Дефекты изложниц

Виды и причины разрушений, ремонт изложниц

Ромашкин А.Н.

В процессе эксплуатации изложницы приходят в негодность вслед­ствие образования в их стенках преимущественно продольных и реже поперечных трещин, а также сетки разгара, размывов стенок и дна, выгаров, раковин, сколов, коробления и других дефектов. Изложницы с' трещинами, сетками, размывами, раковинами, а также отбитыми кра­ями, цапфами нельзя продолжать использовать. Во избежание брака слитков по поверхностным дефектам, зависанию и поперечным трещи­нам необходимо применять изложницы с гладкой внутренней поверх­ностью и годными торцами в месте стыка с прибыльной надставкой. Анализ условий работы и видов разрушений изложниц (кокилей) позволяет установить причины их возникновения и найти эффективные меры для их устранения, например, перенести образование трещин в наиболее безопасные места [7,48].

Изучение механизма разрушения и, в первую очередь, возникновения трещин, сетки разгара и коробления должно проводиться с учетом напряженно-деформированного состояния и длительного воздействия высокой температуры на изменение структуры и физико-механических свойств материала изложниц - чугуна.

В результате работы в условиях малоциклового температурного нагружения (термического удара) в изложнице возникают и развивают­ся трещины термической усталости, что приводит к потере прочности ее конструкции. Возникновение и развитие трещин происходит в наиболее напряженных местах по мере накопления числа циклов местной плас­тической деформации.

Разрушение является заключительной стадией почти всякой развива­ющейся деформации [11]. Оно может быть неполным и полным (хруп­кие и пластические разрушения при кратковременном, длительном ста­тическом или усталостном нагружении и т.п.). Так как большинству реальных материалов присуще одновременно и упругое и пластическое состояние, принято широко применяющееся условное разделение разру­шения по преобладанию одного из них - хрупкое или пластическое.

Закономерности процесса разрушения рассматривают раздельно для докритического, критического и закритического состояний. Раз­рушение в докритическом состоянии связывают с прерывистым (диск­ретным) строением реального материала, нарушением правильности строения   (структуры)   материала. Включения графита в чугуне можно рассматривать как полости, а линии сдвига - как микротрещины. Они яв­ляются нарушением правильности строения, субмикро- и микросплошно­сти в объеме одного зерна или нескольких соседних зерен, однако, микроскопически структуру металла с линиями сдвига после плас­тической деформации считают сплошной.

В процессе разрушения можно различать:

• превращения исходной дефектности структуры последовательно в субмикро-, микро- и макроскопические нарушения сплошности - кавер­ны и трещины и их докритическое развитие;
• наступление критического (неустойчивого) состояния и закритическое (взрывное) развитие магистральных трещин до полного разделения тела.

На изложницах чаще всего приходится наблюдать закритическое раз­витие хрупких трещин (реже критическое). Проведение исследований докритического и критического состояний разрушений изложниц труд­но осуществить ввиду отсутствия надежных чувствительных методов обнаружения трещин и чрезвычайно сложных и опасных производствен­ных условий для проведения подобных экспериментов.

Продольные и поперечные трещины

Классификация трещин, образующихся на изложницах в процессе эксплуатации, впервые предложена А. А. Горшковым. Он разделил их на три вида (рода).

Продольные и поперечные трещины (первого рода) появляются на изложницах после сравнительно продолжительной работы изложницы в условиях резких повторяющихся односторонних нагревов. Они обра­зуются на наружной менее нагретой стороне изложницы. Эти трещины по мере нагревов постепенно развиваются по толщине изложницы, проходя через всю стенку, иногда по всей высоте (до низа или верха) и пред­ставляют наибольшую опасность при эксплуатации.

Трещины второго рода могут возникать и на внутренней, более нагре­той, поверхности изложницы после большого количества нагревов (цик­лов) . Они могут быть также продольными или поперечными и обнаружи­ваются вначале в виде тонких трещин, которые постепенно с увеличе­нием числа нагревов увеличиваются в длину, ширину и по толщине стен­ки изложницы, пока не Пройдут насквозь. Причиной их возникновения является действие растягивающих напряжений вследствие ускоренного охлаждения внутренних слоев стенки изложницы. Разность температур наружных и внутренних поверхностей стенки в период охлаждения без слитка (особенно при душировании) может достигать значительной величины. Эти трещины образуются позже сетки разгара (трещин третьего рода) и также могут вывести изложницу из строя, что наблю­дается крайне редко.

