CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007р. Вип.М?
УДК 621.746.62:620.192.22
1 2 Казачков Е.А. . Макуров B.C.
УЛУЧШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ПРИБЫЛИ КРУПНЫХ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ
Экспериментальными исследованиями показана возможность снижения на 5 -б % относительной массы прибыльной части крупных листовых слитков за счет дополнительного утепления футеровки прибыльной надставки экзотермическими материалами.
Актуальными проблемами металлургии Украины являются рациональное использование энергетических и материальных ресурсов при условии повышения требований к качеству металлопродукции и защите окружающей среды.
Несмотря на широкое развитие в мировой практике процессов непрерывной разливки стали ряд изделий машиностроения предполагает производство крупных стальных слитков для поковок и прокатки толстых листов.
В процессе затвердевания и охлаждения слитка протекают процессы усадки металла, сущность которой состоит в объемных изменениях, происходящих при фазовых превращениях и охлаждении. Эти процессы проявляются в слитке характерными изменениями, в результате которых уменьшаются его общие размеры и в ряде случаев образуются усадочные пустоты (усадочные раковины, усадочная пористость), усадочные деформации (линейная усадка, коробление). трещины, остаточные внутренние напряжения.
Для компенсации усадки металла и локализации усадочной раковины служит прибыльная часть слитка, уменьшение которой позволяет снизить количество отходов от слитка в виде головной обрези.
Объем усадочной раковины в головной части слитка спокойной стали зависит главным образом от состава металла и температуры разливки. В то же время геометрическая форма и протяженность по высоте усадочной раковины определяются конфигурацией прибыли, конструкцией прибыльной надставки, условиями теплоотвода через футеровку надставки, утеплением зеркала металла и другими факторами.
На практике на прибыльную часть слитка, которая служит для восполнения усадки стали при затвердевании, расходуется 18-20 % металла от массы слитка, а с увеличением его конусности эта величина еще более возрастает.
По данным работы [ 1 ] для компенсации усадки из прибыли в тело слитка требуется передать около 3 % жидкого металла. Остальные 15 - 17 % металла, остающиеся в прибыли к моменту затвердевания слитка, обеспечивают поддержание этого количества стали в жидком состоянии до момента затвердевания его тела под прибылью. Отсюда ясно, какое значение имеет разработка эффективного утепления для уменьшения прибыли.
Применяемые на практике способы у лучшения тепловой работы прибыли можно разделить на две принципиально отличных группы |2|: термостатические методы, основанные на более рациональном использовании собственной теплоты жидкого металла прибыльной части слитка; экзотермические методы, предусматривающие тем или иным способом подвод теплоты извне к прибыли затвердевающего слитка.
На практике также применяются комбинированные методы, сочетающие в различной степени элементы первых двух.
Для цилиндрических прибылей с диаметром d и высотой h (при d=h) боковая поверхность охлаждения равна Sc,-rai\ а площадь охлаждения верха слитка S.-nxTM.
]ПГТУ, д-р техн. наук, проф. "ПГТУ, аспирант
Так как поверхность охлаждения с боковых сторон в 4 раза больше, чем площадь охлаждения через верх прибыли, то необходимо значительно ограничить тепловой поток через ее боковую поверхность.
Изучением теплового баланса прибыли в работе [2] установили, что наибольшая часть тепла (при закрытом зеркале металла) расходуется на нагрев футеровки и корпуса надставки и теряется с ее поверхности в окружающую среду. Затраты теплоты по этим статьям в сумме составляют 75-85 % всех тепловых потерь.
Это обстоятельство позволяет предположить, что применснение изоляционных прослоек, уменьшающих потери в окружающую среду или малотсплоемкой и низкотсплопроводной футеровки, снижающей затраты теплоты на разогрев кладки, или того и другого вместе, приведёт к улучшению тепловой работы прибыли и возможности уменьшить на нее расход металла.
Открытое зеркало металла в прибыльной надставке вызывает весьма значительные потери теплоты, главным образом, путём лучеиспускания с сё поверхности. В результате специально поставленных опытов в работе |3| было установлено, что через свободное зеркало металла в надставке теряется от 15 до 25 % теплоты металла прибыли. Засыпка зеркала металла теплоизолирующими смесями позволяет резко сократить эти потери и довести их до значений 8 %, если изолирующий слой засыпки достаточно велик. В качестве изолирующих материалов обычно используются малотсплопроводные порошкообразные материалы, насыпаемые слоем 30-50 мм. Чаще всего зеркало металла засыпают вермикулитом, перлитографитовой смесью или более дешёвыми смесями: золы ТЭЦ и углсродосодержащих материалов [4].
