Общие принципы проектирования изложниц и модельно–опочной оснастки

Основной целью проектирования изложниц является создание ее технологичной конструктивной геометрической формы, соответствующей требованиям, предъявляемым к слиткам, и обеспечивающей оптимальную стойкость при условии рационального выбора материала. При этом следует иметь в виду, что стойкость изложницы зависит не только от ее конструкции и условий эксплуатации, но также и от конструкции слитка. Следовательно, при разработке новых геометрических параметров слитков целесообразно также принимать во внимание общие закономерности влияния формы слитка на стойкость изложниц.

Под проектированием изложниц обычно понимают разработку наружных и внутренних ее форм и размеров в совокупности с обоснованием выбора материала изложницы и его физико-механических свойств. В целом основные принципы конструирования изложниц заключаются в следующем:

• конструкция изложниц должна способствовать повышению срока их службы и снижению расхода чугуна на тонну разливаемой стали;
• конструкция изложницы должна быть технологичной с точки зрения ее производства в условиях конкретного литейного цеха;
• материал для изложниц должен обеспечивать наиболее оптимальные условия их эксплуатации с точки зрения прочностных характеристик, теплообменных процессов, происходящих при разливке стали и охлаждении слитка, а также склонности материала к разрушениям различного рода в процессе эксплуатации изложницы и пр.;
• изложницы должны быть удобны в эксплуатации: обеспечивать быстрое раздевание слитков и соответствовать соответствующим показателям нагревательных колодцев и сопряженного прокатного оборудования;

Учитывая тот факт, что последний пункт входит в компетенцию сталеплавильщиков и прокатчиков, и больше связан с конструированием слитка, задача проектирования изложниц для литейщиков включает в себя следующие основные вопросы: выбор оптимального материала изложницы; определение толщины стенки изложниц; разработка внешнего конструктивного оформления, включающая определение формы продольного и поперечного сечений стенок, конструирование цапф, транспортных ушей и пр.

Выбор оптимального материала для изложниц представляется, на наш взгляд, крайне сложной и противоречивой проблемой, решение которой в ряде случаев зависит от конкретных условий данного литейного и сталеплавильного цехов. Достаточно часто выбор материала изложницы основывается на общем принципе обеспечения максимальной ее стойкости. Однако, в условиях развития рыночных отношений при выборе материала изложниц следует учитывать комплексный критерий, охватывающий основные экономические аспекты производства и эксплуатации изложниц.

Практика металлургического производства показывает, что для изложниц успешно используют различные чугуны. Между тем, в настоящее время нет единого мнения о том, какие марки чугуна целесообразно использовать в том или ином случае. В совокупности с экономическими соображениями в черной металлургии предпочтение отдают передельному чугуну первой плавки, который непосредственно из доменного цеха направляют в литейный. Безусловно, отсутствие дополнительного переплава чугуна обеспечивает весьма существенное снижение себестоимости изложниц. Более сложным является вопрос о регламентации формы графита в изложнице, поскольку этот параметр обеспечивает вариабельность свойств чугуна в весьма широких пределах. Поэтому при выборе материала изложницы во внимание принимают характер дефектов (трещин), возникающих в стенках изложниц в процессе эксплуатации в совокупности с показателем стойкости изложницы по основным дефектам.

Основными причинами выхода изложниц из эксплуатации являются образование продольных и поперечных трещин, возникновение на внутренней поверхности сетки разгара, коробление стенок изложниц и т.п. По признаку «образование трещины» и «коробление» выходит из строя свыше 90% всех изложниц. Классификация дефектов, возникающих в изложницах, впервые предложена А.А. Горшковым. По этой классификации различают трещины первого, второго и третьего рода.

Возникновение трещин первого рода связывают с резким и односторонним нагреванием изделия в течение короткого промежутка времени. Трещины первого рода могут быть как продольными, так и поперечными. Они, как правило, возникают с наружной (менее нагретой) стороны при первых наливах металла и развиваются на больших участках. Обычно такие трещины проходят на всю толщину стенки изложницы, что исключает ее дальнейшую эксплуатацию.

Трещины второго рода возникают на внутренней (более нагретой) поверхности изложницы после достаточно большого количества наливов (несколько десятков). В отличие от трещин первого рода эти трещины формируются и растут в размерах в течение значительного числа наливов. Причиной их возникновения, видимо, следует считать развитие растягивающих напряжений, вызванных ускоренным охлаждением внутренних слоев стенки изложницы. Трещины второго рода также могут быть как продольными, так и поперечными.