Растрескивание в продольном направлении снаружи у всех типов изложниц, как правило, наступает с открытых торцов, что обусловлено действием в этих местах наиболее значительных по величине напряже­ний за счет краевого эффекта и концентрации напряжений. Так про­дольные трещины в сортовых равностенных изложницах образуются на верхних и нижних (в сквозных) и верхних (в глуходонных) открытых торцах в средней части между углами. Аналогично в листовых равностенных сквозных и глуходонных изложницах на открытых торцах в средней части, но только широких граней.

Разрушение равностенных сортовых и листовых изложниц с откры­тых торцов соответственно в углах и по узким граням практически не встречается. Оно может появиться только в том случае, если углы (в сортовых) и узкие грани (в листовых) будут значительно утонены.

Образование продольных трещин в указанных местах И. Пржибыл ги­потетически объясняет тенденцией, например, сортовой изложницы при­обрести энергетически наиболее выгодную цилиндрическую форму (рис.1)  [3] .

На самом деле прогибы и перемещения стенок изложниц на откры­тых торцах во внешнюю сторону, как это было наглядно показано вы­ше на моделях, связаны с действием здесь максимальных напряжений и деформаций, циклическое повторение которых приводит к термической усталости, зарождению и развитию продольных трещин первоначально в этих местах.

Поперечные наружные трещины возникают реже продольных и харак­терны в основном для листовых из­ложниц. Они появляются на широких (иногда на узких) гранях в средней части по высоте (примерно отступая одну треть высоты сверху и снизу) изложницы. Механизм их образова­ния такой же, как и продольных трещин (за счет выпучивания и пе­ремещения узких граней во внеш­нюю сторону).

Рис. 1. Тенденции к деформациям в сортовой изложнице [3]

Сложное напряженное состояние, возникающее при повторяющихся термоударах в изложнице, вызывает в наружных поверхностных слоях при изгибе стенок наиболее опасное двухосное растяжение, резко сни­жающее ее конструкционную прочность [33] . Этому способствуют длительные температурные  воздействия   на   графит и  металлическую основу чугуна, приводящие к ослаблению границ зерен за счет выде­ления вторичных фаз (распада первичного цементита или цементита перлита, окисления графитных включений, оплавления фосфидной эвтектики и других легкоплавких составляющих, межкристаллитного окисления и других). Эти процессы сильно понижают пластичность и сопротивляемость чугуна разрушению.

Тщательный внешний осмотр изложниц при наблюдении за их состоя­нием во дворе (цехе) изложниц при подготовке составов вполне позво­ляет проследить образование макротрещин в стенках от первого до пос­леднего налива. В результате таких наблюдений было установлено, что продольная трещина образуется на наружной кромке открытого торца стенки изложницы. В начальный период (после 10...20 наливов, а иногда и раньше) она представляет собой волосовидную трещину глубиной (в плоскости открытого торца) 15...50 мм (при толщине стенки с буртом в этом месте, например, 170 мм), а на наружной поверхности стенки, т.е. по высоте (от той же кромки) изложницы - 40...70 мм. По мере эксплуатации изложницы с увеличением числа наливов вершина трещины в плоскости открытого торца продвигается до выхода наск­возь, т.е. до внутренней поверхности стенки изложницы. После прохож­дения трещины насквозь ее развитие в направлении низа (дна) происхо­дит более быстро, если изложница глуходонная. У сквозных изложниц такие трещины чаще развиваются с нижнего торца вверх, а также однов­ременно снизу и сверху. Трещина расходится, образуя собой щель, при­нимая клиновидную форму. Внутренние кромки щелей постепенно оп­лавляются и выкрашиваются.

По данным многих заводов (например, ЗКО), изложницы со сквоз­ными щелями, имеющими длину 400...600 мм и ширину 3 мм, отбрако­вываются по дефекту "трещина" и изымаются из обращения.

