Принципы конструирования изложниц

Кукса А.В. Чугунные сталеразливочные изложницы. М.: Металлургия. 1989. - 151 с.

ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Всякая конструкция, в том числе и конструкция изложницы, ха­рактеризуется рядом важнейших показателей, определяющих степень ее совершенства: масса, несущая способность, надежность в эксплуа­тации, размеры и др. Эти показатели тесно связаны между собой. Однако можно ли сказать о какой-либо конструкции, что она совершен­на? На этот вопрос В. И. Моссаковский и Л. В. Андреев [39] метко отве­чают словами Антуана де Сент-Экзюпери: "Совершенство достигается не тогда, когда уже нечего прибавить, но когда уже ничего нельзя отнять".

Придерживаясь такого подхода, принципы проектирования рацио­нальных конструкций металлургических изложниц различного назна­чения могут быть сформулированы на основе общих принципов и пра­вил оптимального конструирования.

Наиболее известным и широко применяющимся при разработке кон­струкций является принцип равнопрочности, согласно которому жела­тельно иметь равную или близкую по величине напряженность во всех зонах изделия. Приближение к равнопрочности до недавнего времени считалось по существу основным принципом проектирования и кон­струирования. Однако изучение кинетики разрушения показывает, что совершенно равнопрочное по сечению изделие теоретически должно разрушаться одновременно во всех сечениях. При этом трудно заранее предсказать конкретные места разрушения и возможные последствия. Поэтому возникают сомнения в целесообразности стремления во всех случаях к наибольшей равнопрочности.

Преднамеренное создание неравнопрочности может быть использовано для того, чтобы заблаговременно предупредить разрушение всей конст­рукции. Для повышения прочности и надежности современных конструк­ций необходимо сочетать оба подхода [33] .

При разработке рациональных конструкций сортовых и листовых изложниц исходят из необходимости создания такой формы наружной поверхности, которая бы обеспечивала достаточно близкое приближе­ние к равнопрочности (равнонапряженности). При этом преднамеренно в серединах углов сортовых и в серединах узких граней листовых излож­ниц за счет утонений стенок, обусловленных криволинейной формой наружной поверхности, создавали неравнопрочность (повышенную напряженность). Приведенные напряжения в этих зонах, по сравнению с приведенными напряжениями в других зонах, имеют небольшие значения [113, 116-118, 122].

Такой подход позволяет более благоприятно перераспределить напря­женность в стенках изложниц и, главное, предотвратить (убрать) обра­зование сквозных продольных трещин в опасных зонах - на гранях у открытых торцов, как это имеет место на обычных изложницах. Пере­нос продольных трещин на середины углов (сортовые) и середины уз­ких граней (листовые) в изложницах с криволинейной наружной поверх­ностью имеет определенные преимущества, так как развитие трещин в процессе дальнейшей эксплуатации в продольном направлении сдержи­вается в верхней и нижней (донной) частях изложниц коническими утолщениями. Кроме того, угловые трещины в этих местах выполняют разгружающую роль для конструкции в целом.

Рис. 68 Основные конструктивные размеры сортовой и листовой изложниц для слитков кипящей (а) и спокойной (б) стали

Таким образом, основные принципы рационального конструирования изложниц можно сформулировать так. При конструировании изложниц следует стремиться:

• к всемерному повышению обобщенной равнопрочности за счет раци­онального сочетания эпюр приведенных напряжений и изменения полей сопротивлений, т.е. рационального перераспределения толщин стенок за счет формы наружной поверхности изложницы;
• преднамеренно создавать неравнопрочность в менее опасных зонах (углы в сортовых, узкие грани в листовых), разгружая тем самым наиболее опасные зоны (грани на открытых торцах). Образующиеся продольные трещины в этих местах, в свою очередь, разряжают всю конструкцию.

Использование этих положений при разработке конструкций излож­ниц создает возможность управления напряженным состоянием и раз­рушением изложниц и тем самым позволяет повысить их экономич­ность, надежность и долговечность. Это подтверждает долголетний опыт производства и эксплуатации облегченных изложниц для сорто­вых и листовых слитков различных масс на ЗКО, ЧМК, КМЗ [113, 116,117] и др. [118,122].

На основе обобщения результатов работ по исследованию напря­женно-деформированных состояний на тензометрических моделях, по разработке конструкций и данных испытаний эксплуатационной стойкости и снижения удельного расхода сортовых и листовых из­ложниц с криволинейной наружной поверхностью, можно сформу­лировать следующие практические рекомендации по выбору их основ­ных конструкционных параметров.

