Область техники

Изобретение касается металлургии черных и цветных металлов и может быть использовано при получении слитков при сифонной разливке или разливке сверху.

Известный уровень техники

Известен способ отливки слитка [см. патент Украины Ns 26120, М. кл. B22D 27/04, опубл. 07.06.99. Бюл. Ns 3], включающий разливку металла в изложницы и кристаллизацию слитка с герметизацией усадочной полости через 0,1-0,3 времени полного затвердевания слитка.

Этот способ не позволяет обеспечить высокое качество поверхности слитка из-за контакта расплава с кислородом воздуха, который постоянно поступает в изложницы в ходе разливки.

Известен способ отливки слитка [заявка на авт. свид. СССР Ns 4426342/02,

B22D 7/10 от 17.05.88], включающий разливку металла в изложницы и кристаллизацию слитка с использованием подпитки расплавом до полного затвердевания металла в слитке. Недостатком способа является невозможность обеспечения качества поверхности и сердцевины слитка. Это связано с тем, что в ходе разливки расплав металла контактирует с кислородом воздуха, который постоянно поступает в изложницы в течение процесса разливки и тем самым снижает качество поверхности слитка. При этом подпитка слитка жидким металлом в течение процесса разливки (заполнения изложницы металлом) делает время отливки слитка длиннее, способствует развитию ликвации и ухудшению качества сердцевины слитка.

Известен способ получения слитка, принятый в качестве прототипа, включающий заполнение изложницы металлом, замораживание расплава в верхней части изложницы под ферростатичным давлением и кристаллизацию слитка [см. патент Украины 55822 А, М. кл. B22D 7/00, опубл. 15.04.2003]. При этом осуществляется подпитка расплавом до полного затвердевания металла в изложнице. Устройство для осуществления этого способа является также прототипом для предлагаемого в заявляемом изобретении устройства. Устройство-прототип включает поддон с установленными на нем одной или несколькими изложницами, литниковую систему, соединенную с изложницами, емкость для питающего слиток расплава, холодильник, размещенный в верхней части каждой изложницы. Емкость для питающего слиток расплава расположена выше верхней точки получаемого слитка и связана с каждой из изложниц.

Недостатком указанного способа и устройства является то, что они не позволяют обеспечить высокое качество поверхности слитка, поскольку поверхность расплава при заполнении изложницы контактирует с атмосферным воздухом и окисляется, создавая предпосылки для появления на слитке поверхностных дефектов.

Сущность изобретения

В основу заявляемого изобретения поставлена задача усовершенствовать способ получения слитка и устройство для его осуществления, путем выполнения дополнительных действий, использования новых режимов получения слитка, применения дополнительных конструктивных элементов, их определенным взаимным расположением. Целью изобретения является повышение качества поверхности слитка и макроструктуры металла, без ухудшения качества сердцевины слитка.

Поставленная задача решается следующим образом:

1. В известном способе получения слитка, включающем заполнение изложницы металлом, замораживание расплава в верхней части изложницы под ферростатичным давлением и кристаллизацию слитка, согласно изобретению, при заполнении металлом в изложнице над расплавом создают избыточное давление

газовой среды в пределах 1 - 300000 Па.

2. В способе по п. 1, согласно изобретению, заполнение изложницы металлом ведут в среде защитного газа.

3. В способе по п. 2, согласно изобретению, в качестве защитного газа используют инертный газ, или азот, или углекислый газ, или газ-восстановитель, или воздух, из которого удален кислород. 4. В способе по одному из пунктов 2 или 3, согласно изобретению, к началу заполнения изложницы металлом в нее подают защитный газ.

5. В способе по одному из пунктов 2, или 3, согласно изобретению, в процессе заполнения изложницы металлом в нее подают защитный газ.

6. В способе по одному из пунктов 2 или 3, согласно изобретению, в изложнице до начала разливки (заполнения изложницы металлом) размещают вещество, которое при контакте с расплавом и/или нагревании реагирует с кислородом воздуха, в результате чего в изложнице образуется защитный газ.

7. В способе по п. 5, согласно изобретению, в ходе разливки (заполнения изложницы металлом) подачу защитного газа в изложницу ведут через газоподводящую трубку, размещенную так, что ее нижний срез находится внутри изложницы ниже уровня налива расплава, а момент контакта нижнего среза трубки с расплавом определяют по скачку давления в газопроводе.

