Вспомним забытые технологии: Противопригарные смазки для изложниц при производстве стальных слитков

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Слиток - это металл, затвердевший при остывании в металлической форме, называемой изложницей. Слиток чаще всего имеет форму усеченной пирамиды, квадратной, прямоугольной или многогранной призмы, цилиндра или конуса. Слиток – полуфабрикат для дальнейшей переработки: нагрев, ковка, прокатка, механическая обработка для придания конечной формы детали, используемой в машиностроении.

Изложница – это металлическая форма, заполняемая жидким металлом, в которой он затвердевает в слиток для последующей ковки или прокатки.

Изложницей также считается металлическая литейная форма в центробежном литье, в которой жидкий металл затвердевает в изделие под воздействием центробежных сил [1].

Будь осуществлена концепция стальной изложницы, возникла бы проблема ее смазки перед заливкой в нее металла на слиток.

С давних времен в качестве самой распространенной смазки для чугунных изложниц был и пока что остается нефтебитумный лак (кузбасслак).

Среди публикаций на этот счет имеются весьма скудные упоминания. В частности, автор [2] описал эффективную смазку для металлических форм, состоящую из 9 ч касторового масла  1 ч свинцового глета.

Касторовое масло не испаряется до 300°С, а свинцовый глет предотвращает задиры. Эта смазка увеличивает стойкость трущихся поверхностей в 5-8 раз по сравнению со смазкой из суспензии графита и минерального масла.

И хотя эта технология касается прессформ для литья под давлением, ее рациональное зерно может пригодиться и при изготовлении стальных слитков в чугунных изложницах. Ответ на этот вопрос может дать какой-то вариант испытаний смазок для литья под давлением при производстве стальных отливок в чугунных изложницах.

В свое время умы литейщиков и металлургов интенсивно будоражила концепция стальных (сварных) изложниц. Одному из идеологов этой концепции Ашрафяну Э. удалось убедить минтяжмашевских распорядителей финансов и дирекцию бывшего Краматорского НИИПТмаша (один из крупнейших и выдающихся отраслевых институтов тяжелого машиностроения) профинансировать экспериментальные работы по стальным изложницам. Эта концепция закончилась крахом. При первой же заливке стальной изложницы она раздулась, едва не закончившись прорывом металла и катастрофой.

Все оказалось очень просто. Массы стальной изложницы оказалось недостаточно для своевременного захолаживания слитка. Увеличение же массы стальной изложницы противоречит концепции экономии металла. Существующим применительно к чугунной изложнице расход металла на собственно изложницу как таковую составляет порядка 30 кг на 1 т слитков.

Мы не станем подробно описывать английские эксперименты с различными смазками для изложниц. Мы изложим в настоящей публикации достоинства и недостатки некоторых смазок для изложниц, основанные на выполненных очень квалифицированных экспериментах, и вытекающих из этих экспериментов выводов, и рекомендации для предупреждения образования порывов на поверхностях слитков. Полагаем, что это наиболее важная и наиболее ценная информация, вытекающая из описанных в источнике [3] экспериментов с различными смазками для изложниц.

Считается общепризнанным, что смазка поверхности изложниц улучшает качество поверхности слитка, однако до сих пор не выяснен вопрос взаимодействия металла со смазочным веществом. Опыты по применению различных смазок ограничивались в большинстве случаев сравнением качеств поверхности слитков и заготовок, полученных при применении различных смазочных веществ. Это хотя и служило показателем оценки полезности их применения и эффективности их влияния, но не давало возможности определить их непосредственное действие.

Пороками, которые наиболее часто встречаются на поверхности стальных слитков, являются плены, завороты, трещины и газовые пузыри (свищи). Опыты показывают, что количество пороков на поверхности слитка часто зависит от температуры разливки и скорости наполнения изложниц металлом.

М.Thomas [4] установил, что для каждой стали существуют интервалы величин скоростей и температур разливки, при которых возникает наименьшее количество пороков на поверхности слитка. Эти интервалы являются очень небольшими.

Применение смазок для изложниц дает возможность расширить допустимые интервалы скорости и температуры разливки, и, несмотря на их изменение во время разливки целой плавки стали, качество поверхностных слитков все же получается высоким.

