ТехноИнжениринг.РФ

___Одним из самых значительных направлений снижения себестоимости произведенной стали, является эксплуатация сменного сталеразливочного оборудования с минимальным расходным коэффициентом, который достигается наращиванием количества наливов, принятых каждой отдельно взятой изложницей, а следовательно и увеличением срока её эксплуатации.

___Основными причинами выхода из строя изложницы являются трещины, которые зарождаются и развиваются вследствие сложных термохимических и адгезионных процессов, вызываемых неравномерными циклическими нагревами и охлаждениями рабочих стенок во всех трех измерениях (по длине, по ширине и по толщине). Это приводит к появлению неоднородного, изменяющегося с перепадами температуры поля внутренних напряжений в стенке изложницы, вызывающего сначала её упругие деформации, а затем и разрушение (появление и развитие трещин). На применяемом в настоящее время чугуне для изготовления изложниц (СЧ15…СЧ20), практически полностью отсутствует пластичность при высоких температурах эксплуатации. В поверхностном слое изложницы нереализованная внутренняя термическая деформация обычно в 2 раза превосходит деформацию, соответствующую пределу текучести материала при заданной температуре. Поэтому в каждом цикле нагружения изложницы (заливка — извлечение слитка), внутренняя упругая деформация растяжения сменяется деформацией сжатия, что приводит к термической усталости в структуре чугуна. Термические напряжения возникают также вследствие внутренних структурных превращений: окисления границ кристаллов, роста зерна, укрупнения и разрастания графитовых включений (графитизации) — протекающих тем интенсивнее, чем выше температура разогрева изложницы. Образование трещин в основном начинается в тех частях чугунной отливки, металлическая матрица которых ослаблена наличием неоднородностей (неметаллические включения (газовые или шлаковые раковины)). Это приводит к появлению неравномерно напряженного состояния по сечению стенки отливки. Рано или поздно, внутренние напряжения, особенно если их градиент постоянно увеличивается, вызывают изменения структуры металлической матрицы, что приводит к зарождению и развитию трещин, а следовательно и к разрушению изложницы.

___В целях увеличения срока службы сталеразливочных изложниц, все проводимые мероприятия должны быть направлены на получение равномерной — без ослабляющих элементов и нереализованных напряжений, структуры чугуна. Потому что способность изложницы выдерживать термические нагружения не разрушаясь, зависит от механических свойств материала из которого она изготовлена, точнее от степени изменения свойств, при нагреве изложницы до рабочих температур.

___Удовлетворительная стойкость изложниц обеспечивается сочетанием улучшения конструктивных, технологических и эксплуатационных характеристик её работы.

___Конструктивные методы основаны на правильном выборе материалов для изготовления изложницы, которые способны выдерживать упругие деформации, то есть обладать пластичностью до определённой степени — не вызывая грубых изменений геометрии рабочей полости изложницы (формирующей слиток).

___Технологические методы направлены на снижение внутренних литейных напряжений и на повышение стойкости поверхностного слоя рабочей полости изложницы, имеющего наибольший градиент перепада температур.

___Эксплуатационные способы повышения стойкости изложниц стремятся строго регламентировать температурный режима её работы, зависящий от температуры изложницы перед заливкой, от температуры разливаемого металла, от состава, от свойств и от состояния огнеупорного покрытия на её рабочей поверхности, а также от темпа (частоты заливок или коэффициента оборачиваемости) работы изложницы. Стойкость изложницы также может быть повышена надлежащим уходом за ней при эксплуатации, это обеспечивается своевременной и грамотно сбалансированной системой планово-предупредительных ремонтов (ППР).

___Анализ причин возникновения трещин и разрушения изложниц:

___Качественная и количественная оценка причин возникновения трещин показывает, что они зарождаются и развиваются вокруг крупных неоднородностей металлической, матрицы чугуна или по границам внутренних литейных дефектов (см. фото).

___Основная причина образования внутренних литейных дефектов — это наличие в отливках изложниц шлаковых включений, вследствие использования для заливки форм поворотных кошей. Ввиду меньшей плотности шлака по сравнению с расплавом чугуна, чаще всего шлаковые включения располагаются внутри отливок ближе к верхним горизонтам литейных форм. Если шлаковая раковина обнажается и выходит на поверхность отливки, то ее поверхности могут иметь гладкую или шероховатую поверхность с неровными краями. В зависимости от причин образования, внутри шлаков встречаются отдельные изоокисления некоторых примесей чугуна (кремния и марганца). Если же шлаковая раковина располагается внутри тела отливки, не контактируя с поверхностью, то это приводит к ослаблению матрицы чугуна, зарождению и дальнейшему развитию трещин. В процессе переливов чугуна из плавильного агрегата в ковш, а также во время заливки формы, расплав взаимодействует с материалом футеровки ковшей и с атмосферой, соответственно образуя шлаки. Шлак обычно стремятся удалить с поверхности металла в ковше, но его частицы в некоторых количествах все равно остаются в расплаве. Эти частицы шлака могут при заливке попадать в форму и образовывать неметаллические (шлаковые) включения в отливке, не успевая в полной мере всплывать в полости прибыльных частей отливок.

