ПРИБЫЛЬНАЯ НАДСТАВКА Российский патент 1998 года по МПК B22D7/10 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при сифонной разливке спокойной стали, подвергающейся обработке давлением.

Улучшение макроструктуры верхней части слитка спокойной стали предполагает получение плотного тела слитка и прибыли с концентрированной неглубокой усадочной раковиной, что достигается при направленном снизу вверх затвердевании. Для направления теплового потока в нижнюю часть слитка, а также для сохранения металла в объеме прибыли, как можно дольше в жидком состоянии с целью питания возникающих в процессе кристаллизации усадочных пустот в теле слитка, применяют прибыльные надставки.

Известна конструкция прибыльной надставки, содержащая металлический корпус с верхней и нижней полками, огнеупорную футеровку [1]. К недостаткам устройства относятся:
- большие теплопотери через сквозную надставку, что приводит к поражению верхней части слитка усадочными дефектами - повышенному браку верхней заготовки;
- отсутствие механизма управления процессом газовыделения, сопровождающего усадку слитка, что приводит к повышенному браку по подкорковому пузырю и волосовинам;
- повышенное пылевыделение компонентов теплоизолирующих зеркало металла смесей через сквозную надставку в рабочую зону сталеразливочного пролета.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция прибыльной надставки, содержащей металлический корпус о верхней и нижней полками, огнеупорную футеровку, крышку из шамотно-волокнистой плиты, полость между футеровкой и корпусом, а также каналы, соединяющие внутреннюю полость надставки с полостью между футеровкой и корпусом, и сквозные каналы, [2]. Тепловая работа прибыльной надставки улучшается за счет снижения теплопотерь металла на аккумуляцию футеровкой и корпусом надставки, вcледствие их нагрева выделяющимися газами при наполнении изложницы жидким металлом.

К недостаткам устройства относятся:
- отсутствие механизма управления процессом газовыделения при кристаллизации слитка,
- сложность в изготовлении из-за дополнительных трудоемких операций по выполнению полости между футеровкой и корпусом надставки, каналов, сквозных каналов и установки крышки:
- высокая вероятность заливов полости и каналов шлаком и металлом при переливах изложниц;
- повышенное пылевыделение компонентов шлакообразующей смеси через сквозные каналы надставки.

Целью изобретения является разработка простой и надежной конструкции прибыльной надставки с улучшенной тепловой работой и способной управлять процессом газовыделения при кристаллизации слитка.

Указанная цель достигается тем, что предлагается конструкция прибыльной надставки, содержащей металлический корпус с нижней полкой и огнеупорную футеровку, верхнюю плоскость со сквозным отверстием, снабженным мембраной, выполненной из материала, разрушаемого в момент окончания наполнения верхней трети слитка, и пропускной способностью, достаточной для образования газового зазора между верхней плоскостью корпуса и зеркалом металла в прибыльной части слитка.

Изобретение поясняется фиг. 1-6.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого устройства.

Прибыльная надставка состоит из металлического корпуса 1 с нижней полкой 2 и верхней плоскостью 3, огнеупорной футеровки 4. На верхней плоскости 3 выполнено сквозное отверстие 5, закрытое разрушаемой мембраной 6. Прибыльная надставка установлена на изложницу 7.

Прибыльная надставка работает следующим образом. При наполнении изложницы 7 металлом 8 нагретый при контакте с ним воздух и выделяющиеся из металла газы скапливаются во внутренней полости надставки 9, где создают противодавление над зеркалом металла, достаточное для "закупоривания" слитка. По окончании наполнения верхней трети слитка и при входе жидкого металла во внутреннюю полость надставки 9 происходит разрушение мембраны 6 и освобождение сквозного отверстия 5 для выхода раскаленных газов в атмосферу. Пропускная способность сквозного отверстия 5 рассчитана так, чтобы выделяемые при кристаллизации газы образовывали газовый зазор между зеркалом металла в прибыли и верхней плоскостью прибыльной надставки, являющейся источником дополнительного тепла, подводимого к верхней части кристаллизующегося слитка.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства позволяют регулировать процесс газовыделения на всех этапах кристаллизации слитка - от подавления газовыделения при наполнении верхней трети слитка до регламентированного газовыделения при наполнении прибыльной части слитка. Механизм регулирования осуществляется посредством сопряжения скорости наполнения тела и прибыли слитка и величины давления выделяющихся газов в замкнутом объеме на зеркало металла и реализуется за счет подбора материала разрушаемой мембраны и расчета пропускной способности сквозного отверстия.

