В тонкостенной изложнице получаются меньшие температурные перепады между внутренней и наружной поверхностью, чем в толстостенной (рис. 1.3), что способствует повышению стойкости тонкостенных изложниц.
Увеличение толщины стенок изложницы приводит к увеличению их веса, вследствие чего расход изложниц на единицу стали в слитках возрастет. При этом также возможно уменьшение стойкости изложниц, так как с увеличением толщины стенок перепад температур между внутренней и наружной поверхностью возрастает как при затвердевании в ней слитка так и при охлаждении ее. Увеличение перепада температур приводит к повышению термических напряжений, что способствует образованию трещин на рабочей поверхности изложниц.
Таким образом, изложницы следует делать тонкостенными, принимая при конструировании толщину стенок, равной 0,15 – 0,20 средней ширины слитка, при этом нижний предел 0,15 для слитков весом более 7 тонн, верхний – 0,20 для слитков весом менее 2 тонн [1].
При выборе толщины стенок следует руководствоваться также конструктивными соображениями механической прочности и устойчивости изложниц [1].
При соблюдении указанных условий выбора толщины стенок и дна изложниц, их общий вес, по отношению к весу отливаемых слитков, будет составлять 0,9 – 1,1. У изложницы без дна, предназначаемых для отливки слитков кипящей стали, это отношение будет равно примерно 0,7 – 0,9 [1].
При конструировании изложниц следует уделять особое внимание форме и размерам полости для отливки слитков. В дальнейшем, для удобства изложения, вместо размеров полости изложниц следует рассматривать вес и габаритные размеры слитков.
Чрезмерное увеличение высоты слитков, при неизменной ширине, отрицательно влияет на их качество. Так например, значительное увеличение высоты слитков, разливаемых сверху, способствует увеличению разбрызгивания стали при наполнении изложниц, что, в свою очередь, приводит к увеличению количества плен и подкорковых пузырей на поверхности слитков. Увеличение высоты слитков спокойной стали вызывает также ухудшение внутреннего строения слитков вследствие развития усадочной рыхлости. При увеличении высоты слитков спокойной стали, разливаемой сифонным способом, увеличивается продолжительность 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 заворотам ее.
Увеличение высоты слитка кипящей стали, при неизменной ширине, его, ухудшает кипение стали в изложнице, так как при этом повышается ферростатическое давление в слитке, что затрудняет зарождение и всплывание пузырьков газа [5].
С другой стороны, увеличение поперечных размеров изложниц, при неизменной высоте их, как у слитков кипящей стали, так и слитков спокойной стали приводит к увеличению цикла, а также способствует большему развитию химической неоднородности, в результате увеличения массы слитка и времени его кристаллизации. Чрезмерное увеличение толщины слитков резко снижает производительность обжимных станов. При выборе толщины слитка необходимо также учитывать возможность захвата его клещами стрипперного крана.
С учетом вышесказанного при проектировании изложниц для стальных слитков применяют [4] следующие отношения высоты к средней ширине в верху слитка:
При весе слитка:
до 1 т – 5;
от 1 т до 5 т – 4;
свыше 5 т – 2,5÷3.
Изложницы, применяемые для отливки слитков, предназначенных для прокатки, делают обычно квадратного или прямоугольного сечения. Углы внутреннего контура изложницы закругляются, при этом значительно увеличивать радиус закруглений не допустимо, так как в этом случае форма слитка приближается к цилиндрической, у которой, вследствие наименьшей поверхности для данного объема слитка, тангенциальные напряжения в затвердевающем слое достигают наибольшего значения, что увеличивает склонность к образованию на поверхности слитка продольных трещин. При малом радиусе закруглений также появляется возможность образования продольных трещин на углах слитка вследствие того, что плоскости слабины, которые образуются на стыке зон транскристаллизации, растущих от смежных граней, будут находиться очень близко от поверхности. Таким образом, необходимо выбирать оптимальный радиус закруглений, при котором склонность к образованию продольных трещин будет наименьшей [1].
Оптимальным радиусом закруглений углов четырехгранных изложниц следует считать по данным работы [1] радиус, равный 10 – 12% средней ширины слитка.
В настоящее время на металлургических заводах применяются прямоугольные изложницы, имеющие разнообразную форму внутренних граней (рис. 1.4): прямые (рис. 1.4, а), вогнутые (рис 1.4, в) внутрь изложницы (рис. 1.4, б) и волнистые.
1.2. Особенности технологии производства изложниц
Изложницы на металлургических заводах отливают из доменного чугуна в специализированных цехах, на машиностроительных заводах – из ваграночного чугуна. Получение качественного жидкого чугуна для отлива изложниц, обеспечивающего высокую их стойкость, является весьма важной задачей.
