способ непрерывной разливки стальных заготовок крупного поперечного сечения

Формула изобретения

Cпособ непрерывной разливки стальных заготовок крупного поперечного сечения, включающий формирование первичного слитка в первом кристаллизаторе и послойное наращивание этого слитка в одном или нескольких последовательно установленных на одной оси кристаллизаторах с нагревом затвердевшей заготовки перед наращиванием каждого слоя, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества, снижения себестоимости и повышения выхода годного литой заготовки, нагрев заготовки осуществляют теплоносителем с температурой, равной температуре солидука отливаемой стали, в течение времени (0,2-0,3) _кр, где _кр время затвердевания предыдущего слоя, при этом нагрев заготовки начинают непосредственно после затвердевания предыдущего слоя, а наращивание следующего слоя осуществляют непосредственно после окончания нагрева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству стальных слитков крупного поперечного сечения методом послойного наращивания в машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и может быть использовано для улучшения качества, снижения себестоимости и повышения выхода годного литой заготовки.

Известен способ непрерывного литья стальных заготовок, включающий подачу жидкого металла в кристаллизатор, формирование и вытягивание из кристаллизатора частично затвердевшей заготовки и окончательное затвердевание ее в роликовой зоне вторичного охлаждения (с.м.Кн. Теория непрерывной разливки. Технологические основы. Рутес B.C. Аскольдов В.И. Евтеев Д.П. и др. М: Металлургия. 1971.). Недостатком способа при производстве заготовок крупного поперечного сечения являются низкое качество заготовки и малая производительность МНЛЗ, обусловленные снижением скорости затвердевания при продвижении фронта кристаллизации металла от периферии к центру отливки.

Известен также способ непрерывного литья заготовок крупного поперечного сечения, в котором, с целью снятия перегрева жидкого металла и ускорения затвердевания слитка, в кристаллизатор МНЛЗ подают твердые гранулы отливаемого металла, предназначенные для охлаждения заготовки изнутри (см. а. с. N 416149 СССР, МКИ В 22 D 11/00). Недостатком этого способа является низкое качества заготовки, возникающее вследствие неравномерного и неконтролируемого распределения гранул охладителя в объеме жидкой фазы слитка, что не гарантирует полного их расплавления и приводит к получению заготовки с физической и химической неоднородностью.

Известен также способ непрерывного литья крупных стальных слитков, принятый за прототип, включающий формирование первичного слитка в первом кристаллизаторе и наращивание поперечного сечения этого слитка плакирующим слоем во втором кристаллизаторе (см. а.с.N 1540930 СССР, МКИ В 22 D 11/00). Для улучшения свариваемости первичного слитка и плакирующего слоя способ предусматривает нагрев слитка перед нанесением слоя теплоносителем с температурой 1800-2000^oС с оплавлением поверхности слитка перед поступлением его в следующий по ходу разливки кристаллизатор. Недостатками известного способа являются:

1. Физическая и химическая неоднородность сечения заготовки, возникающая вследствие обезуглераживания поверхностных слоев слитка перед наращиванием плакирующего слоя.

2. Повышенный угар металла и, как следствие, высокий расходный коэффициент и низкий выход годного слитка.

3. Необходимость использования уникальных дорогостоящих нагревателей типа плазмотрон, а также дополнительных материальных затрат на ремонт, техническое обслуживание и защиту оборудования от высоких температур и агрессивных сред.

В целом указанные недостатки обуславливают низкое качество, высокую себестоимость литой заготовки и значительные потери металла, неизбежные в процессе реализации известного способа.

Целью изобретения является улучшение качества, снижение себестоимости и повышение выхода годного литой заготовки.

Для достижений этой цели в способе непрерывной разливки стальных заготовок крупного поперечного сечения, включающем формирование первичного слитка в первом кристаллизаторе и послойное наращивание этого слитка в одном или нескольких последовательно установленных на одной оси кристаллизаторах с нагревом затвердевшей заготовки перед наращиванием каждого слоя согласно изобретению, нагрев заготовки осуществляют без ее оплавления теплоносителем с температурой Т_cол в течение времени (0,2.0,3) _кр, где Т_сол - температура солидуса отливаемой стали;

_кр время затвердевания предыдущего слоя;

причем нагрев начинают непосредственно после затвердевания предыдущего слоя, а наращивание следующего слоя осуществляют непосредственно после окончания нагрева.