Сетка разгара

Сеткой разгара (трещины третьего рода) изложниц называют сис­тему мелких различно ориентированных трещин, образующихся на внут­ренней поверхности, нагреваемой до высоких температур после значи­тельного числа односторонних нагревов. Она часто является причи­ной выхода изложниц из строя. Сетка разгара наблюдается не только у изложниц, но также у прокатных валков для горячей прокатки, мульд и хоботов завалочных машин, стволов огнестрельного оружия и других изделий, работающих в условиях многократных односторонних нагре­вов.

Д. К. Черновым [67] впервые на основе наблюдений и теоретических предпосылок дано научно обоснованное объяснение механизма разру­шения в виде сетки разгара чугунных и стальных изделий. Он пришел к выводу, что образование таких трещин связано с сжимающими (при нагревании)  и растягивающими  (при охлаждении) напряжениями, возникающими в этих слоях. Им было показано, что литая сталь имеет в два раза большую сопротивляемость разрушению в виде сетки разгара, чем чугун.

При термических циклических нагружениях слоев внутренней по­верхности изложницы, уровень напряжений и деформаций зависит от упругопластических свойств чугуна. Большую роль при этом играет ам­плитуда колебаний температур Тmax, равной 850...900 °С при заливке жидкой стали и ее последующей кристаллизации, при Т , равной 80...120 °С (последняя в зимний период может быть значительно ниже). При наибольшей температуре цикла пластическая деформация сжатия во внутренних (размягченных) слоях изложницы будет зависеть от времени и сопровождаться значительной ползучестью и релаксацией. В этот период возможна горячая деформация слоев чугуна с интенсив­ным развитием фазовых превращений, междендритной деформации, диффузии, окисления и других процессов.

После извлечения слитков наступает интенсивное охлаждение внутрен­ней поверхности изложницы, сопровождающееся изменением знака действующих в этих слоях напряжений. Вместо напряжений сжатия появляются растягивающие напряжения, так как средние слои стенки, расположенные ближе к нейтральной плоскости оси, будут еще продол­жать оставаться нагретыми до более высоких температур и расширенны­ми. Накопление пластических деформаций сжатия, чередование их с деформациями растяжения, ослабление границ зерен и фазовые превра­щения приводят в конечном итоге к зарождению и развитию в наи­более поврежденных (ослабленных) местах внутренней поверхнос­ти изложницы различно ориентированных мелких трещин, которые, соединяясь, образуют сетку.

Постепенно от налива к наливу образовавшаяся сетка трещин про­грессирует. Трещины увеличиваются по ширине и глубине. Этому спо­собствует взаимодействие с жидкой сталью - края трещин выкрашива­ются и оплавляются. Благодаря затеканию и контактированию с жидким металлом трещины разрабатываются (разгораются) до значительных размеров, превращаясь в сетку разгара. Затем происходят довольно-таки глубокие локальные отслоения (выкрашивание) отдельных ячеек сетки.

Сеткой разгара поражаются протяженные участки внутренней по­верхности сортовых, листовых, многогранных и круглых изложниц. Наличие сетки разгара не всегда является основанием для забракования изложниц. Отбраковку изложницы производят обычно тогда, когда отпе­чаток сетки разгара в виде приливов приводит к снижению качества по­верхности слитка (проката) и требует дополнительных затрат на выруб­ку пневмозубилом и зачистку наждаком указанных дефектов. Кроме того, из-за сильно развитой сетки разгара возможно застревание слит­ков при раздевании и извлечение их под копром.

Размыв стенок и дна

Значительная часть изложниц выходит из строя из-за размывов (углублений) их внутренней поверхности. Причиной размывов вер­тикальных стенок сквозных и глуходонных и дна глуходонных изложниц при разливке сверху являются длительное локальное терми­ческое и динамическое воздействия на чугун изложницы неправильно от­центрированной струи разливаемого металла или аварийная разливка при некроющем стопоре, а также другие. Следует отметить, что коли­чество аварийных разливок с переходом на ковши с шиберным затво­ром, вместо стопорных, заметно сократилось. Размыв стенок и дна изложниц может быть вызван косой струей, вытекающей из стопорного ковша ввиду не строго вертикальной установки стакана.

В глуходонных изложницах размыв стенок и дна при разливке ста­ли сифоном возникает вследствие несоосной установки шамотного раз­ливочного стаканчика в отверстие, имеющееся в дне изложницы, в ре­зультате чего струя отклоняется от вертикальной оси и с напором ударяет о стенку или дно и размывает их. В сквозных изложницах, за­ливаемых через сифон, размыв возможен за счет увеличения угла нак­лона между осями струи и изложницы, а также при смещении литнико­вого канала (отверстия) концевого кирпича.