В специализированных цехах при подготовке жидкого доменного чугуна требуется осуществить две основные операции: снизить температуру с целью уменьшения в металле графитовой спели, предупреждения пригара и скорректировать химический состав до уровня требований, обусловленных техническими условиями на изложницу.
Корректировка чугуна по содержанию основных элементов осуществляется добавками соответствующих ферросплавов, смешением литейного и передельного чугунов или доменного и ваграночного. При этом появляется полезный эффект модифицирования металла. Для большинства типоразмеров изложниц качественный чугун получают при использовании шихты следующего состава: 40 – 55% литейного чугуна, 10 – 15% передельного чугуна, 30 – 50% боя изложниц. При отливке мелких изложниц в шихте допускается до 10 – 15% стального лома [2].
Режим плавки чугуна для отливки изложниц определяется главным образом необходимостью получения в нем высокого содержания углерода. Для увеличения степени науглераживания чугуна обычно увеличивают горна вагранки, не стремятся к форсированному режиму плавки и к перегреву металла. Температура его при выпуске из печи не должна превышать 1300оС.
Необходимая структура и свойства чугуна в изложницах достигается регулированием скорости кристаллизации отливки и соответствующим химическим составом. Роль отдельных составляющих ограничивается регулированием структуры чугуна, что непосредственно влияет и на служебные свойства изложниц.
Для отливки изложниц чаще всего используют чугуны, средний химический состав которых приведен ниже.
| Элементы | В доменной печи, % | В вагранке, % |
| С | 4,1 – 4,4 | 3,6 – 3,8 |
| Si | 0,5 – 1,2 | 1,7 – 2,2 |
| Mn | 0,5 – 0,9 | 0,7 – 1,1 |
| S | 0,025 – 0,040 | 0,08 – 0,10 |
| P | до 0,12 | до 0,12 |
В зависимости от условий эксплуатации и типоразмеров изложниц состав чугуна может изменяться в пределах, указанных в технических условиях. Влияние основных элементов на служебные свойства изложниц наиболее полно проанализированы в работе [6].
Большинство литейных цехов отливают изложницы в сухие разовые песчано-глинистые формы. При отливке в разовых формах обеспечивается более равномерная макро – и микроструктура чугуна в стенках изложницы и меньшая разностенность. При формовке изложницы обычно применяют чистую модель. В данном случае модель и ящик для центрального стержня совмещены (рис. 1.5).
Опочная оснастка состоит из нижней (поддона) и средней опок и кокильного верха. Поддон стальной имеет строганную поверхность фланцев. Он снабжен центрирующими штырями, а для удаления газов из стержня постоянно соединен с поддоном. Поддон является базой при набивке формы и стержня.
Перед началом изготовления формы на поддоны кладут стальную строганную протяжную рамку толщиной 80 – 100 мм и центрируют по штырям. Затем по штырям устанавливают среднюю опоку, которая представляет собой сварную коробку без разъемов с отверстиями для выхода газов. Высота средней опоки равна высоте чистой модели. Скрепление средней опоки с протяжной рамкой осуществляется четырьмя коваными скобами или клиновой затяжкой. В одном из углов средней опоки в вертикальном положении устанавливают модель стояка, нижний конец которого находиться примерно на 60 мм выше протяжной рамки [2].
Для набивки формы и стержня применяют единую формовочную смесь, которая поступает равномерно из подвижных транспортеров. Смесь уплотняют пневматическими трамбовками, пескометами или заливкой ЖСС. В процессе набивки на соответствующих уровнях устанавливают модели питателей. После окончания набивки средней опоки приступают к уплотнению основного стержня из той же формовочной смеси. Для упрочнения стержня в процессе его набивки укладывают жесткие рамки из проволоки диаметром 6 мм. Обычно ставят 6 – 7 рамок равномерно по высоте.
После окончания набивки форм и стержня среднюю часть формы снимают вместе с протяжной рамкой и удаляют чистую модель. Последнюю операцию проводят в строго вертикальном направлении, чтобы моделью не разрушить стержень. Затем приступают к набивке нижней опоки (поддона) и отделке всей формы. Плотность набивки по твердомеру должна быть для форм 80 – 85 ед. и для основного стержня 80 – 90 ед. [2].
Формы и стержни окрашивают пульверизатором, толщина слоя краски 2 – 3 мм. После покраски среднюю часть формы (кожух) ставят на поддон таким образом, чтобы получилась щель для прохода газов при сушке. Достигается это при помощи специальных подкладок. Подготовленный комплект подсушивают: длительность сушки в среднем составляет 8 часов. Глубина подсушенного слоя формовочной смеси для форм и стержней должна быть не менее 50 – 60 мм.