Известно, что одной из проблем разливки многослойного слитка является проблема свариваемости слоев, т.е. получения жесткой металлической связи между слоями, гарантирующей отсутствие расслоений металла по границам слоев при дальнейшей обработке заготовки и эксплуатации готового изделия. Известно также, что частичное расплавление слитка в жидкой фазе наращиваемого на него слоя приводит к размыванию границ слоев и более качественной их свариваемости. В этой связи, предложенный в прототипе нагрев заготовки с оплавлением ее поверхности перед нанесением следующего слоя способствует лучшей свариваемости слоев. В известном способе указанные условия реализуются при температуре теплоносители 1800-2000^oС и продолжительности нагрева (0,05.0,20) _кр. В то же время, как отмечалось ранее (см. анализ прототипа), использование теплоносителя с упомянутой температурой ухудшает качество заготовки, повышает ее себестоимость и уменьшает выход годного стального литья, снижая эффективность известного способа.

По мнению авторов настоящего предложения, устранение этих недостатков при сохранении достоинств прототипа (хорошая свариваемость слоев) может быть достигнуто без оплавления поверхности нагреваемого слитка, а именно, при равномерном по сечению нагреве заготовки до температуры солидуса разливаемой стали. Для доказательства этого положения рассмотрим кинетику формирования заготовки при различной степени нагрева ее твердой сердцевины. При этом учтем, что тепловая работа твердой сердцевины слитка может рассматриваться как тепловая работа обычного заключенного в расплав макрохолодильника. Известно, что в зависимости от температуры холодильника возможны различные варианты кинетики затвердевания.

1. Использование макрохолодильника с низкой (Т < Т_сол) температурой приводит к интенсивному теплообмену с намораживанием металла на тело холодильника. Сформированная таким образом заготовка характеризуется низким качеством свариваемости слоев,

2. Использование макрохолодильника с высокой (Т <Т) температурой приводит к двухстороннему процессу: первоначальному намораживанию металла на холодильник, а затем (по мере нагревания холодильника в жидкой фазе слитка)

к расплавлению намороженного металла. При этом сформированная заготовка не гарантирует высокого качества свариваемости слоев.

3. Использование макрохолодильника с температурой солидуса (Т Т_сол) исключает намораживание металла (т.к. холодильник не способен аккумулировать дополнительное тепло не расплавляясь) и приводит к расплавлению поверхности холодильника уже в начале контакта с перегретым жидким металлом слоя. Сформированная таким образом заготовка характеризуется отсутствием четких границ между слоями и высоким качеством их свариваемости.

Приведенные рассуждения показывают, что достаточным условием свариваемости слоев многослойного слитка является разогрев заготовки перед наращиванием последующего слоя до температуры Т_сол. При этом отсутствуют процессы обезуглераживания и угара поверхностных слоев заготовки, чем обеспечивается высокий выход годного металла и формирование физически и химически однородной макроструктуры отливки. Кроме того, получение указанной температуры теплоносителя связано с меньшими (в сравнении с прототипом) энергозатратами или с применением низкокалорийного (а значит более дешевого) топлива, что в целом уменьшает себестоимость отлитой заготовки.

Экспериментальными исследованиями установлено, что для равномерного прогрева стальной заготовки время воздействия на нее теплоносителем с температурой Т_cол должно быть не менее (0,2 0,3) _кр где _кр- время затвердевания предыдущего слоя. В отличие от известных технических решений, в заявленном способе непрерывной разливки, качественная свариваемость слоев реализуется без предварительного оплавления заготовки, а именно, при нагреве ее теплоносителем с температурой Т_сол в течение времени (0,2 0,3) _кр, при условии, что нагрев начинают непосредственно после затвердевания предыдущего слоя и заканчивают непосредственно перед наращиванием следующего слоя. Как доказано выше, указанный признак гарантирует высокое качество свариваемости слоев заготовки, ее физическую и химическую однородность, высокий выход годного, и кроме этого, не требует больших материальных затрат и использования уникального оборудования, что характеризует заявленный способ как более технологичный в сравнении с прототипом.

Оптимальность заявленных режимных параметров подтверждается анализом альтернатив.

1. Применение теплоносителя с более низкой температурой (меньше Тсол) не обеспечивает разогрев заготовки до температуры солидуса металла. Применение теплоносителя с более высокой температурой (больше Т_сол) не эффективно по причине увеличения затрат на нагрев и опасности оплавления слитка.

2. Нагрев заготовки в течение времени < 0,2 _кр не обеспечивает равномерного прогрева заготовки перед наращиванием следующего слоя. Нагрев заготовки за время > 0,3 _кр не эффективен по причине нерационального увеличения продолжительности литья и длины МНЛЗ.