Трещины третьего рода обычно связывают с широко известным явлением появления «сетки разгара». Они представляют собой систему мелких различно ориентированных трещин, образующихся на внутренней поверхности, после значительного числа односторонних нагревов. Сетка разгара наблюдается не только у изложниц, но также у валков горячей прокатки, мульд, металлоформ для центробежного литья и пр. Вероятно, основной причиной возникновения сетки разгара следует считать циклически изменяющиеся растягивающие и сжимающие напряжения в совокупности с развитием явления роста чугуна и его окисления. Отбраковку изложниц по этому виду дефектов осуществляют из соображений обеспечения требуемого качества поверхности слитка.

Кроме различного рода трещин в процессе эксплуатации изложниц может наблюдаться их коробление, которое является, главным образом, результатом пластических деформаций материала под влиянием термических и эксплуатационных напряжений. Как правило, коробление сопровождается выпучиванием стенок изложниц, что следует рассматривать как необратимое изменение размеров изложницы и геометрии слитка. Выпуклость стенок образуется вследствие того, что внутренние слои металла стенок нагреваются до высокой температуры и стремятся расшириться. Этому процессу препятствуют наружные, более холодные слои стенки изложницы. В этом случае пластическая деформация материала изложницы направлена внутрь, так как в этом направлении отсутствует сопротивление деформации. Определенное влияние на процесс коробления изложниц может оказывать также и рост чугуна.

Обобщая многочисленные исследования и рекомендации по качественной и количественной оценке пригодности материала для употребления в изложницах, можно предложить использовать схему, представленную на рис.4.2.

Рисунок 4.2 – Схема оценки пригодности материала для изготовления изложницы по критерию «эксплуатационная стойкость»

Эффект повышения стойкости изложницы может быть достигнут с увеличением абсолютных значений показателей, расположенных вверху рисунка, и при уменьшении показателей из нижней его части. Однако, на практике представляется достаточно проблематичным варьирование только одного или двух показателей, характеризующих конструкционный материал.

Также нельзя не отметить, что критерий «эксплуатационная стойкость» в данном случае является лишь составляющей частью функции рационального выбора материала изложницы. Очевидно, что при окончательном решении о выборе той или иной марки чугуна следует также принимать во внимание его технологические литейные (жидкотекучесть, усадка и пр.) и технологические механические (обрабатываемость резанием) свойства. В конечном счете, полученный в соответствии со схемой, приведенной на рис.4.2, результат может быть существенно скорректирован технологами литейного производства.

Отдельные исследователи при выборе материала изложниц рекомендуют использовать также дополнительные параметры: циклическая вязкость, теплоустойчивость, жаростойкость, квазиизотропность, несплошность структуры, износостойкость, адгезия и пр. Безусловно, учет этих показателей будет способствовать повышению стойкости изложниц. Однако, в реальных условиях достаточным все же представляется рациональный учет параметров, оговоренных на рис.4.2, в совокупности с технологическими свойствами.

Определение толщины стенки изложницы аналитическими расчетными методами в настоящее время является крайне сложной задачей. Такого рода методики требуют наличия большого количества экспериментальных данных по условиям работы изложниц, степени однородности материала в стенке изложницы, общей характеристики физико-механических свойств материала в области рабочих температур и пр. Все эти величины зависят от большого количества факторов, не поддающихся полному учету. Кроме того, нельзя считать достаточно очевидными и бесспорными критерии, которые отдельные исследователи оговаривают в части показателей, обеспечивающих стойкость изложницы в ходе эксплуатации. Эти соображения можно, например, высказать к критерию «термоуравновешенная изложница», который у разных авторов трактуется поразному. Поэтому на практике наибольшее распространение получили приближенные методы, позволяющие по экспериментальным зависимостям с достаточной степенью точности определять оптимальную толщину стенки и затем кор-ректировать результаты расчета непосредственно в процессе эксплуатации изложниц.