Выгары, раковины и другие дефекты

Локальные разрушения внутренней поверхности изложницы толщи­ной иногда до 10...12 мм, возникающие в результате размягчения слоя чугуна и последующего приваривания его к слитку, называются выгарами. При раздевании, а возможно и ранее - за счет усадочных усилий, происходит отрыв приварившегося к слитку слоя чугуна от самой изложницы. Выгары образуются на интенсивно разогреваемых местах внутренних граней, в донной или верхней частях изложниц. Они могут занимать довольно обширные площади.

Рис. 2.  Выгар   (смятие фаски)    (1)   вблизи открытого торца и раковины   (2) вблизи дна в изложнице ЗКО

На глуходонных изложницах ЗКО (рис.2) выгары образуются в верхней части на срединах граней и сопровождаются разрушением (смя­тием) фасок, служащих опорными поверхностями для зависания слитка с целью отрыва литника. В местах перехода донной поверхности к гра­ням в этих изложницах часто появляется дефект (выкрашивание чугуна) в виде раковины.

Кроме рассмотренных выше наиболее типичных дефектов, встреча­ются и другие виды разрушений (например, сколы кромок верхнего и нижнего торцов, отломка цапф, ушей) изложниц, носящие случайный характер, причиной которых может быть, в частности, и небрежное обращение с изложницами обслуживающего персонала.

Влияние условий эксплуатации на стойкость

Условия эксплуатации изложниц оказывают не менее значительное влияние на стойкость, чем технология производства. Об этом свиде­тельствуют те обстоятельства, что при эксплуатации изложниц, имею­щих одну и ту же конструкцию, материал, технологию изготовления, их стойкость колеблется от нескольких до десятков наливов. Кроме того, часто изготовленные на одном заводе изложницы показывают при эксплуатации на разных заводах различную стойкость. В этом кроются немалые резервы сокращения расхода изложниц, снижения металлоем­кости их производства.

Большое влияние на стойкость изложницы, находящейся в эксплуа­тации, оказывают прежде всего такие факторы, как скорость охлажде­ния после стрипперования; очистка и смазка; температура и скорость разливки стали; методы разливки (сверху или сифоном), на стационар­ной канаве или на подвижной (на тележках); размещение на поддоне; продолжительность пребывания слитка; период оборота (цикла) и др.

Главными требованиями правильно организованного режима эксплуа­тации изложниц являются бережное отношение и поддержание их в ра­ботоспособном состоянии с учетом влияния вышеприведенных условий, обеспечение необходимой производительности труда и качества полу­чаемых слитков при минимальном удельном расходе.

После стрипперования изложницы охлаждаются, без слитка. Наибо­лее благоприятным, с точки зрения продления срока службы изложни­цы, является воздушное (естественное или принудительное) охлажде­ние. Охлаждение водой (душирование) снижает стойкость изложниц, способствует развитию сетки разгара, поэтому его в настоящее вре­мя почти не применяют.

Операции очистки изложниц от скрапин, плен и шлака после пре­дыдущего и смазки перед очередным наливом на многих крупных метал­лургических заводах механизированы и производятся с помощью гидро­очистки, механических щеток, распыления и т.п., хотя имеются заво­ды, где эти операции до сих пор выполняются вручную скребками и щетками. В целом необходимо признать, что еще отсутствуют удачные конструкторско-технологические и организационно-планировочные ре­шения этой проблемы. Особенно ненадежна работа такого оборудования в зимний период (затруднено равномерное покрытие изложниц смазкой и другие).

После очистки и продувки сжатым воздухом изложницы устанавли­вают на поддоны. В глуходонные изложницы предварительно вставляют шамотные разливочные стаканчики и подсушивают эти места.

В качестве смазки чаще всего используют обезвоженную каменно­угольную смолу (лак) или другие органические вещества.

Смазку производят, когда изложницы при остывании достигнут температуры 80...120 °С, смазка изложниц при температуре выше 130 °С нецелесообразна, так как каменноугольный лак сгорает и в дальней­шем при разливке стали не образуется защитной газовой прослойки между слитком и изложницей.

