Производство изложниц по V-процессу

Феклин Н. Д.

Одной из главных задач металлургии является: повышение качества готового проката и снижение его себестоимости. Снижение себестоимости проката напрямую зависит от способа его производства, а также от технического уровня используемого сталеразливочного оборудования и оснастки, в частности изложниц. Повышение стойкости изложниц, а значит снижение их расхода, приводит к существенному сокращению затрат на производство стали, что говорит о необходимости постоянно уделять внимание качеству изготовления и эксплуатации изложниц.

Условия многократного циклического повторения термических односторонних воздействий на изложницу, ее сложный тепловой режим работы, являются основными причинами выхода из строя. В большинстве случаев, отбраковка изложниц, в процессе их эксплуатации, связана с разрушением ее внутренней поверхности. Основными причинами отбраковки изложниц являются:

- сетка разгара – трещины образующиеся на внутренней поверхности;

- выгар – выкрашивание участков сетки разгара;

- приваривание слитков - срыв рабочего слоя изложницы при извлечении слитка.

Все эти причины так или иначе связаны с появлением и развитием трещин на внутренней поверхности изложниц, прогрессирующих в результате достижения металлом предельных величин деформации в зонах концентрации напряжений. Главными факторами, влияющими на стойкость изложниц, являются:

- свойства и состав используемых чугунов;

- конструкция изложниц и условия их эксплуатации;

- марка разливаемых сталей;

- технология изготовления изложниц.

Рассмотрим один из этих факторов – технологию изготовления изложниц, ведь она изначально предопределяет возможность влияния других факторов на ее стойкость.

Почему-то мало кто говорит о таких, на первый взгляд, не значительных воздействиях на рабочую поверхность изложниц при их производстве, в конечном счете, резко ускоряющих процесс их разрушения при эксплуатации, как:

1. Образование микротрещин на рабочей части поверхности изложницы.

В начале процесса кристаллизации, в форме вокруг стержня образуется тонкая корка металла. Дальнейшая кристаллизация стенок отливки и ее объемная усадка, при высокой твердости стержня, приводят к микро разрывам затвердевшей корки, либо значительным напряжениям в ее поверхностном слое.

1. Нарушение поверхностного слоя рабочей части отливки в процессе выбивки формы.

При очистке отливки от остатков формовочной смеси, пригаров, наплывов часто используется механическая очистка поверхности. Как известно, поверхностный слой отливки формируется в первый период заливки формы при контакте жидкого металла с холодными стенками формы и стержня, и является самым прочным. Вынужденная механическая очистка отливки ведет к местному удалению поверхностного слоя, появлению всевозможных повреждений рабочей поверхности.

Кроме того, газовые выделения материала формы и стержня при заливке металла, приводят к образованию раковин, пористости, включений, нарушающих целостность поверхностного слоя отливки, что, при эксплуатации изложниц, создает препятствия при извлечении из нее стальных слитков.

Циклические повторения термических воздействий на изложницу приводят, к ускоренному развитию микротрещин в сетку разгара, к образованию продольных и поперечных трещин, к тому же, и местное разрушение рабочего слоя изложницы и дефекты, связанные с газовыделением формы с стержнем, влияют на ее прочность, существенно снижая ее стойкость от других негативных воздействий в процессе эксплуатации изложницы.

Еще одной не маловажной причиной образования трещин в верхней части изложниц, являются существующие способы заливки металла в открытую форму, где чугун получается с более низкими механическими характеристиками.

Вышеперечисленные причины возникновения дефектов так или иначе присутствуют практически на каждом из предприятий с поправкой на их конкретные условия производства.

Какие основные требования необходимо предъявить к литейной технологии для возможного без дефектного производства отливок «изложница»?

- Отсутствие газовыделения формовочных и стержневых материалов при заливке формы металлом.

- Твердость стержня во время первичной кристаллизации металла и податливость стержня в процессе дальнейшего охлаждения и усадки тела отливки.

- Свободное удаление формовочного и стержневого материалов из отливки без применения механических либо пневматических способов очистки.

- Высокая чистота и геометрическая точность поверхностей отливки, особенно рабочей части.

- Заливка металла в закрытую форму.

Предлагаемая технология получения отливок «Изложница» с использованием метода вакуумно-пленочной формовки (ВПФ) для производства форм и стержней, позволяет максимально исключить влияние вышеперечисленных негативных факторов.

Сущность технологии вакуумно-пленочной формовки (V-процесс), заключается в том, что форму и стержень изготавливают из сухого формовочного наполнителя (песка) без связующих с применением синтетической пленки, при создании разряжения в объеме песка, для получения точной копии отливки в литейной форме. Благодаря применению мелкого песка и вакуума, при изготовлении форм и стержней, отливки получаются с более высокой размерной точностью и чистотой поверхности, в сравнении с существующими технологиями. Отсутствие сушки, испарения или сгорания связующего, а также возможность компенсации температурного расширения песка за счет значительного объема пустот между зернами (30-40%) снижает возможную деформацию стенок вакуумной формы и стержней по сравнению с традиционными способами формовки. Кроме того, точность сохранения геометрических размеров при V-процессе обеспечивается высокой прочностью формы и стержня (92-95ед). Возможность регулирования твердости формы и стержня в процессе остывания отливки, путем снижения уровня разряжения в них, позволяет создавать необходимую податливость наполнителя не препятствующую естественной усадке отливки. Различие в механических свойствах и структуре чугуна в сравнении с литьем в обычные формы, определяются разницей в скорости охлаждения металла. Процесс остывания отливки в форме, изготовленной с использованием метода вакуумно-пленочной формовки, из-за низкой теплопроводности сухого песка, происходит медленнее в 1.2-1.5 раз, что создает условия для снижения напряжений в отливке и повышает вязкость ее материала, что повышает ее стойкость против образования трещин на ее рабочей поверхности. При необходимости быстрого охлаждения отливки в форме, либо регулирования ее скорости охлаждения, используют методы ускоренного отвода тепла, за счет снижения слоя песка вокруг отливки и путем создания потока холодных газов в объеме формы, что позволяет значительно ускорять время ее охлаждения. Заливка таких форм при вакуумно-пленочной формовке, может происходить как при горизонтальном ее расположении, так и под наклоном, что позволит металлу находиться в форме примерно на одном уровне и максимально выравнять механические характеристики материала по всему объему изложницы. Кроме того, при таком способе заливки металла в форму, подпитка тела отливки будет осуществляться через прибыль, при этом будет снижен объем механической обработки верхней части изложницы и расход жидкого металла на нее.

Использование V-процесса при производстве отливок «Изложница» даст возможность повысить стойкость изложницы в 1.1-1.3 раза за счет:

При этом получаем более высокую плотность материала (чугуна), что улучшает теплопроводность стенок изложницы, влияющую на скорость охлаждения получаемых в ней слитков.

Про возможность использования стержней, изготовленных методом вакуумно-пленочной формовки и их преимуществах перед традиционными стержнями, известно давно, хотя о практическом применении таких стержней в производстве, особенно при серийном и крупносерийном производстве, достоверной информации нет.

Предлагаю фото материалы использования таких стержней при производстве разных отливок на нашем предприятии.

Ориентировочный расчет эффективности изготовления крупногабаритных отливок «Изложница» по V-процессу, проведенный для одного из Металлургических комбинатов, в сравнении с существующим методом изготовления, показал окупаемость всех затрат на его внедрение в течении 1,5-2 лет.