниц и передельный чугун; не допускается применение стали в шихте. Заливку форм в этих цехах производят из поворотных ковшей через носок, после чего производят двухтрехразовую подпитку. При заливке форм температура обычно находится в пределах 1180—1220 °С. Исследования показали, что при повышении t_зал до 1250 °С стойкость изложниц возрастает; однако при этом повышаются требования к качеству покраски форм, причем необходимо усилить подпитку отливки. На заводе «Запорожсталь» при отливке изложниц без верхних опок для подпитки устанавливают  специальные воронки из шамота. Образовавшуюся корку затвердевшего металла перед подпиткой прожигают 0₂; при этом в воронку дают измельченную титановую губку.

Производство изложниц из ВЧШГ в нашей стране пока мало распространено (табл. VI 1.28), но, несомненно, будет в дальнейшем расширяться.

Для получения ВЧШГ при производстве изложниц применяют различные способы модифицирования: чушковым Mg в открытых ковшах, автоклавах, герметизированных ковшах, вдуванием порошкового Mg в открытых ковшах и лигатурой, вводимой через реактор и др. (более подробно о методах модифицирования см. гл. III). Применяемые при этом составы металла на разных заводах различны (табл. VI 1.29).

На заводе «Криворожсталь» модифицирование доменного чугуна производят порошковым Mg. Изложницы массой 13 т охлаждаются в форме 48 ч. Металлическая основа изложниц получается П—Фе; графит по всему сечению шаровидный и компактный. Стойкость изложниц на 60% выше, чем из СЧ. Расход Mg 1,8— 2,0 кг/т, а ФС — 6—8 кг/т. На Керченском металлургическом заводе порошковым Mg модифицируют ваграночный чугун, причем расход Mg 2,2—2,4 кг/т, а ФС — 6—8 кг/т. Изложницы массой 8,5 и 4 т имеют соответственно стойкость в 1,6 и 2,0 раза выше, чем из СЧ. На заводе «Запорожсталь» модифицируют доменный чугун Si—Mg лигатурой. Расход лигатуры с 5% Mg составляет 30—35 кг/т. Содержание Si при этом повышается иа 1,2—1,8%. Отливают глуходонные изложницы массой 4 т (вследствие повышения содержания Si отливать более крупные изложницы нельзя). Отливки выдерживают в форме не менее 40 ч. На Лысьвенском металлургическом заводе модифицирование металла для изложниц массой 0,8 т производят в автоклаве. Расход Mg составляет 2,5 кг/т, а ФС — до 10 кг/т. Структура чугуна получается Фе—П (не более 40% П, иначе производят отжиг изложниц) *,

Исследования и опыт показывают, что уже в настоящее время имеется возможность более широкого применения ВЧШГ при производстве изложниц мелкого, среднего и крупного развеса. Объем производства их уже может достигать более 500 тыс. т в год. Трудности возникают при отливке прямоугольных изложниц для листовых слитков. Однако японская фирма «Кубота» за счет создания новой конструкции и применения ВЧШГ с содержанием Si = 1,60-5-1,85% при S₃= 0,99-1,05 получила повышение стойкости и этих изложниц [7]. Прежде всего из ВЧШГ следует отливать сквозные квадратные и^круглые изложницы, а также глуходонные для разливки стали на слитки такого "же сечения.

Для получения ВЧШГ следует отдать предпочтение процессам, при которых используется чистый Mg с последующим вторичным модифицированием ФС. В этом отношении наибольший интерес представляет модифицирование чугуна вдуванием порошкового либо гранулированного Mg. Этот процесс полностью отвечает требованию массового производства при применении ковшей большой емкости и зарекомендовал себя простотой и надежностью работы оборудования, стабильностью получения заданного содержания Mg, отсутствием вынужденного повышения содержания Si, что имеет место при модифицировании Si—Mg, и комплексными Si—Са—Mg лигатурами, возможностью модифицирования чугуна с практически любым содержанием S, низкими затратами на модифицирование, стабильным повышением стойкости изложниц крупного, среднего и мелкого развеса из доменного и ваграночного чугуна. Для дальнейшего увеличения объема производства изложниц из магниевого чугуна в специализированных цехах может быть использована продувка металла гранулированным Mg непосредственно в чугуновозных ковшах[13]. По-видимому, целесообразно сооружать такие установки для продувки Mg в одном ковше прямо в литейном цехе.

Для отливки средних и крупных изложниц нз ВЧШГ следует рекомендовать содержание 4,0% С, 0,6—1,0% Si, так как при снижении массовой доли Si стойкость изложниц повышается. Следует также отметить, что при использовании чугуна с таким содержанием Si ШГ и компактный графит в изложницах получаются при толщине стеики около 200 мм по всему сечению при 0,02Б—0,035% Mg, что позволяет понизить расход Mg.

В отношении крупных и средних изложниц необходимо принимать меры против раннего коробления. Поэтому следует содержание Мп иметь 1,0—1,3%, т. е. на уровне, который обеспечивает перлитизацию структуры; при этом получается П более устойчивый против ферритизации матрицы в процессе эксплуатации. Более жесткая структура П лучше противостоит короблению стенок изложниц. ; Значительным резервом ’ дальнейшего снижения расхода изложниц нз ВЧШГ является создание конструкций, устойчивых против коробления, при одновременном снижении их массы на 20—30% и больше. Так, на. заводе «Криворожсталь» расход облегченных изложниц из ВЧШГ для 12,5-тонного слитка был снижен до 8,4 кг/т стали против 12,5 кг/т при обычном процессе.