Перед употреблением лак с целью лучшего нанесения (распыле­ния) подогревают до температуры 70...90 °С, а затем наносят равно­мерно тонким слоем. Лак - это вязкая жидкость черного цвета без осадков. Плотность при 15 °С - 1,1...1,8 кг/м³; условная вязкость по Энглеру при 50 °С - 1,5...5,0 °Е, температура вспышки не менее 90 °С, содержание воды - не более 1 %. Правильно нанесенная на внутреннюю поверхность изложницы смазка способствует получению чистой поверх­ности слитка. При наполнении изложницы металлом летучие вещества и продукты сгорания образуют газовую прослойку между стенкой из­ложницы и слитком, а тяжелые фракции (смола, кокс) - тонкий гарнисаж, что предотвращает контактирование изложницы с жидким метал­лом и предохраняет ее от выгаров, приваров и других дефектов.

При разливке стали в смазанные лаком или другими органически­ми веществами изложницы возникает большое количество разнообраз­ных дефектов в затвердевающей поверхностной корочке слитка (плен, заворотов, подкорковых пузырей, трещин и других дефектов).

Наиболее прогрессивным и современным способом, который пос­тепенно вытесняет традиционные, является разливка стали в изложни­цы под защитным слоем синтетических шлаков, получаемых расплавле­нием заранее приготовленных шлаковых смесей теплом жидкой стали, а также в специальных однофазных или обычных электропечах. В настоящее время наибольшее распространение получили синтетичес­кие шлаки из шлакообразных экзотермических смесей и шлакообразующих брикетов, забрасываемых в изложницу и расплавляемых теплом жидкой стали. Сейчас по такой технологии разливают миллионы тонн стали, для чего построены мощные механизированные цехи (участ­ки) по приготовлению порошков для синтетических шлаковых смесей. Основные теоретические и технологические положения разливки стали под шлаками разработаны в ИПЛ АН УССР В. А. Ефимовым, В. П. Осиповым, В. И. Легенчуком, Н. Я. Ищуком, В. В. Чебурко, В. М. Щегловым и дру­гими исследователями [4].

Разливка стали под шлаками обеспечивает благоприятные условия для формирования высококачественного слитка, включая и качество его поверхности. Шлак, затекая между изложницей и слитком, запол­няет все неровности, трещины, сетку разгара, выполняет тем самым функции смазки. Изложницы же при этом могут быть сухими, предва­рительно смазаны лаком или водным раствором графита [68].

Применяемый шлак должен быть легкоплавким (температура его плавления 1100...1350 °С) по сравнению с разливаемой сталью, иметь оп­тимальную вязкость и жидкотекучесть в процессе всей разливки, хо­рошо ассимилировать неметаллические включения, быстро затвердевать и создавать плотную изоляционную прослойку (гарнисаж) между излож­ницей и слитком, хорошо отделяться от стенок изложницы и слитка, не выделять токсичных газов.

По данным В. А. Ефимова и сотрудников [4], наиболее благоприят­ными и отвечающими всему комплексу вышеуказанных требований яв­ляются шлаки следующего состава, %: 20...35 SiO₂; 10...15 Аl₂О₃; 10...20 СаО; 0...10 МgО; 0...5 МnО; 5...15 Na₂O; 5...20 CaF₂. В состав экзотермических шлаковых смесей дополнительно входят горючие компоненты (алюминиевый, силикокальциевый, алюмомагниевый по­рошки и др.) и окислители (например, МnО). При этом возможна корректировка содержания других компонентов.

Рис. 3. Изменение температуры поверх­ности слитка (3, 4) и изложницы (1, 2) при разливке под шлаком (4, 1) и со смазкой (3, 2) [4]

На рис.3 приведены сравнительные данные по изменению темпера­туры поверхности изложницы и слитка при разливке под шлаком и с обычной смазкой, из которых видно, что при обычной разливке темпе­ратура внутренней поверхности изложницы резко возрастает и после соприкосновения  с металлом быстро достигает наибольших значений.

При создании же шлакового менее теплопроводного гарнисажа опти­мальной толщины (0,8...1,2 мм) обеспечивается постепенное повыше­ние температуры стенки изложницы, так как он смягчает термический удар и тем самым облегчает условия ее работы. Применение разливки стали под шлаком способствует снижению расхода чугуна на 1 т стали на 15-20%.