Описанные в [3]  опыты проводились с целью получения некоторого представления о значении отдельных смазок, обладающих различными свойствами, а также данных относительно их поведения в работе и их физических и химических свойств, необходимых для того, чтобы они в полной мере соответствовали своему назначению.

Опыты же, целью которых было бы определение возможного влияния смазок на поведение изложниц в работе, не проводились.

Важным моментом при решении данной работы был вопрос о ее масштабах. Поскольку влияние многих факторов оказалось не зависящим от размера слитка, было решено провести опыты в небольшом масштабе.

Основными свойствами смазок для изложниц являются: летучесть, теплопроводность (степень изоляции) и способность создавать при заливке восстановительные или окислительные условия. План проведения работы был составлен так, чтобы можно было сравнивать смазки, характеризуемые различными сочетаниями этих свойств, причем определялось относительно значение каждого из них. Кроме вида смазки, учитывались так же температура изложницы и металла при разливке, скорость наполнения изложницы, марка и условия разливки стали и толщина слоя применяемой смазки. Для успешного решения этой сложной задачи потребовалась стандартизация некоторых из вышеперечисленных переменных условий, а также применение способа исследования, обеспечивающего визуальное наблюдение за процессом, протекающим на границе между жидкой сталью и изложницей. Для наблюдения в эксперимент была вмонтирована кинокамера, рассчитанная на выполнение ускоренной съемки. С помощью аппарата проводился целый ряд опытов: сначала с расплавленным свинцом, а затем и с жидкой сталью.

Эти опыты преследовали следующие цели:

- изучение качества поверхности небольших слитков, отлитых из легкоплавких металлов с применением различных смазок для изложниц;

- осуществление киносъемки подъема зеркала легкоплавкого металла в изложнице;

- изучение качества поверхности небольших стальных слитков и киносъемка подъема зеркала стали в изложнице;

- изучение физических и химических свойств смазочных материалов для изложниц;

- изучение условий, возникающих на внутренней стенке изложницы во время разливки;

- осуществление киносъемки подъема зеркала стали в изложнице для слитка весом 508 кг.

2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОБРАЗОВАНИЕ ПОРОКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ СЛИТКА

2.1. Брызги и всплески металла. Очевидно, что для предупреждения всплесков металла имеет значение не только изолирующее действие слоя смазки, но и ее способность улетучиваться. Весьма вероятно, что действие этого свойства смазки объясняется комбинированным влиянием следующих факторов:

- науглераживанием брызг стали восстановительными газами, выделяющимися из смазки, что понижает температуру плавления стали;

- пульсирующим характером выделения образующихся при разливке газов;

- предотвращением непосредственного соприкосновения между сталью и стенкой изложницы;

- выделением тепла при сгорании смазки.

2.2. Образование двойной корки. На поверхности нескольких небольших слитков, отлитых в изложницах, смазанных битуминозной краской № 1, наблюдалось выпотевание металла в полости у поверхностных плен с образованием двойной корки на значительной расстоянии относительной части слитка, а на поверхности слитка возникали небольшие подтеки металла.

2.3. Плены. Образование плен на поверхности слитка зависит от скорости поглощения тепла изложницей и свойств стали. Чем больше газов выделяется из смазки, тем больше площадь слитка, пораженной пленами. Образование плен зависит от:

- первоначальной температуры нагрева изложницы;

- температуры нагрева стали;

- скорости разливки стали;

- наличия окислов на поверхности стали;

- содержание летучих в смазке.

2.4. Завороты. Эти пороки, похожие на плены, вероятно, образуются вследствие охлаждения по поверхности стали. Данный порок более значителен, чем плены. Он образуется при наличии корки окислов, шлака или остывшей стали на поверхности металла, в результате чего происходит заворот стали.

Применение летучих смазок для изложниц значительно снижает возможность появления заворотов, способствуя получению «открытого» зеркала, не покрытого окислами.

Благотворное влияние на предотвращение заворотов оказывают: высокая температура разливки, применение летучих смазок для изложниц.

2.5. Трещины. Образование этого дефекта на поверхности слитка обусловлено ограниченными возможностями свободной усадки металла в изложнице и в результате возникновение значительных по величине местных напряжений на отдельных участках поверхности вследствие различной скорости охлаждения металла на этих участках.