Достаточно широко на практике применяют метод расчета, основанный на использовании отношения массы изложницы и массы слитка. Отношение массы изложницы к массе слитка для большинства заводов Украины и России составляет примерно 1,0-1,2. В последние годы отмечается тенденция к уменьшению величины этого соотношения. Приведенное соотношение может значительно изменяться для изложниц, в которых получают слитки для специальных видов продукции (например, трубные, колесные, кузнечные и пр. слитки). Рассчитанная толщина стенки в дальнейшем принимается в качестве среднего значения (с возможной коррекцией этой величины в зависимости от конкретных условий), на основании которого задают толщины стенок по высоте и сечению изложницы. Фактически толщина стенок увеличивается книзу равномерно по всей высоте и составляет в уширенных книзу изложницах вверху 0,90-0,95 и внизу 1,05-1,10 средней толщины, в уширенных кверху - соответственно 0,85-0,90 и 1,10-1,15. Исходя из принципа термической уравновешенности изложницы в процессе охлаждения слитка, рекомендуется утолщать стенки в местах их наибольшего разогрева. При этом форма утолщения должна быть строго выдержана, а переход к утолщениям должен быть плавным.

Вероятно, при оптимизации методики выбора чугуна и геометрических размеров изложницы необходимо учитывать ее конструкцию во взаимосвязи с анализом напряженного состояния в процессе эксплуатации. Предлагается такую комплексную оценку осуществлять методом численного анализа на ЭВМ путем обобщения результатов исследования температурных полей, напряженно-пластического состояния и стойкости изложницы. Исследования, выполненные А.А. Абрамовым, позволили сформулировать следующие общие требования, предъявляемые к материалу для отливки термоуравновешенных изложниц:

• высокий уровень температурного порога циклической вязкости материала, что позволяет повысить максимальную среднюю температуру по толщине стенки изложницы;
• максимальное увеличение коэффициента теплопроводности с целью снижения перепада температур по толщине стенки изложницы, а, следовательно, уменьшение напряжений и величины накапливаемой пластической деформации (при этом несколько повышается наибольшая толщина стенки изложницы, средняя температура, а также температура ее внутренней и наружной стенки);
• минимально низкие значения коэффициента линейного расширения и модуля упругости, что уменьшает термоупрочнение и термопластические напряжения и деформации;
• повышение временного сопротивления, предела текучести и характеристик пластичности.

В целом вышеперечисленные требования хорошо согласуются с рис.4.2. Однако использование комплексного анализа, в конечном счете, дает возможность спроектировать конструкцию изложницы с указанием основных геометрических размеров.

Следует иметь в виду, что возможности внесения конструктивных изменений все же весьма ограничены следующими факторами:

• зависимость геометрии внутренней поверхности изложницы от требований, предъявляемых со стороны обжимных станов;
• невозможность полной оптимизации толщины стенок изложницы в силу того, что один и тот же типоразмер используется для многих марок сталей с различными физическими и теплофизическими свойствами;
• необходимость проведения (в случае изменения конструкции) дополнительных трудоемких наблюдений по оценке эффективности внесенных корректив;
• дополнительные затраты на литейную оснастку, связанные с изменением конструкции изложницы.

Проектирование модельно-опочной оснастки для отливки изложниц предполагает учет целой совокупности технологических факторов. К их числу можно отнести технологию формовки, геометрические размеры изложницы, количество изложниц данного типа, которое предполагается отлить с помощью изготовленной оснастки, возможность изготовления чугунных, стальных и сварных деталей оснастки на заводе-производителе изложниц и т.п. Обычно для каждого типоразмера изложниц готовят отдельный комплект оснастки. Такая специализация уменьшает затраты труда при формовке и создает определенные удобства в работе. При изготовлении форм для изложниц малой массы в одной опоке могут быть помещены две модели.

Кроме модели ящика для центрального стержня в комплекте оснастки должны быть предусмотрены мелкие стержневые ящики для формирования отверстия под пробку и сферы дна в глуходонных изложницах, для формирования ушей, маркировки и т.д., а также шаблоны для проверки размеров, формы и правильности установки стержней. Как показывает практика, наиболее целесообразно изготовлять модельную оснастку из литых или сварных элементов с механической обработкой.

В целом же выбор типа модельной оснастки во многом зависит от технологии, принятой в данном литейном цехе, организации труда, экономических соображений и т.п.