8. В способе по п. 4, согласно изобретению, при сифонной разливке заполнение изложниц защитным газом перед разливкой (заполнением изложниц металлом) осуществляют через центровую.

9. В устройстве для осуществления способа по п. 1, включающем поддон с установленными на нем одной или несколькими изложницами, литниковую систему, соединенную с изложницами, емкость для питающего слиток расплава, холодильник в верхней части каждой изложницы, согласно изобретению, суммарное проходное сечение всех отверстий для выхода газов из изложницы связано со средним горизонтальным сечением изложницы, со скоростью поднятия расплава, и со скоростью подачи защитного газа в ходе разливки и определяется соотношением:

0,002 * (V* * S _M + W _R ) < S _B < 30 * (V _M * S _M + W _R ) где: S _B - суммарное проходное сечение всех отверстий для выхода газов из изложницы, м ² ,

SM - среднее горизонтальное сечение изложницы, м ² ,

ы - скорость поднятия расплава, м/с,

W _R - скорость подачи защитного газа в ходе разливки, м ³ /с, (W _R > 0). 10. В устройстве для осуществления способа по п. 1, включающем поддон с установленными на нем одной или несколькими изложницами, литниковую систему и связанную с изложницами емкость для питающего слиток расплава, холодильник с одним или несколькими отверстиями для выхода газов, расположенный в верхней части изложницы, согласно изобретению, суммарное проходное сечение всех отверстий для выхода газов из изложницы составляет 0,00001 - 0,1 площади горизонтального сечения изложницы.

11. В устройстве по одному из пунктов 9 или 10, согласно изобретению, нижняя часть емкости для питающего слиток расплава расположена ниже, а уровень заполнения расплава в ней выше верхнего уровня получаемого слитка.

12. В устройстве по одному из пунктов 9 или 10, согласно изобретению, контактирующая с расплавом поверхность холодильника выполнена в виде надставки или части изложницы, задающей форму головы слитка.

13. В устройстве по одному из пунктов 9 или 10, согласно изобретению, холодильник выполнен с возможностью размещения на заданном уровне по высоте изложницы.

14. В устройстве по одному из пунктов 9 или 10, согласно изобретению, в верхней части изложницы расположена сменная газоподводящая трубка для подачи защитного газа, нижний конец которой находится внутри изложницы.

15. В устройстве по одному из пунктов 9 или 10, согласно изобретению, в зоне формирования нижней части слитка расположен утеплитель.

Известно, что на качество поверхности слитка большое влияние оказывает окисление его поверхности кислородом воздуха. Также, при окислении расплава в изложнице атмосферным кислородом в процессе разливки происходит ухудшение поверхности слитка. Поэтому суммарное проходное сечение отверстий и зазоров в верхней части изложницы должно быть меньше, чем сечение изложницы. Тогда при заполнении металлом, а тем более при подаче газов в изложницы в процессе разливки, создается повышенное давление над расплавом в изложницах. Происходит выход газа из изложницы под давлением, что препятствует диффузии атмосферного воздуха в изложницу. Таким образом, повышенное давление газов в изложнице препятствует контакту расплава с атмосферным кислородом, что предотвращает окисление поверхности металла и образование поверхностных дефектов на слитках, например, из-за заворота корочек. Наличие воздуха в изложнице до начала разливки без его поступления в процессе разливки не имеет решающего воздействия на поверхность слитка, поскольку 1 тонна расплава замещает в изложнице 140 л воздуха с содержанием кислорода 21% (около 30 л кислорода на 1 т стали). Учитывая, что попадая в изложницу расплав быстро нагревает воздух, который там находится, до 1000- 150043 и при этом 80-90% воздуха выходит из изложницы, не имея контакта с расплавом, а оставшийся воздух, способен окислить в ходе разливки менее 15 г железа на 1 тонну слитка.

Предварительное удаление из газовой фазы изложницы кислорода, или его замещение на инертный газ, устраняет проблему окисления поверхности формируемого слитка в процессе разливки.