Применение теплоизолирующих смесей позволяет уменьшить расход металла на прибыль примерно на 3 % в сравнении с вариантом без покрытия зеркала металла. Объём прибыли в этом случае можно довести до 20 % от массы слитка, а для менее ответственных изделий даже до 16-18%.
Широкое распространение при отливке слитков спокойной стали получило утепление боковой поверхности прибыльной части одноразовыми теплоизоляционными вкладышами [3,5 и др.]. Однако, такие вкладыши осыпаются при раздевании слитков и создают высокую запыленность в стрипперном отделении. При расходе вкладышей 5 кг/т стали накапливается значительное количество отходов, которые необходимо убирать и утилизировать.
Таким образом, применение рассмотренных термостатических методов не позволяет уменьшить объем прибыльной части слитка более, чем на 3-4 %, т.е. не дает возможности достичь ее теоретического объема при наилучшей в настоящее время теплоизоляции металла.
Согласно данным работы [6| для обеспечения наиболее благоприятных условий формирования слитка необходима доставка теплоты к прибыли извне. Идеальным вариантом является создание прибыльной надставки, не выделяющей теплоту в слиток, но предотвращающей выделение из него теплоты. Это связано с тем, что крайне важно не вводить дополнительную теплоту в тело слитка. Она переносится конвективными потоками в нижнюю часть слитка, где вследствие этого происходит задержка его затвердевания и усиление сегрегации примесей в металле.
Экзотермические методы улучшения работы прибыли реализуются путем электродугов ого. газового или электрошлакового обогрева, а также применением специальных экзотермических материалов [7|. Последний способ не требует специального оборудования и может быть реализован в любых условиях.
Цель настоящей работы - уменьшение головной обрези крупных стальных слитков за счет уменьшения объема прибыльной части при се обогреве экзотермическими материалами.
Рассмотрим процесс формирования усадочной раковины в прибыли слитка (рис.1). Формирование усадочной раковины в прибыли зависит от соотношения тепловых потоков в боковом и вертикальном направлениях. В случае, когда тепловой поток в боковом направлении значительно больше, чем в вертикальном, то общая результирующая теплового потока приближается к горизонтальному направлению, что предопределяет и глубокую усадочную раковину в прибыли, а следовательно, и невысокий выход годного (рис. 1. а).
Если действие боковой изоляции улучшено, как показано на рис. 1, б и тепловой поток через боковую сторону утепленной прибыльной надставки ограничен, то угол результирующей
вектора теплового потока отклоняется больше от горизонтального направления по сравнению с предыдущим случаем и угол фронта затвердевания уменьшается относительно вертикальной линии в любое время в период затвердевания. Следовательно, получается более ровное очертание прибыли и выход годного увеличивается.
На рис.1, в показано влияние уменьшения теплового потока от верха прибыльной части слитка за счет усовершенствования верхнего покрытия. Уменьшение теплового потока к верхней части слитка, достигнутое в данном случае, оказывает такое же действие на увеличение угла фронта затвердевания от вертикальной линии, как и при улучшении теплоизоляции боковой поверхности прибыли.
Если тепловой поток ограничен в боковом и вертикальном направлении, то результирующая теплового потока приближается к вертикальной линии. Тем самым создастся более плавное очертание контура усадочной раковины, которая получается неглубокой, что и формирует высокий выход годного такого слитка (рис.1, г).
Для получения достаточно широкой и мелкой усадочной раковины требуется, чтобы скорость затвердевания металла в прибыли была значительно меньше, чем скорость затвердевания тела слитка. Продолжительность сохранения металла в прибыли в жидком состоянии зависит от интенсивности отвода тепла, который осуществляется через футеровку' и каркас прибыльной надставки, а при использовании экзотермических методов дополнительно от количества теплоты подводимой к прибыли.
С целью изучения возможности уменьшения прибыльной части листовых слитков массой 30 т провели отливку двух слитков с различными вариантами утепления прибыли. Для этого на две изложницы ЛП-30 установили прибыльные надставки ЛП-22, которые позволили сформировать прибыльную часть опытных слитков с относительной массой прибыли 13.2 %. В качестве сравнительного использовали слиток ЛП-27 с относительной массой прибыли - 18 %. Все три слитка из Ст. Зсп. были отлиты одновременно сифонным способом на четырехместном поддоне. Продолжительность заполнения тела слитка составила 14 мин, прибыльной надставки - 4 мин. Налив прибылей опытных и сравнительного слитка по высоте был одинаковым и составлял 750 мм.
Сравнительный слиток отливали по стандартной технологии с утеплением зеркала металла перлито-графитовой смесью (расход 2 кг/т стали), помещаемой в бу мажных пакетах на дно изложницы до начала разливки.