Опочную оснастку для формовки изложниц изготовляют таким образом, чтобы при минимальном объеме набиваемой формовочной смеси возможно было обеспечить достаточную прочность форм и стержней, а также хорошее взаимное центрирование отдельных частей формы. Вопрос о толщине слоя формовочной смеси следует решать в зависимости от размера изложницы и принятой технологии. Слишком тонкий слой формовочной смеси приводит к перегреву оснастки, что может служить причиной прорыва чугуна из формы и обвала «земляной шубы». Увеличение же этого слоя, соответственно, требует увеличения расхода формовочной смеси и дополнительных затрат труда при формовке. Оптимальные размеры слоя следует определять на основе практических данных.

При разовых формах комплект опочной оснастки состоит из поддона, протяжной рамки, средней опоки (кожуха) и верхней опоки. Поддон представляет собой массивную плиту, служащую основанием для центрального стержня и опорой при сборке формы. Протяжную рамку применяют для предотвращения обвалов формовочной смеси в нижнем торце опоки. Протяжная рамка при сборке формы плотно прилегает к поддону и торцу средней опоки. Средняя опока является самой дорогой частью оснастки. Высота этой опоки обычно равна высоте изложницы с учетом усадки чугуна и вычетом толщины протяжной рамки. В отдельных случаях применяют среднюю опоку, состоящую из двух опок, соединяемых вместе. Обычно средние опоки имеют вертикальный разъем. Наличие вертикального разъема позволяет сохранить «земляную шубу». Верхнюю опоку применяют для обеспечения качественной поверхности дна или верхних торцов изложниц.

Большинство литейных цехов отливает изложницы в сухие песчано-глинистые разовые формы. Эти формы изготовляют с помощью пневматических трамбовок. При отливке в разовых формах обеспечивается более равномерная макро– и микроструктура чугуна в стенках изложницы, меньшая разностенность и большая чистота наружной поверхности.

Формы изложниц заливают с помощью поворотных и стопорных ковшей. Выбор ковша производят с учетом особенностей производства на данном предприятии. Стопорные ковши обычно применяют при заливке форм чугуном первой (доменной) плавки. Определенное значение при заливке имеет контроль температуры чугуна. На большинстве заводов рекомендуют температуру чугуна при заливке форм на уровне 1200-1250 ^оС.

Для крупных изложниц применяют три вида подвода металла: сифонный снизу, сверху или комбинированный. Сифонный способ предусматривает подвод жидкого чугуна из стояка к отливке снизу тангенциально или в торец. Основным недостатком этого способа является то, что образующаяся на зеркале чугуна пленка окислов и неметаллических включений может прилипать к стенкам формы, а также стержня и задерживать движение чугуна вверх. В дальнейшем под напором жидкого чугуна пленка прорывается, и на рабочей части изложницы могут образовывать завороты и спаи. При заливке сверху при помощи литниковой чаши и питателей (круглых и прямоугольных) создаются хорошие условия для направленного затвердевания, способствующего получению плотной отливки. Горячие порции чугуна, падающие сверху, разрушают образующуюся на зеркале пленку окислов и неметаллических включений, не затрудняют удаление газов, создают постоянную линейную скорость подъема металла. Между тем, недостатком такого способа заливки следует считать возможность разрушения стенок форм за счет динамического удара струи металла, падающего с большой высоты.

Охлаждение изложниц после заливки имеет большое значение для их стойкости в процессе эксплуатации. При быстром охлаждении на воздухе, особенно в зимнее время и на сквозняках, в изложницах образуются сильные внутренние напряжения и даже трещины, а также создаются условия для формирования нежелательных (неблагоприятных) кристаллических структур. На практике обычно после заливки собранная форма находится в неподвижном состоянии до тех пор, пока не затвердеет слой чугуна такой толщины, чтобы можно было производить с формой необходимые технологические операции, не опасаясь прорыва жидкого металла. Время от начала заливки до удаления каркаса зависит от скорости затвердевания корки металла и составляет от 3 до 9 часов. После того, как каркас стержня удален, необходимо создать условия для равномерного замедленного остывания отлитой изложницы. Чаще всего замедленное охлаждение достигается путем оставления на изложнице после снятия средней опоки слоя формовочной смеси («шубы»).

После остывания изложницы подвергают выбивке и обрубке. При этом основную массу смеси удается удалить на специальных вибростендах (виброрешетках). Обрубку изложниц обычно производят пневматическими зубилами, а обточку поверхностей – абразивными кругами.