В процессе заполнения изложницы расплавом давление газов в ней должно превышать атмосферное на 1 - 300000 Па. При избыточном давлении менее 1 Па в изложницу попадает атмосферный кислород, что приводит к окислению расплава и ухудшению поверхности слитка. При избыточном давлении более 300000 Па давление газов в изложнице может превысить давление расплава на входе в изложницу, что приведет к прекращению заполнения изложницы расплавом, а также может выдавить расплав из литниковой системы. После окончания разливки допускается наличие некоторого количества газов над слитком, формирующихся при наличии ферростатичного давления в литниковой системе и достаточном количестве питающего слиток расплава.

Для достижения оптимального режима отливки слитка, по предлагаемой технологии, при заполнении изложницы расплавом устройство должно обеспечивать давление газов в ней, достаточное для предотвращения попадания внутрь изложницы атмосферного кислорода. Это достигается изготовлением верха изложницы (или соединенного с изложницей холодильника) таким образом, чтобы суммарное проходное сечение всех отверстий для выхода газов из изложницы, не превышало определенной величины, которая связана с расходом расплава, поступающего в изложницу, и с расходом защитного газа, подаваемого в изложницу. Тогда обеспечивается минимально необходимое избыточное давление газов в изложнице и достаточная скорость газового потока на выходе из изложницы. Нижняя граница суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов, заявленная в п. 9 формулы изобретения, обеспечивает выполнение задачи изобретения при минимальной скорости разливки без подачи защитного газа в ходе разливки. Верхняя граница суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов, заявленная в п. 9 формулы, обеспечивает выполнение задачи изобретения при максимальной скорости разливки и с максимальным расходом защитного газа в ходе разливки, что может потребоваться при необходимости барботажа защитного газа через слой расплава, например, с целью насыщения металла азотом.

Нижняя граница суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов, отходящих из изложницы, определяется условием, что отходящие газы не должны создавать в изложнице давление, превышающее давление жидкого расплава в литниковой системе.

Отношение суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов из изложницы, при максимальной скорости заполнения металлом и подаче защитного газа, не должно составлять более 0,1 сечения изложницы, поскольку при больших значениях этого показателя осложняется замораживание герметичной пробки в верхней части слитка. При отсутствии подачи защитного газа в изложницу и при скорости заполнения изложницы металлом около 0,2 т/мин суммарное проходное сечение всех отверстий для выхода газов из изложницы, следует выбирать в пределах 0,00001 - 0,001 площади горизонтального сечения изложницы.

При значении вышеупомянутого соотношения ниже 0,00001 при разливке создается высокое давление внутри изложницы, что существенно усложняет разливку и может привести к твердению расплава до заполнения изложницы. В результате этого может произойти снижение выхода годного продукта и ухудшение качества слитка из-за прекращения его питания расплавом, которое необходимо для реализации предлагаемого технического решения.

Для предотвращения контакта расплава с кислородом воздуха, в соответствии с предлагаемым техническим решением, заполнение изложницы металлом ведут в среде защитного газа. Возможны следующие приемы. 1. Связывание кислорода воздуха реакцией с восстановителями, в качестве которых могут выступать металлы, более активные, чем железо (алюминий, магний и др.), углеродосодержащие вещества (кокс, древесный уголь, опилки, другие органические вещества), которые размещаются до разливки в изложнице в необходимом количества (достаточная масса используемого восстановителя значительно меньше, чем масса используемых в настоящее время смесей утеплителей). При заполнении расплавом восстановитель нагревается и реагирует с кислородом воздуха. Таким образом, кислород воздуха переводится в связанное состояние и не может окислять расплав. Количество образующегося оксида металла или оксида углерода, существенно не влияет на качество слитка. При использовании углесодержащих веществ продукты реакции переходят в газовую фазу и удаляются из изложницы при разливке, не ухудшая качество слитка.

2. Подача в изложницу продуктов сгорания в воздухе газообразного восстановителя позволяет заполнить изложницу газовой смесью, не содержащей кислорода, и состоящей из остальных компонентов воздуха, а также СО, СОг, воды. Кислородсодержащих компонентов в смеси немного.

3. Подача в изложницу защитного газа перед разливкой позволяет удалить из изложницы воздух и создать в ней неокислительную атмосферу.