Один из опытных слитков отливали под перлито-графитовой смесью с расходом 2,2 кг/т, прибыльную надставку дополнительно утепляли экзотермическими плитами.
Второй опытный слиток отливали с пониженным расходом перлито-графитовой смеси (1,2 кг/т). После отливки дополнительно утепляли поверхности металла экзотермической смесью «Ферракс». Ее изготавливают на базе вермикулярного графита который при нагревании значительно увеличивается в объеме, обеспечивая тем самым низкую теплопроводность. Состав сме-
си следующий, %: глинозем - 45.5: алюминиевый порошок - 25.5; вермикулярный графит - 8,5: древесная мутса - 13: перлит - 4: селитра -3: криолит - 0,5.
Смесь «Ферракс» подавали в полиэтиленовых пакетах дополнительно на слой теплоизолирующей смеси после окончания разливки в количестве 0,5 кг/т. Смесь равномерно распределилась по поверхности металла, затем возникло тлеющее горение и вспучивание огарка. Таким образом формировался слой огнеу порного материала, обеспечивающий хорошее утепление металла до конца его затвердевания в прибыли.
Дополнительное утепление боковой поверхности прибыльной надставки опытного слитка производили экзотермическими плитами толщиной 40 мм следующего химического состава,% : алюминиевый порошок 25; шамот - 20; глина огнеупорная - 28; селитра - 12; древесные опилки - 12; связующие - остальное.
Экзотермические плиты укладывали на шамотную футеровку надставки и укрепляли с помощью скоб и клиньев. Уменьшение объема прибыли по наливу за счет объема плит составило 1.2 %.
Горение экзотермических плит, если су дить по догоранию выделяющихся газов, продолжалось 18-20 мин.
При анализе тепловой работы прибыли необходимо учитывать потери тепла через зеркало металла, покрытое слоем теплоизолирующего порошка. В работе |3| эти потери оценивали по средней температуре поверхности засыпки, на которую укладывали термопары. В работе [8] вместо термопар использовали термометр сопротивления оригинальной конструкции, в котором датчиком служила алюмелевая проволока, свернутая в спираль и защищенная керамическими бусами. В обоих слу чаях тепловой поток от засыпки определяли расчетным путем.
Вместе с тем. такой метод не обеспечивает надлежащей точности из-за постоянного изменения состояния поверхности засыпки, связанного с ее спеканием и подплавлением. Образующаяся корка шлака ломается при у садке металла в прибыли, в ней образуются открытые места, где возникают интенсивные тепловые потери излучением.
Учитывая последнее обстоятельство, в настоящей работе производили непосредственное измерение тепловых потоков от утепленного зеркала металла с помощью у совершенствованного тепломера калориметрического типа, констру кция которого описана в работе [9] .
На рис. 2 приведены измеренные значения удельного теплового потока от верха прибыли опытных и сравнительного слитков в процессе их затвердевания. Измерения проводили в течение большей части времени затвердевания слитков, которое по данным вертикального зондирования составляет порядка 5 часов.
Измерения тепловых потоков показали (см. рис.2), что перлито-графитовая смесь при достаточном ее расходе обеспечивает хорошее утепление зеркала металла в прибыли. При использовании боковых экзотермических плит тепловой поток от засыпки несколько выше, чем в слу чае стандартной прибыльной надставки, что связано с более высокой температурой металла в прибыли, вызывающей перегрев и подплавление утепляющей засыпки. Максиму м на кривой 3 связан, очевидно, с протеканием экзотермических реакций в засыпкс. После их завершения образу ется слой утепляющего материала, и тепловые потери от верха прибыли мало отличаются от таковых при использовании теплоизолирующих смесей. Это связано с тем, что после окончания разливки под теплоизолиру ющей смесью экзосмесь подается на слой остаточного теплоизолирующего порошка, что существенно снижает эффективность ее применения -большая часть тепла с поверхности засыпки теряется в окру жающу ю срсду.
После остывания опытных и сравнительных слитков от них отделили прибыльные части с прихватом 100 мм по высоте тела слитка. Затем перпендикулярно широкой грани слитка были вырезаны темплеты для изучения макрострукту ры металла.
Схемы у садочных раковин в прибылях показаны на рис. 3. Прибыль сравнительного слитка (см. рис. 3, а) имеет классическое строение.
В опытном слитке, утепленном смесью «Ферракс» (см. рис. 3. б), усадочная раковина проникает в тело слитка. В случае использования боковых экзотермических плит с утеплением зеркала металла в прибыли перлито-графитовой смесью (см. рис. 3. в) усадочная раковина локализована в прибыли, несмотря на снижение относительной доли прибыли по сравнению с серийным слитком на 6 % .