___При заливке формы расплав все время находится в контакте с формовочной смесью, которая может разрушаться. Частицы смеси попадают в расплав и при затвердевании отливки остаются в ней в виде песчаных включений. Песчаные включения возникают также вследствие попадания формовочной смеси внутрь формы при сборке, простановке стержней, обдувке формы сжатым воздухом, при кантовке или даже из-за небрежности или недостаточной квалификации рабочих. Но все же основная причина образования шлаковых включений — это проникновение шлака вместе с расплавом в рабочую полость литейной формы из ковша. Возможность такого проникновения определяется количеством и природой образования шлаковых включений в расплаве, а также надежностью технологических приемов, предотвращающих их попадание в отливку.

___Шлак попадает в расплав обычно при механическом перемешивании его с расплавом в процессе плавки и при выпуске из плавильного агрегата. Вследствие меньшего удельного веса, шлаковые частицы в расплаве стремятся укрупниться и всплыть на поверхность. Однако при недостаточной температуре металла и времени выдержки его в ковше перед заливкой, что наблюдается в массовом и серийном производстве, шлаковые частицы не успевают полностью всплыть и попадают в литейную форму вместе с расплавом. Очень мелкие шлаковые частицы, образующиеся вследствие физико-химических реакций внутри расплава, обычно не приводят к образованию существенных дефектов. Например, в мелких и тонкостенных отливках, затвердевание происходит значительно быстрее, чем эти частицы успевают всплыть и укрупниться. Однако в крупнотоннажных и медленно охлаждающихся отливках (таких как изложницы), особенно при недостаточной выдержке расплава в ковше, шлаковые частицы могут соединяться, увеличиваясь в размерах, и подниматься вверх к окончанию затвердевания. В таких случаях внутри отливок образуется большое количество шлаковых раковин.

___Основные способы предотвращения образования шлаковых включений можно разделить на две группы: способы, направленные на наиболее полное отделение шлака от металла с зеркала ковша, и способы, обеспечивающие задержку шлака в литниковой системе за счет применения специальных элементов (шлакоуловителей), а также правильного подбора соответствующих сечений ее составных частей.

___Для более полного скачивания шлака с зеркала ковша, металл должен быть выдержан значительное время в ковше (10…15 минут, чтобы большинство частиц успело всплыть). Однако вследствие низкой температуры получаемого нами ваграночного чугуна (1190…1250°С). чтобы не заморозить металл в ковше, мы стремимся побыстрее скачать шлак и залить форму. Выходом из сложившейся ситуации может служить только повышение температуры расплава до 1400…1450°С. Это позволит дольше выдерживать металл в ковше перед заливкой до 15…20 минут, наиболее полно удалять шлак с зеркала и значительно повысить жидкотекучесть металла, а соответственно и снизить количество дефектов в отливках от неспаявшихся слоев металла (уже готовых трещин — неспаев).

___Также на образование трещин в изложницах влияет форма графитовых включений, располагающихся внутри металлической матрицы. У выплавляемого нами в вагранке серого чугуна, графитовые включения имеют плоскую ланцетовидную форму с острыми краями, которые уже первоначально являются концентраторами внутренних литейных напряжений.

___По причине частых теплосмен работы изложницы, внутри металлической матрицы чугуна происходят структурные изменения, которые являются результатом — фазовой перекристаллизации. Кристаллы (зерна) вследствие периодических нагревов сначала интенсивно растут, увеличиваясь в размерах и создавая новые внутренние напряжения, а затем, начиная с краёв, распадаются на также зернистые перлит, феррит и чистый графит. Новые зёрна элементов металлической матрицы имеют свои оболочки, состоящие из зон: диффузионного окисления, обезуглероживания, перераспределения с последующей локальной концентрацией по границам зёрен оксидов, сульфидов, хрупких и недеформируемых силикатов сложного состава. Процессы фазовой перекристаллизации рождают новые внутренние напряжения, концентраторы которых располагаются в основном по границам постоянно растущих от нагревов зёрен. Образовавшиеся вновь структурные фазы — новые составляющие металлической матрицы, имеют каждая свой удельный объём, который в значительной степени отличается от удельного объёма первоначальной металлической матрицы. Вследствие этого, в поверхностном слое графитового ланцетовидного зерна возникают растягивающие напряжения, а в середине сечения зерна — образуются сжимающие напряжения. По причине цикличности термонагрузок на изложницу, подобного рода напряжения сначала приводят к образованию и развитию трещин, а в последствии и к разрушению изложницы.

___Если графитовое зерно внутри металлической матрицы чугуна имеет округлую (шаровидную или вермикулярную) форму, то оно, вследствие меньшей поверхности и более сбалансированной структуры — менее подвержено влиянию явления фазовой перекристаллизации и менее насыщено концентраторами внутренних напряжений, чем плоское ланцетовидное графитовое зерно серого чугуна.