4. Подача защитного газа в изложницу, в процессе заполнения металлом, позволяет дополнительно поднять давление защитного газа в изложнице, увеличить скорость выхода газов и тем самым надежнее предотвратить попадание кислорода в изложницу и его контакт с расплавом.

В качестве защитного газа можно использовать любой неокислительный газ, который не реагирует с металлом, который разливается. Это может быть воздух, из которого удален кислород, азот, аргон, другой инертный газ, газ- восстановитель, например, СО, а в некоторых случаях слабый окислитель - СОг.

При использовании газа-восстановителя, в целях безопасности, необходимо заранее заполнить изложницу инертным или углекислым газом, а затем заполнять восстановителем и дожигать газы на выходе из изложницы. Защитный газ перед разливкой может подаваться в каждую изложницу отдельно, или во все вместе, через отверстие в одной из изложниц, или через отверстие в каждой изложнице, либо через центровую.

Защитный газ в ходе разливки может подаваться в изложницу через отверстие в верхней части изложницы или в холодильнике.

Местом введения защитного газа может выступать отверстие в дне перевернутой глуходонной изложницы, отверстие в верхней части глухой изложницы или в специальном холодильнике, соединенном с изложницей, либо в лежащем на верхнем торце изложницы холодильнике. Основным условием этого приема является вытеснение воздуха защитным газом, и предотвращение попадания воздуха внутрь изложницы при разливке.

Трубку необходимо опустить внутрь изложницы ниже заданного уровня заполнения изложницы металлом, чтобы газ, выходящий из изложницы через выпоры (сквозные отверстия для выхода газов из изложницы), не смешивался с защитным газом, который подается через газоподающую трубку. Для предотвращения смешивания потоков газов, подаваемых и отходящих, трубку желательно заглубить более, чем на 50 мм ниже заданного уровня заполнения изложницы металлом. При использовании защитного газа с низкой плотностью трубка может быть заглублена до дна изложницы. Для предотвращения ударного действия расплава на холодильник и выброса расплава из изложницы, желательно остановить поток металла за 200 - 50 мм до подхода уровня расплава до заданного уровня заполнения изложницы. Газоподводящая трубка для этого должна быть заглублена на 50 - 300 мм ниже заданного уровня заполнения изложницы. До контакта расплава с трубкой струя подаваемого газа на выходе из трубки попадает в газовую среду и не встречает большого сопротивления. При контакте расплава с газоподводящей трубкой, газовая струя попадает в плотную среду и давление в газоподводящей системе, резко возрастает. Это легко зарегистрировать с помощью манометра или за счет выхода газового потока из клапана, который срабатывает при превышении заданного давления. Также это можно зафиксировать по появлению пыли над выпорами (сквозными отверстиями для выхода газов из изложницы). Важнейшим условием предлагаемой технологии является наличие ферростатичного давления в изложнице в момент начала формирования слитка - сразу после заполнения изложницы расплавом. Именно ферростатичное давление позволяет компенсировать потерю расплава в верхней части слитка при кристаллизации расплава и обеспечивает герметичность формируемой позднее усадочной полости.

Для создания ферростатичного давления после наполнения изложницы необходимо подкачивать расплав до перемерзания литников (литниковой системы). Это можно делать медленно, доливая расплав в центровую, или заполнив емкость необходимым количеством дополнительного расплава. Важным условием питания слитка, отлитого по предлагаемому техническому решению, является наличие расплава выше верхнего торца слитка. При этом расположение нижней части такой емкости для питающего слиток расплава не имеет значения и может быть как ниже, так и выше заданного уровня заполнения изложницы металлом. Расположение нижней части такой емкости ниже заданного уровня заполнения изложницы металлом, упрощает ее крепления.

При получении поковок из кузнечных слитков обычно необходима определенная форма головы слитка - ее держат манипулятором и поворачивают слиток во время ковки. Для получения необходимой формы головы слитка целесообразно сделать надставку-удлинитель - холодильник соответствующей формы и размеров, для контакта поверхности расплава с холодильником, выполненный в виде надставки или части изложницы, которая формирует голову слитка. В отличие от прибыльной надставки, применяемой в обычных слитках, такая голова имеет необходимую форму, качественную поверхность, и минимальный необходимый размер, а также ее можно проковывать, поскольку эта часть слитка будет иметь хорошее качество поверхности и хорошую макроструктуру, а усадочная полость в слитке заваривается. Все это позволяет снизить потери металла в обрезь по сравнению с обычными слитками.