40
80
120
160 200 240 280
320
Время от конца заливки, мин
Рис. 2 - Изменение удельного теплового потока от утепленного зеркала металла крупных листовых слитков: 1- сравнительный слиток ЛП-27; 2- слиток ЛП-30 с утеплением боковой поверхности прибыли экзотермическими плитами; 3 - слиток ЛП-30 с утеплением зеркала металла в прибыли смесью «Ферракс»
Кроме того, в прибыльной части рассматриваемого слитка (см. рис. 3, в) имеется запас здорового металла порядка 80-100 мм от уровня заплечиков, что позволяет получить дополнительную экономию металла за счет уменьшения уровня налива металла в прибыли. Однако, это возможна только в случае улучшения качества стали т.к. ликвация серы в подприбыльной части крупных листовых слитков по данным работы [10] составляет 55-60 %,
Дополнительное уменьшение прибыльной части может быть достигнуто применением экзотермических засыпок зеркала металла, однако этот вопрос должен решаться из экономических соображений.
500 мм
I-1
в
Рис.3 - Формирование усадочных раковин в сравнительном (а) и опытных (б, в) слитках
В настоящее время фирма FOSECO Steel (Германия) выпускает экзотермические смеси и одноразовые экзотермические утеплители прибылей из материала BORFAX. который поставляется в виде ленты из отдельных секций. В зависимости от массы слитка толщина секций может быть 30, 40 и 60 мм. Экзотермические вставки могут применяться совместно с теплоизоляционными вкладышами, что позволяет отказаться от шамотной футеровки надставок. За счет применения, новых экзотермических материалов возможно производить высококачественные слитки с относительным объемом прибыли 10-12 % .
Выводы
1. Значительное сокращение объема металла в прибыли крупных стальных слитков возможно только за счет применения экзотермических методов, наиболее удобным из которых является использование экзотермических смесей и плит.
2. В случае сифонной разливки стали под теплоизолирующими смесями применение дополнительных экзотермических засыпок зеркала металла малоэффективно.
3. Применение экзотермических плит для дополнительного утепления боковой поверхности надставки позволяет уменьшить относительный объем прибыли в листовых слитках массой 30 т на 5-6 %,
Перечень ссылок
1, Скобло С.Я. Слитки для крупных поковок /С.Я. Скобло, Е.А. Казачков. - М .: Металлургия. 1973,- 248 с.
2, Исследование тепловой работы изложниц для кузнечных слитков / Е.А. Казачков, С.Я. Скобло. Ю.И. Кирюшкин и др. // Производство и обработка стали: Сб. науч. тр. / ЖдМИ .- М.: Металлургиздат, 1960. - С, 68-109.
3, Анализ тепловой работы прибыльной части слитков спокойной стали при различных способах утепления . /.И. Крупман, A.C. Петик. КП.Синяговский и др. // Разливка стали в слитки и их качество: Сб. науч. тр. МЧМ СССР . - М .: Металлургия, 1973. -Вып. 2,- С. 20-26,
4, Шабловский В.А. Смеси для сифонной разливки стали в слитки / В.А. Шаблоеский, Ю.В. Климов, И.Ф.Анищенко // Труды 3-й международной научно-техн.конф. - Донецк: ДонНТУ. 2007, - С. 322-326,
5, Шнееров ЯА. Разработка и внедрение технологии разливки спокойной стали с применением теплоизоляционных вкладышей / Я. А. Шнееров, В.Ф. Поляков // Разливка стали и качество слитка: Сб, науч. тр. - К,, 1971, - С. 3-11.
6, Flemings М.С. Principles of Control of Soundness and Homogeneity of Lage Ingots / M.C. blemings i I Scandinavian Journal of Metallurgy. - 1976. - № 5. - P. 1-15.
7, Мостовой Á.H. Новые технологические процессы получения качественных кузнечных слитков А.Б. Мостовой. Л. Ф. Выгодпер, Л.А. Каменский . - М .: Металлургия, 1983, -112 с,
8, Метод определения потерь тепла прибылью слитка через поверхность засыпки / A.M. Скребцов, С.Я.Скобло. Ю.И. Кнрюшкин и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1973. - №8. -С. 46-49.
9, Теплоизолирующая смссь для сифонной разливки стали / В.А.Федоров, С.Л.Макуров, Г.Г. Житник и др.И Металлург. - 1977. - JVk 12. - С. 20-22.
10, Казачков Е. А . Механизм формирования химической неоднородности крупных стальных слитков и оптимизация их параметров // Е. А. Казачков, С.Л. Макуров // Процессы литья. -1996.-№1.-С.35-44.
Рецензент: A.B. Остроушко канд. техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 16.04.2007