Подкорковые газовые пузыри образуются при повышенном содержании газов в расплаве. Даже в полностью раскисленной стали имеет некоторое место выделение газов - продуктов реакции [C] + [O] = [COr]. Повышенное содержание водорода также способствует образованию пузырей. Ферростатическое давление столба металла над образующимся пузырем препятствует его развитию, но более медленное наполнение верхней трети слитка вследствие понижения ферростатического напора металла при сифонной разливке и прогрев изложницы по мере ее наполнения, приводящий к некоторому торможению кристаллизации, оказывается достаточным для того, чтобы выделяющиеся газы (особенно водород) нарушали сплошность корочки слитка и вырывались в зазор между ней и стенкой изложницы, образуя тонкие канальцы, дающие при прокате брак - "волосовины". Противодавление газов, создаваемое во внутренней полости надставки над зеркалом металла, приводит к подавлению зарождения и выделения газовых пузырьков в верхней трети слитка в самом начале процесса кристаллизации. По мере образования боковых корочек слитка достаточной толщины, приходящегося на момент заполнения металлом внутренней полости надставки, избыточное давление газов стравливается в атмосферу через сквозное отверстие, пропускная способность которого позволяет создать газовый зазор между верхней плоскостью надставка и зеркалом металла в прибыли, являющимся дополнительным теплоизолятором и источником дополнительного подвода тепла к верхней части слитка. Это существенно улучшает тепловую работу прибыльной надставки, выражающуюся в уменьшении глубины усадочной раковины и приданию ей более концентрированной формы.

Разрушение мембраны, приходящееся на момент входа металла во внутреннюю полость надставки и сопровождаемое активным газовыделением через сквозное отверстие, служит своеобразным индикатором степени наполнения изложницы, что исключает переливы металла. Глухая прибыльная надставка предотвращает активное пылевыделение компонентов теплоизолирующей смеси, пик которого приходится на момент входа металла в изложницу. Простота конструкции надставки не требует дополнительных операций по ее изготовлению, так как сквозное отверстие выполняется в процессе отливки корпусе надставки.

Предлагаемое решение испытано в условиях мартеновского цеха Выксунского металлургического завода при получении слитков колесной стали массой 3,52 т методом сифонной разливки. Для этого в чугунолитейном цехе завода были отлиты из серого чугуна 10 прибыльных надставок со сквозными отверстиями ⊘ 52 мм, которое на стадии подготовки сталеразливочного состава закрывали разрушаемой при температуре 900^oC мембраной, выполненной на основе вспученного вермикулита. Разливку производили под слоем перлито-графитовой смеси; продолжительность наполнения тела слитка 4,0-7,0 мин; продолжительность наполнения прибыли 1,5-2,0 мин. На шестиместные поддоны устанавливались изложницы, снабженные прибыльными надставками по предлагаемому решению и аналогу. Готовые слитки исследовались по внешнему виду поверхности и макроструктуре: форме и глубине усадочной раковины, наличию подкоркового пузыря и "волосовин" после проката, неметаллических включений и т.д. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Топография усадочной раковины в слитках, отлитых по аналогу а) и предлагаемому решению (б), приведены на фиг.2 и визуально отображены на фиг. 3 (аналог) и фиг.4 (предлагаемое решение).

Макроструктура слитка отображена на фотографиях темплетов, вырезанных и прокатанных железнодорожных колес из слитков по аналогу (фиг. 5) и из слитков по предлагаемому решению (фиг. 6).

Анализ результатов испытаний позволяет сделать следующие выводы:
1. Макроструктура железнодорожного колеса, изготовленного из слитка, отлитого по предлагаемому решению, удовлетворительна: металл плотен, однороден, ликваций и других дефектов на ступице, оформленной при штамповке из центральной зоны слитка, нет.

2. Макроструктура железнодорожного колеса, изготовленного из слитка, отлитого по аналогу, имеет ликвационные полосы, металл менее плотен, имеет более крупное зерно.

3. Значительно снижен брак по наличию подкоркового газового пузыря, "волосовин", неметаллическим включениям.

4. Усадочная раковина в слитках, отлитых по предлагаемому решению, имеет более концентрированную форму, усадочные дефекты не распространены на головную заготовку.

Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что используя для отливки слитков колесной стали предлагаемую конструкцию прибыльной надставки, авторы достигли поставленной цели.

Источники информации
1. Кудрин В.А. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1981, с. 421.

2. Авторское свидетельство СССР N 1592098, кл. В 22 D 7/10, БИ N 34, 1990.

Изобретение предназначено для использования при получении слитка спокойной стали при сифонной разливке. Надставка выполнена с верхней плоскостью, имеющей сквозное отверстие с установленной в нем мембраной, выполненной из материала, разрушаемого в момент окончания наполнения верхней трети слитка, с пропускной способностью, достаточной для образования газов, скапливающихся между верхней плоскостью корпуса и зеркалом металла в прибыльной части слитка, необходимых для закупоривания слитка. 6 ил. 1 табл.

Прибыльная надставка, содержащая металлический корпус и огнеупорную футеровку, отличающаяся тем, что металлический корпус выполнен с верхней плоскостью, имеющей сквозное отверстие, с установленной в нем мембраной, выполненной из материала, разрушаемого в момент окончания наполнения верхней трети слитка, с пропускной способностью, достаточной для образования давления газов, скапливающихся между верхней плоскостью корпуса и зеркалом металла в прибыльной части слитка, необходимого для закупоривания слитка.