При отливке слитков возможны случаи, когда целесообразно иметь большой набор слитков по массе. Чтобы не увеличивать парк изложниц делают заполнение изложниц металлом на разную высоту. При фиксированной высоте расположения холодильника такой эффект не достигается, что может привести к снижению выхода годного продукта из-за невозможности использования части слитка для прокатки (немерные подкаты). Эта задача решается использованием холодильников, которые можно разместить внутри изложницы на заданной высоте.

Для подачи защитного газа удобно использовать сменную газоподводящую трубку в верхней части изложницы. Нижний конец трубки можно устанавливать на необходимой высоте, ниже заданного уровня заполнения изложницы металлом. Тогда при подходе расплава к месту подвода газа нижний конец трубки располагается под слоем расплава. Давление в газоподводящей трубке резко возрастает, что является индикатором нахождения уровня расплава на определенном уровне. Другим индикатором является выход пыли из выпоров (сквозных отверстий для выхода газов из изложницы).

Примеры реализации изобретения

Способ может быть реализован при сифонной разливке и при разливке сверху.

Для реализации способа предложены варианты устройств, некоторые из которых представлены на фигурах 1 , 2, 3, 4.

Фиг. 1 - разливка стали (расплава) сифоном с подпиткой через литниковую систему, из емкости, расположенной над центровой с подачей защитного газа. Голова слитка может быть плоской или иметь необходимую форму и размеры.

Нижняя часть емкости для питающего слиток расплава может быть расположена как выше, так и ниже уровня заполнения изложницы металлом.

Фиг. 2 - разливка стали (расплава) сифоном или сверху с подпиткой через литниковую систему из емкости, расположенной над центровой (вариант 1), или из емкости, расположенной над изложницей (вариант 2).

Фиг. 3 - разливка стали (расплава) сифоном с подпиткой через литниковую систему из емкости, расположенной над центровой. Холодильники изготовлены с возможностью их размещения внутри изложницы на необходимом уровне. Фиг. 4 - разливка стали (расплава) сифоном с подпиткой через литниковую систему за счет прибыльной надставки, установленной на поддоне обычной изложницы с прибылью.

На всех фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Устройство имеет емкость для расплава 1 (фиг. 1-4), сопряженную с помощью литниковой системы 2 с изложницами 4 (не имеющими прибыльной надставки), установленными на поддоне 3. Верхом изложницы 5 является или глухое дно перевернутой глуходонной изложницы или крышка-холодильник, установленная на верхнем торце сквозной изложницы. Дно глуходонной изложницы или крышка- холодильник может быть плоским или иметь форму и размеры, необходимые для дальнейшего использования, например, для захвата манипулятором при ковке. В верхней части изложницы расположены выпоры - сквозные отверстия для выхода газа, а также отверстие для ввода газоподводящей трубки, через которую в изложницу подают защитный газ.

В качестве емкости для питающего слиток расплава может использоваться отдельная емкость (футерованная или керамическая, преимущественно утепленная), установленная на центровой 6, или изготовлена как одно целое с центровой (фиг.1, 2, 3). Также емкость может быть размещена над изложницей (рис. 2) и соединена с изложницей литниковой системой. Роль литниковой системы, которая питает слиток в начале кристаллизации, может выполнять сифонная проводка при расположении емкости над центровой, или стакан при расположении емкости над изложницей, которую питают.

Емкостью для питающего слиток расплава, по предлагаемому способу, при сифонной разливке также может быть часть прибыльной надставки другой изложницы (для получения слитка с прибылью), установленная на том же поддоне и соединенная с ним сифонной проводкой (фиг. 4). При этом часть прибыльной надставки, которая питает слиток, получаемый по предлагаемому способу, расположена выше верхнего края питаемого слитка, а низ прибыли питаемого слитка - ниже верхнего края того же слитка.

При использовании холодильников 7 (фиг. 3), с возможностью их размещения внутри изложницы на необходимом уровне, выполняется надежное уплотнение зазора между изложницей и холодильником из расчета обеспечения необходимого суммарного проходного сечения отверстий, через которые выходят газы из изложниц. Также обеспечивается надежное крепление крышки с отверстиями 8 холодильника 7 к изложнице 5.