3. Начало нагрева заготовки ранее полного ее затвердевания привод к снижению теплоотвода от слитка и более продолжительной кристаллизации (т.е. к снижению производительности литья). Нагрев заготовки через некоторое время после окончания затвердевания предыдущего слоя приводит к увеличению длины МНЛЗ.

4. Заявленный признак начала наращивания следующего слоя непосредственно после окончания нагрева заготовки продиктован стремлением уменьшить тепловые потери заготовки при одновременном сокращении длины МНЛЗ.

В результате проведенных патентно-информационных исследований не обнаружено известных технических решений со сходными отличительными признаками, что позволяет считать предложенное решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема реализации заявленного способа, а на фиг. 2 показано распределение температуры по сечению заготовки до и после ее нагрева.

Первичный слиток 1 (фиг. 1) формируют в первом по ходу разливки кристаллизаторе 2. Непосредственно после затвердевания, т.е. через время ₁ слиток 1 подают в нагревательное устройство 3, где в течение времени (0,2 0,3) ₁ нагревают теплоносителем с температурой солидуса Т_сол отливаемого металла, после чего погружают в соосный первому кристаллизатор 4 большего поперечного лечения, где в течение времени ₂ наращивают слой металла 5. По окончании затвердевания слоя 5 в устройстве 6 заготовку нагревают теплоносителем с температурой Т_cол в течение времени (0,2.0,3) ₂, после чего наращивают следующий слой металла в кристаллизаторе 7. Процесс наращивания слоев продолжают до получения заготовки требуемого сечения.

Рассмотрим механизм формирования слоев заготовки в предложенном способе непрерывной разливки.

Первичный слиток 1 отливают в кристаллизаторе 2 и охлаждают в зонах первичного и вторичного охлаждения вплоть до полного затвердевания. Распределение температуры по сечению А-А; первичного слитка (момент окончания затвердевания) показано на фиг.2,а. Далее заготовку подают в нагревательное устройство 3 (фиг. 1), в котором теплоносителем с температурой Т_сол создают в заготовке дополнительное поле температур, изображенное на фиг. 2, б. 15 результате наложения дополнительного поля (фиг. 2, б) на основное (фиг. 2, а) на выходе из нагревательного устройства (сечение В В, aиг. 1) слиток 1 имеет равномерное по сечению распределение температуры Т_сол (фиг. 2, в). Далее нагретый до температуры Т_сол слиток 1 (aиг. 1) подают в кристаллизатор 4, в котором формируют слой 5. В результате контакта слитка 1 с перегретым жидким металлом поверхность слитка медленно расплавляется. При этом энергия, затраченная на оплавление слитка 1, берется из жидкой фазы, что снимает перегрев расплава и интенсифицирует скорость нарастания слоя 5, которая значительно превосходит скорость расплавления слитка 1. Таким образом, через промежуток времени ₂ фронт кристаллизации слоя 5 догоняет фронт расплавления слитка 1 с образованием прочной связи между слоями. Аналогичные процессы происходят при наращивании последующих слоев.

Примером использования заявленного способа непрерывной разливки может служить процесс непрерывного литья заготовки стали Ст 3 сп сечением 400 х 1600 мм. Первичный слиток сечением l00 х 1300 мм послойно наращивают в трех последовательно установленных за первым кристаллизаторах. Толщина наращиваемых слоев составляет 50 мм. Время затвердевания первичного слитка и последующих слоев при коэффициенте затвердевания k_З 25 мм/мин^0,5 составляет



После затвердевания заготовки перед наращиванием каждого из слоев металла заготовку нагревают теплоносителем, с температурой Тсол 1460^oС в течение времени 48.72 сек. В качестве нагревательного устройства использован индуктор, в качестве теплоносителя инертный газ. Длина зоны нагрева слитка при скорости литья 0,5 м/мин составляет 0,4.0,6 м. Применение заявленных соотношений технологических параметров, в сравнении с прототипом, позволяет при прочих равных условиях снизить химическую неоднородность сечения заготовки на 50% повысить выход годного металла на 0,10.0,15% а также удешевить затраты на производство литой заготовки на 1.3

Оптимальность приведенных в примере конкретного выполнения режимных параметров подтверждается таблицей, в которой показано влияние температуры теплоносителя и времени нагрева на достижение поставленных в изобретении целей.

Таким образом, совокупность заявленных отличительных признаков предложенного технического решения обеспечивает достижение цели изобретения, а именно улучшение качества, снижение себестоимости и повышение выхода годного литой заготовки.