Расстановка изложниц на поддоне на близком расстоянии, а иногда вплотную, причем всякий раз одной и той же стороной, в значитель­ной степени сокращает срок службы изложниц. Поэтому изложницы сле­дует располагать на таком расстоянии между ними, чтобы имелись усло­вия для их равномерного воздушного охлаждения. Кроме то­го, необходимо менять их положение таким образом, чтобы одни и те же стенки не были обращены все время внутрь канавы и не находились пос­тоянно в условиях интенсивных температурных воздействий. В против­ном случае это быстро приведет к образованию на изложницах трещин и сетки разгара. Разливка на канаве, по сравнению с разливкой на те­лежках подвижного состава, отрицательно влияет на стойкость из-за ухудшения условий рассеяния тепла от стенок изложниц.

Изложницы перед разливкой стали должны иметь температуру 80...120 °С. Новые изложницы перед вводом в эксплуатацию необходимо прогревать до этой температуры заранее на специальных нагревательных газовых устройствах. Это связано с тем, что при более низкой тем­пературе возникает опасность образования трещин на первых наливах (до 10).  Более высокая температура нагрева ускоряет появление сетки разгара. В производственных условиях температурный режим из­ложниц перед разливкой может нарушаться по разным причинам. Так, в летний период температура изложниц, как правило, значительно выше нормативной, зимой же, наоборот, - ниже. Холодные, сильно остывшие изложницы необходимо обязательно дополнительно подогре­вать. Большой вред приносит односторонний нагрев изложниц. Поэтому температуру изложниц нужно постоянно контролировать с помощью специальных термощупов.

Разливка стали при повышенных температурах снижает стойкость, так как высокий перегрев стали способствует более интенсивному разог­реву изложниц. Практикой подтверждается, что стали, выплавляемые в электропечах и конвертерах, разливают при более высоких температурах, поэтому расход изложниц в электросталеплавильных и конвертерных цехах значительно выше, чем в мартеновских. Заданную принятым технологическим процессом температуру разливаемого металла необ­ходимо строго соблюдать и контролировать термопарой погружения. Установлено, что разливка стали при температуре выше 1570 °С сни­жает стойкость изложниц на 0,5 налива [69].

Главными дефектами, по которым изложницы выходят из строя при разливке сверху, являются размывы, привары и сетка разгара. При сифонной разливке изложницы чаще поражаются трещинами, хотя также могут быть вышеупомянутые и другие дефекты. Предупреждение обра­зования размывов и приваров может быть достигнуто путем центриро­вания струи стали за счет применения специальных устройств: для сквоз­ных изложниц - фиксаторов на поддонах, для глуходонных - спе­циальных установочных шаблонов. При больших размывах дна глухо­донных Изложниц следует применять пробки увеличенного диаметра. Во избежание нарушения правильной центровки струи запрещается исполь­зовать изношенные поддоны.

Повышенная скорость разливки ведет к чрезмерному быстрому тер­мическому нагружению изложницы, в результате чего возможен выход ее из строя уже на первых наливах.

На срок службы существенное влияние оказывает интенсивность эксплуатации (продолжительность выдержки слитков в изложницах, оборачиваемость) изложниц. Необходимое время пребывания слитков в изложницах определяется требованиями получения качественного слит­ка. Однако в практике заводов технологически необходимое время вы­держки слитков в изложницах часто нарушается в сторону увеличения (иногда на 5...8 ч), что значительно повышает расход изложниц. На­иболее рациональной интенсивностью эксплуатации изложниц по дан­ным отечественных и зарубежных заводов является 1,0...1,2 (до 1,4) на­ливов в сутки. Увеличение интенсивности эксплуатации (до 1,5...2,0 на­ливов в сутки) приводит к резкому снижению эксплуатационной стой­кости изложниц. Использование горячих изложниц в сочетании с разлив­кой перегретой до высокой температуры стали может привести к вы­воду из строя всего состава изложниц по приварам.

Создание оптимальных условий эксплуатации изложниц имеет важ­ное значение. Поэтому в отечественной и зарубежной практике этому вопросу уделяется первоочередное внимание, ибо в противном случае все мероприятия, направленные на повышение качества изложниц за счет улучшения их конструкции, материала и технологии изготовления, не дадут желаемых результатов.