Большое значение для качества слитка имеет однородность сердцевины.

При затвердевании слитка наиболее качественный металл кристаллизуется у поверхности слитка. С перемещением фронта кристаллизации в центр развиваются ликвационные процессы, что приводит к появлению в осевой зоне положительной и отрицательной ликваций - зон с пониженным и повышенным содержанием вредных примесей. Область высокой ликвации в горячедеформированном металле может привести к расслоению и другим недостаткам слитка.

В слитках, имеющих прибыльную часть, положительная ликвация наблюдается в виде ликвационной лунки, расположенной на несколько сантиметров ниже дна усадочной раковины. Это связано с тем, что фронт кристаллизации в осевой части слитка движется снизу вверх и последняя порция жидкого металла затвердевает вблизи прибыльной части, где находится последняя порция жидкого металла.

В слитках с холодильником в верхней части (прототип) ликвация существенно ниже, чем в слитках с прибылью из-за отсутствия теплового центра в верхней части слитка. Однако при разливке стали с высоким содержанием ликвационных элементов на дне усадочной полости (на высоте около 40% от верха слитка) могут скапливаться ликваты. При малом количестве ликватов на дне полости при прокатке слитка полость заваривается, но в прокате (поковке) может наблюдаться небольшая рыхлость. При большой ликвации в слитке (если много ликвационных элементов в металле, большое сечение слитка и, следовательно, длительный процесс кристаллизации) на дне усадочной полости скапливаются ликваты, ухудшая макроструктуру металлопроката или поковки.

Для того, чтобы ликваты не скапливались в средней части слитка и не ухудшали макроструктуру проката (поковки) их следует вывести в головную обрезь. В прототипе проводят удаление ликватов с середины слитка в его головную часть. Это достигается переворачиванием слитка на угол не менее 70 градусов за определенное время до момента его полного затвердевания, чтобы жидкие ликваты стекли к голове (головной части) слитка и после прокатки (или ковки) их можно было удалить вместе с головной частью слитка.

Предлагаемое техническое решение является развитием способа- прототипа.

В предлагаемом техническом решении предусматривается переместить ликваты в донную часть слитка. Это достигается за счет утепления нижней части при охлаждении верха слитка и подпиткой его расплавом, подаваемым под ферростатичным давлением в течение определенного времени после заполнения изложницы. Утепление нижней части слитка создает в этой области тепловой центр, который за счет конвективного перемешивания расплава в слитке, который кристаллизуется, способствует повышению качества макроструктуры затвердевшего металла и снижению ликвации, а также перемещает низ усадочной полости к дну слитка. В зависимости от соотношения высоты и горизонтального сечения слитка, а также от места расположения, теплопроводности и высоты слоя утеплителя дно усадочной полости можно переместить на разный уровень, включая дно слитка. В последнем случае после прокатки ликваты остаются в донной обрези.

В результате этого, не увеличивая количество донной обрези можно существенно повысить качество макроструктуры проката.

Способ осуществляют следующим образом.

На поддоне устанавливают одну или несколько изложниц без прибыльных надставок с размещенными в их верхней части холодильниками с выпорами.

Расплав заливают с избытком через литниковую систему в установленные на поддоне одну или несколько изложниц, под ферростатичным давлением замораживают верхнюю часть слитка, который формуется, при одновременной подаче в тело слитка через литниковую систему расплава из емкости, уровень заполнения расплава в которой расположен выше верхней точки получаемого слитка. При поднятии уровня расплава над ним создается избыточное давление газов вследствие прохождения тех газов, которые отходят через выпоры (сквозные отверстия для выхода газов из изложницы).

Для улучшения качества поверхности до разливки дополнительно через центровую или через отверстия в верхней части изложниц (или в холодильниках) заполняют изложницы защитным газом или помещают в изложницу вещество, которое при высокой температуре реагирует с кислородом. Для реакции с кислородом, находящимся в изложнице, используют 0,8-1,2 от стехиометрического количества такого вещества. Дополнительно можно подавать защитный газ в ходе разливки. Можно использовать защитный газ только при разливке без предварительного заполнения изложниц до разливки. В процессе разливки можно подавать защитный газ во все изложницы или в одну- две изложницы на поддоне. Последний вариант полезен для определения времени достижения расплавом определенной высоты заполнения изложницы металлом.