Длительность выдержки отлитых изложниц в форме зависит от их массы и толщины стенок. При ранней выбивке, например при t = 600тЬ700^оС, эксплуатационная, стойкость изложниц понижается в связи с литейными напряжениями. После заливки форм производят следующие операции* через 15—20 мин после ее окончания снимают верхнюю кокильную форму; через 2—6 ч после окончания заливки для облегчен и Я/усадки производят подрыв или выемку каркаса стержня; далее изложница охлаждается в опоке и в «шубе» (спекшейся формовочной массе). Длительность охлаждения регламентируется на разных заводах исходя из наличия опочной оснастки, площадей и места охлаждения (в опоках и в «шубе») в пределах от 24 до 100 ч (суммарно).

Выбивку стержней производят в гидрокамерах, на установках с электро- гидравлическим эффектом и вручную. Обрубка и очистка изложниц остается трудоемкой операцией. На некоторых заводах для удаления крупных дефектов применяют электровоздушную резку. Обрубку и зачистку производят пневматическими зубилами и абразивными кругами. Механическая обработка торцов и дна глуходониых изложниц производится на фрезерных станках.

Пути дальнейшего повышения стойкости наложниц

Большая металлоемкость производства изложниц требует изыскания путей дальнейшего повышения их стойкости и снижения расхода; основные направления в этом отношении должны быть: совершенствование конструкции; повышение стойкости рабочего слоя за счет легирования; улучшение условий эксплуатации; ремонт изложниц; более широкое применение ВЧШГ и ЧВГ и более равномерное температурное поле в стенках изложниц.

Однако последнее очень важное условие не достигается равномерной толщиной стенок, так как изложницы с одинаковой толщиной стенок прогреваются неравномерно, что приводит к появлению напряжений. Поэтому при разработке новых конструкций изложниц для снижения напряжений и повышения стойкости стремятся к тому, чтобы нагрев их был более равномерны. Как показали исследования [16], для этого необходимы термоуравновешенные изложницы с соблюдением для всех участков равенства

Для предупреждения приваривания слитка и раннего образования разгара внутренняя поверхность изложницы легируется Аl, Те, В и др. Для этого на стержень поверх обычной краски наносят слой, содержащий легирующие элементы, которые диффундируют на глубину до 10 мм и изменяют микроструктуру поверхностного слоя. В частности, при окраске стержней алюминиевой краской образуется защитная пленка А1₂O₃, за счет чего повышается стойкость изложницы против приваривания. Предложена для этого также легирующая краска на основе борной кислоты [16] плотностью 1,40— 1,45 г/см³, примененная на заводе «Криворожсталь»: 42% борной кислоты; 5% асбестовой крошки; 5% мертеля; 2% патоки или сульфитного щелока; 46% воды.

Улучшение структуры и повышение стойкости изложнице ПГ достигнуты также за счет добавки Ti как в доменный, так и ваграночный чугун, причем добавка Τi(в виде губки) в ковш и особенно в литниковую чашу обеспечивает несколько больший эффект, чем при вводе его в вагранку (при одинаковом остаточном содержании 0,05%). Модифицирование Ti, способствующее укрупнению графита, эффективно для замедления процесса образования сквозных трещин. При этом стойкость тяжелых изложниц нз доменного передельного чугуна повышается на 5—15%. Точно так же повышение стойкости изложниц массой 7—25 т в среднем на 12% получено при обработке передельного чугуна путем вдувания N в металл через две пористые огнеупорные пробки в днище 60-тонного разливочного ковша 116]. При продувке снижается содержание С в среднем на 0,15% и понижается газонасыщеиность чугуна; установлено, что при этом повышается прочность чугуна, что объясняется снижением в нем содержания графитовой спели, усреднением состава металла, равномерным распределением графита и уменьшением пористости.

Таким образом, имеются значительные резервы для повышения качества изложниц как из ВЧШГ, так и СЧ. Большое значение в этом отношении имеют, конечно, и условия эксплуатации. Для этого температура изложниц перед разливкой стали должна быть в пределах 50—100° С. При повышении температуры до 120—130° С происходит выгорание каменноугольного лака и в связи с этим не создается защитная газовая пленка в процессе заполнения изложницы сталью. Для повышения стойкости рекомендуется также подогревать новые изложницы перед установкой на поддоны до 80—100° С. Кроме того, следует обеспечивать сталеплавильные цехи необходимым количеством изложниц, поддонов и тележек, а также требуемую протяженность путей отстоя с целью исключения охлаждения изложниц душированнем. По данным [16] замена душирования охлаждением на воздухе на Макеевском металлургическом заводе позволила повысить стойкость с 55—70 наливов до 86. Разливать сталь следует с минимально допустимой температурой; ее повышение способствует привариванию слитков; следует также ограничивать время выдержки слитков в изложницах.

Для повышения срока службы изложниц применяют восстановительный или профилактический их ремонт. Дефекты на внутренней поверхности устраняют электросваркой. Технология^ ремонта включает следующие операции: удаление с поверхности дефекта слоя окисленного чугуна путем механической обработки, вырубки пневматическими зубилами или воздушно-дуговой зачистки (при ремонте изложниц с трещинами производится установка скрепляющих элементов, например скоб и др.); наплавка поверхности дефекта стальными электродами УОНИ 13/45 или УОНИ 13/55; заплавка всего объема дефекта порошковой проволокой ППЧ-2; зачистка (при необходимости) наплавленного слоя.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что при соблюдении оптимальных условий эксплуатации, а также организации ремонта изложниц возможно дальнейшее значительное снижение их расхода. Поэтому упорядочение эксплуатации наряду с другими факторами является одним из основных резервов снижения расхода изложниц. Если же вопросам эксплуатации не уделять должного внимания, то никакие работы по повышению стойкости изложниц не смогут дать ожидаемых результатов.