Толщина стенок в средине граней изложниц из серого чугуна для слитков спокойной и кипящей стали:

S_гp= (0,18...0,25)·D          (12)

где D - приведенная сторона (диаметр) изложницы (слитка).

Зависимость для определения S_гp взята в соответствии с данными работы [48], как надежно зарекомендовавшая себя в течение много­летней практики конструирования изложниц, а также в связи с тем, что габаритные размеры изложниц с криволинейной наружной поверх­ностью вписываются в габаритные размеры обычных изложниц.

Толщина стенок в углах (сортовых) и узких гранях (листовых) изложниц для спокойной и кипящей стали:

S_уг = (0,15...0,17)·D       (13)

Толщина изложницы на верхнем и нижнем открытых торцах вместе с буртом (по всему периметру) :

S_б =(1,1...1,3)·S_гp            (14)

Высота бурта на открытых торцах (верхнем и нижнем):

Н_б = (0,1...0,15)Н          (15)

где Н - высота изложницы.

Высота конических утолщений на верхнем и нижнем (донном) торцах:

Н_к= (0,2...0,25)·H           (16)

Радиус конических утолщений:

r_к= (0,5...1,0)·Н             (17)

Размеры и наружная форма днищ сортовых глуходонных изложниц в виде трефа и листовых в виде восьмерки, а также размеры и распо­ложение ушей (цапф) принимаются конструктивно. Внутренняя форма отражает форму слитка, которую, в свою очередь, задают сталеплавиль­щики и прокатчики.

Решение задачи о выборе основных параметров рациональных кон­струкций изложниц с криволинейной наружной поверхностью позволит сократить сроки и трудоемкость разработки рациональных конструк­ций металлургических изложниц различного назначения, повысить качество при одновременном снижении металлоемкости, обеспечит возможность унификации и стандартизации их конструкций.

При проектировании изложниц всегда исходят из соблюдения двух основных требований - обеспечения максимально возможного высо­кого качества внутреннего строения слитков и рационального раскроя металла при прокатке профилей и листов. В связи с этим особое внима­ние уделяется выбору размеров внутренней полости изложниц, опре­деляющей геометрическую форму слитков. Наиболее важными разме­рами этой полости являются высота Н и условная приведенная сторона среднего поперечного сечения изложницы (слитка) D, связь между которыми обычно выражается отношением H/D.

Многочисленными исследованиями установлено, а длительной практи­кой подтверждено, что HID оказывает влияние на процесс кристалли­зации, макроструктуру, химическую и физическую неоднородность, а также на производительность обжимных станов [48].

В. А. Ефимов считает, что слитки должны иметь следующее отношение H/D:

• для спокойных углеродистых сталей - 3,0...3,5;
• для легированных и качественных углеродистых сталей - 2,5...3,0;
• для кипящих сталей - 3,5...4,0.

Следовательно, при проектировании изложниц критерий качества слитков HID должен быть обязательно положен в основу расчета и служить одним из основных исходных данных. Такой подход, как выяс­няется, оказывается удобным при разработке алгоритма расчета из­ложниц с использованием ЭВМ, если выразить все зависимости необхо­димых конструктивных параметров через D и Н. Однако следует отме­тить, что сам критерий HID в отдельных случаях также требует опти­мизации.

Рис. 67. Блок-схема расчета конструктивных параметров сортовых и листовых изложниц

На рис. бб показаны основные размеры изложниц для слитков спо­койной и кипящей сталей, которые необходимо каждый раз рассчиты­вать при их проектировании [48] .

С учетом вышесказанного разработан алгоритм расчета параметров сортовых и листовых изложниц с криволинейной наружной поверхностью (рис. 67) для кипящих и спокойных сталей, включающий следу­ющие этапы:

• ввод исходных данных;
• анализ формы изложниц (сортовая, листовая, без дна, с дном);
• вычисление параметров сортовой изложницы без дна;
• вычисление параметров сортовой изложницы с дном;
• вычисление параметров листовой изложницы без дна;
• вычисление параметров листовой изложницы с дном;
• вычисление массы слитка С, массы изложницы И и отношения И/С;
• вычисление стоимости спроектированной изложницы.

При разработке алгоритма были использованы зависимости (15)...(20), а также формулы, приведенные в работе [48]. Систематизация этих зависимостей и логическое упорядочение операций вычисления параметров позволили сделать его компактным и универсальным.