Наиболее эффективным с точки зрения качества слитка является способ разливки, который предусматривает заполнение изложницы защитным газом до разливки через центровую, подачу защитного газа под небольшим давлением в ходе разливки в 1-2 изложницы (для определения времени заполнения изложниц металлом до определенного уровня), прекращение подачи защитного газа после контакта расплава с газоподводящей трубкой, или холодильником.

В условиях действующего металлургического производства были проведены испытания способа и устройства, которые заявляются.

С электросталеплавильной печи емкостью 150 т отлили слитки стали марки 55, массой по 5 тонн, в расширяющиеся книзу глуходонные изложницы с выпорами (сквозными отверстиями для выхода газов из изложницы), а также в изложницы, расширяющиеся книзу с крышками-холодильниками. Крышки- холодильники выполнялись с разным количеством и суммарным сечением отверстий для выхода газов. В дополнительное отверстие крышки-холодильника установлена трубка для определения давления в изложнице. На другом конце трубки размещен манометр.

Получение слитков по предлагаемой технологии проводили без использования смесей утеплителей в изложницах. Пример 1.

На одноместном поддоне разместили центровую и перевернутую пятитонную глуходонные изложницу без прибыльной надставки. Поперечное сечение изложницы в широкой части составляет 730x660 мм, в узкой части - 598x518 мм, высота слитка - 1960 мм. Отверстие в дне изложницы имеет диаметр 110 мм (в эксперименте дно перевернутой изложницы является холодильником для верха слитка). В отверстие дна изложницы герметично установили стальной цилиндр с отверстием вдоль оси диаметром 50 мм. У него установили кислородную (газопрдводящую) трубку диаметром 18 мм, на которую надели картонную трубку диаметром 45 мм и пространство между трубками заполнили теплоизолятором. Сечение для выхода газов равнялось 3,7 см ² при сечении изложницы в верхней части - 3100 см ² , т.е. сечение для выхода газов составило 0,0012 от площади поперечного горизонтального сечения изложницы. Нижний конец кислородной (газоподводящей) трубки разместили на 200 мм ниже заданного уровня заполнения изложницы расплавом. Через тройник подключили аргон и установили клапан, срабатывающий при избыточном давлении в системе выше 0,05 атм. За 5 минут до разливки заполнили изложницу аргоном и продолжали подавать аргон при разливке. Время наполнения изложницы металлом составило 4 минуты. После заполнения изложницы металлом до газоподающей трубки подачу аргона прекратили, уменьшили поток расплава и в течение 1 мин заполнили изложницу и центровую.

После кристаллизации слитка и нагрева его в колодцах по существующей технологии, слиток прокатали на круги диаметром 270 мм. Головная обрезь составила 0,5%, донная обрезь - 4%, выход годного проката составил 93% от массы жидкой стали, разлитой в изложницу. Контроль УЗК по всей длине проката не выявил дефектов. Анализ темплетов, отобранных на уровнях 0,5%, 48% и 96% показал высокое качество макроструктуры проката. Поверхность проката хорошая - гладкая, без дефектов - лучше, чем в слитках той же плавки, разлитых под смесями. Качество металла середины слитка лучше, чем у слитков той же плавки, разлитых под смесями с применением прибыльной надставки.

Для определения влияния режимов разливки (давление газов в изложнице при разливке, варианты использования защитного газа), а также учитывая характеристики изложницы и холодильника, провели ряд экспериментов аналогично примеру 1 со следующими особенностями.

В качестве защитного газа использовали азот, углекислый газ, дымовые газы от полного и неполного сгорания природного газа с дожиганием на выходе из изложницы, создавали защитную атмосферу, помещая на дно изложницы алюминиевый порошок в количестве 45 г на тонну расплава, или коксовую пыль или активированный уголь в количестве 32 г углерода на тонну расплава. Подачу защитного газа (аргона) проводили через центровую во все изложницы вместе и затем, в один или два слитка на поддоне, дополнительно подавали аргон в процессе разливки, а также подавали аргон в каждую изложницу раздельно. Подавали аргон только перед разливкой (момент приближения уровня расплава на заданное расстояние к холодильнику фиксировали по появлению дыма или с помощью специального поплавка), подавали аргон перед разливкой и в ходе разливки.