___Ввиду положительного влияния структуры чугуна с округлой формой графитовых включений на стойкость изложниц, целесообразно внедрить технологию модифицирования при изготовлении всего сталеразливочного оборудования. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) получают путём модифицирования жидкого чугуна сфероидизирующими. модификаторами, содержащими магний, церий или иттрий. Температура чугуна при модифицировании магниевыми лигатурами, должна составлять 1400…1480°С. Это объясняется тем. что на испарение магния, введённого в расплав, требуется значительное количество теплоты (при введении каждого 1% Mg — температура чугуна снижается на 80…90°С). При погружении магнийсодержащих лигатур в расплав чугуна, при температуре свыше 1400°С. магний испаряется и давление его паров может достигать 0.7МПа. Пары магния, выходя из расплава, вызывают интенсивное перемешивание металла. Над поверхностью расплава пары магния сгорают, образуя незначительный пироэффект. Обычно в металле остаётся не более 1/10 количества введённого в него магния.

___При плавке чугуна в электродуговой печи, максимальная температура перегрева расплава, которую удалось достичь, составила 1340°С, что отражено в технологической инструкции «Отливка изложниц под кузнечные слитки». Это объясняется тем, что электрическая дуга сначала нагревает шлак, а затем уже от шлака греется металл. Ввиду меньшей теплопроводности чугуна по сравнению со сталью, в электродуговой печи и не получается перегреть расплав чугуна свыше 1340°С.

___Температуру 1400…1480°С перегрева чугуна для проведения качественного модифицирования графитовых включений и более полного удаления шлаковых частиц из расплава, способна обеспечить только индукционная печь УИП-5400-0,25-10,0*Г1. Ввиду высокой температуры (свыше 2000°С), достигаемой в индукционной печи, возможно сварить практически любой сплав и с любой степенью чистоты, а длительность плавки составляет всего 1,5…2 часа. Данный плавильный агрегат не имеет нагревательного элемента, а расплавляемый металл, при помощи индукционных токов разогревается сразу по всему объему. Это позволяет полностью исключить применение ферросплавов для выплавки чугуна, значительно снизить угар, уменьшить расходы электроэнергии на выплавку стали, а также исключить применение добавочных и заправочных материалов для наведения рафинирующих шлаков. Индукционная печь не требует проведения сначала окислительных, а затем раскислительных процессов с целью доведения расплава до заданного хим. состава. Также на индукционной печи практически отсутствует газо-, пыле- и дымовыделение, по сравнению с электродуговой печью или вагранкой, что позволит значительно снизить влияние на работающих опасных и вредных производственных факторов, а также улучшить экологическую ситуацию вокруг предприятия.

___Повышение температуры расплава чугуна для более полного скачивания шлака с зеркала ковша и для проведения качественного модифицирования микроструктуры отливок с целью получения шаровидной формы графитовых включений внутри чугуна — является единственным способом увеличения стойкости изложниц.

___План мероприятий для повышения стойкости изложниц:

—1.) Приобрести индукционную плавильную печь УИП-5400-0,25-10,0*Г1 в ЗАО «Релтэк» г. Екатеринбург. Потому что плавильное оборудование производства данной компании имеет полный комплекс лицензий «Ростехнадзора» и сертификатов безопасности.

—2.) Залить бетоном новый фундамент под индукционную печь согласно паспортных данных на установку.

—3.) Установить новое оборудование на фундамент, подвести электросиловые кабеля, проложить цепи управления и контроля, запитать печь водой при помощи прокладки трубопроводов для охлаждения индуктора и тиристорного преобразователя частоты рабочего тока.

—4.) Спроектировать и изготовить загрузочное устройство для подачи шихтовых материалов в плавильный тигель.

—5.) Изготовить набивной плавильный тигель с кислой, основной или нейтральной футеровкой согласно предписаний паспортных данных на установку.

—6.) Для выплавки чугуна использовать следующее соотношение загрузки шихтовых материалов от массы металлозавалки:

-Чугун литейный Л1…Л5 — 60%.

-Чугун бой изложниц — 40%.

—7.) Расплавить чугунную шихту и довести температуру до 1450…1500°С. Длительность плавки 1,5…2 часа.

—8.) За 5 минут до выпуска плавки, на дно высушенного и нагретого 10-тонного поворотного ковша насыпать модификатор ФСМг7 равномерным слоем из расчета 7…8 кг/т. Далее сушить его пламенем газовых горелок в течение 3…5 минут.

—9.) Путем наклона индукционной печи, выпустить плавку в ковш с модификатором.

—10.) Дать отстояться металлу в ковше в течение 10…15 минут (до завершения пироэффекта).

—11.) Скачать шлак с зеркала ковша начисто. Когда металл успокоится, перестанут крутиться вихревые потоки, и на поверхности начнет образовываться тоненькая плёночка (как пенка на молоке) — можно приступать к разливке. Температура металла 1400.. 1410°С.

—12.) Разливку чугуна осуществлять согласно технологической инструкции «Отливка изложниц в земляную форму».

—13.) Выдержка отливок изложниц в земляной форме до выбивки — не менее 18 часов.

—14.) Вылеживание изложниц на складе готовой продукции в литейном цехе до отправки на эксплуатацию — не менее 50 суток.

___