Во всех случаях поверхность проката была не хуже, чем в слитках той же плавки, разлитых под смесями, а выход годного сортового проката был не ниже 90-93%.

Для выявления влияния избыточного давления газов в изложнице на качество поверхности слитка и проката были проведены следующие эксперименты.

Для определения влияния суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов на качество поверхности проведена серия экспериментов, в которых суммарное сечение отверстий для выхода газов изменялось в заявленных в формуле изобретения пределах, при этом в ходе разливки в изложницы с разной скоростью подавали защитный газ. Из результатов эксперимента видно, что хорошее качество поверхности слитков достигается при наличии в изложнице в ходе разливки избыточного давления в заявленных в данном техническом решении пределах. Необходимое избыточное давление в изложнице в процессе разливки достигается уменьшением сечения отверстий для выхода газов, увеличением скорости разливки или повышением расхода защитного газа при разливке.

При суммарном проходном сечении отверстий для выхода газов за пределами, заявленными в п. 10 формулы изобретения, наблюдалось ухудшение качества металла по сравнению со слитками, отлитыми в соответствии с предлагаемым техническим решением. При выходе за заявленные в п. 9 формулы изобретения пределы соотношений наблюдалось ухудшение качества металла по сравнению со слитками, отлитыми по предлагаемому техническому решению. В обоих случаях, при уменьшении ниже минимального заявленного суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов, из изложницы выходили недоливки, в которых после пластической деформации оказывалось расслоение, а при превышении максимального заявленного значения суммарного проходного сечения всех отверстий для выхода газов из изложницы ухудшалась качество поверхности слитков.

При работе в установленных пределах качество металла оказывалось более высоким, чем у слитков, полученных по способу-прототипу, и у слитков с прибылью.

Использование в эксперименте емкости для питающего слиток расплава, нижняя часть которой расположена ниже заданного уровня заполнения (металла в изложнице), а верхняя часть - выше уровня заполнения металла в ней (выше верхнего уровня получаемого слитка) не ухудшило качество слитка по сравнению с использованием емкости, которая полностью расположена выше уровня заполнения металла в изложнице.

Применение в эксперименте надставок и изложниц, позволяющих сформировать необходимую форму и размеры головы слитка, не ухудшило качество слитка и одновременно позволило брать их манипулятором при ковке, а также не помешало делать из этой части слитка пригодные для употребления поковки.

Расположение холодильников внутри изложницы, с возможностью их перемещения по высоте и фиксации на заданном уровне, не ухудшило качество поверхности и макроструктуру слитков, при условии соблюдения основных параметров заявляемого изобретения.

Утепление донной части слитка на 50-100% дало повышение качества макроструктуры проката по сравнению со слитками, разлитыми в соответствии со способом-прототипом без переворачивания изложниц.

В качестве примера исполнения способа по прототипу отлили 4 слитка. Пятитонную расширенную книзу изложницу с поперечным горизонтальным сечением 3000 см ² накрыли плитой-холодильником с выпором 70x300 мм. Выпор необходим, чтобы видеть процесс поднятия металла и вовремя уменьшить струю. Разливка велась без смесей утеплителей. В ходе разливки избыточное давление газов в изложнице было менее 1 Па.

Скорость заполнения расплавом изложницы при разливке тела слитков составила для первых двух слитков 100 мм/мин, для двух других - 250 мм/мин. При уровне заполнения на 150 мм ниже верхней точки заполнения изложницы уменьшили струю. Нагрев под прокатку проводили по существующей технологии.

Слитки прокатали на круги диаметром 270 мм.

Прокат из отлитых по способу-прототипу слитков имел дефекты поверхности. Поверхность слитков была значительно хуже, чем у слитков, разлитых в соответствии с предлагаемым техническим решением. Качество металла середины слитка почти такое же, как и у слитков, полученных по предлагаемому техническому решению, но значительно лучше, чем у слитков той же плавки, разлитых под смесями с применением прибыльной надставки.

Технический результат

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков позволяет решить поставленную задачу. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют улучшить качество поверхности металла по сравнению с прототипом, не ухудшая качество сердцевины слитка.