Благотворное влияние на предупреждение образование трещин в слитке при разливке оказывают следующие факторы:

- устранение помех свободной усадке металла при его затвердевании в изложнице;

- достаточно быстрое увеличение прочности затвердевающей корки стали, обеспечивающее необходимое сопротивление внутреннему ферростатическому давлению металла;

- ровная (гладкая) внутренняя поверхность изложницы, что обеспечивает равномерное охлаждение стали.

2.6. Шероховатая поверхность слитка с газовыми раковинами (свищами). Шероховатая поверхность на слитках образуется при выделении газов по периметру из-под границы соприкосновения слитка с изложницей. Это, вероятно, происходит при большой скорости разливки в изложницу, смазанную толстым слоем летучей смазки, так как при этом не все летучие полностью удаляются из смазки над зеркалом металла и сталь заливает слой смазки на стенке изложницы.

2.7. Науглераживание поверхностного слоя слитка. При применении летучих смазок, изготовленных на древесноугольной основе, обычно происходит отчетливо выраженное науглераживание подкоркового слоя слитка. Применение нелетучих смазок и разливка без смазки вызывают обезуглераживание поверхностного слоя слитка. Такое поведение стали подтверждает концепция, что науглераживание происходит под действием газов над границей соприкосновения изложницы с жидким металлом.

3. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ НЕКОТОРЫХ СМАЗОК ДЛЯ ИЗЛОЖНИЦ

3.1. Битуминозная краска № 1 и деготь. Битуминозная краска, нанесенная на внутреннюю поверхность изложницы тонким слоем, не оказывала достаточно эффективного действия на отталкивание поверхностной пленки окислов от границы соприкосновения поверхности жидкой стали с изложницы. Для обычно применяемых летучих смазок весьма характерно науглероживание поверхностного слоя слитка и образование плен. При наполнении изложницы со скоростью от 317 до 635 мм/мин происходил плавный, вполне равномерный подъем зеркала стали. Никакого взаимодействия между смазкой и жидким металлом на границе их соприкосновения не наблюдалось. При нанесении на внутреннюю поверхность изложницы слоя битуминозной краски № 1 толщиной от 0,1 до 0,3 мм создаются условия, обеспечивающие плавный и равномерный подъем металла по стенке изложницы при всех скоростях разливки, опробованных при проведении описанных опытов. У границы соприкосновения жидкого металла с изложницей не наблюдалось протекания каких-либо реакций или вихревого движения металла за исключением, перемещения поверхностного слоя перпендикулярно к стенке изложницы. Это перемещение поверхностного слоя является вполне достаточным для отталкивания пленки окислов от стенки изложницы и сохранения поверхности стали чистой от окислов. Перемещение металла, по всей вероятности, вызвано следующими причинами:

- местным уменьшением силы поверхностного натяжения стали около границы ее соприкосновения с изложницей;

- пульсирующим характером выделения образующихся при разливке газов.

Первое объяснение кажется более обоснованным, так как во время опыта не наблюдалось вихревого движения металла. Полость изложницы над зеркалом стали была заполнена дымом, образовавшимся при горении смазки. При просмотре кинопленок, заснятых со скоростью 64 кадра в секунду, можно было наблюдать оплавление смазки и ее стекание у стенки изложницы на мениск стали. Это, явление, вероятно кажущееся, вызвано испарением смазки. Разливка стали в изложницы, на внутреннюю поверхность которых нанесена битуминозная краска № 1 толстым слоем (0,3 мм и выше), сопровождается бурным взаимодействием металла со смазкой, протекающим непосредственно под зеркалом металла. При проведении опытов с толстыми слоями смазки в поверхностном слое слитков наблюдалось несколько большее науглероживание металла, однако качество поверхности этих слитков полностью соответствовало качеству поверхности слитков, отлитых в изложницах, смазанных тонким слоем этой смазки.

При нанесении битуминозной краски № 1 на внутреннюю поверхность изложницы еще более толстым слоем во время разливки наблюдалось сильное пульсирующее выделение газов у границы соприкосновения жидкого металла с изложницей, причем увеличилось количество слитков с рябой поверхностью.

Из сравнение физических и химических свойств битуминозных красок № 1 и № 2 и смазок из каменноугольного дегтя следует, что применение битуминозных красок для смазки внутренней поверхности изложницы имеет следующие преимущества по сравнению с применением смазки из каменноугольного дегтя:

- битуминозная краска не содержит воды и не нуждается в обезвоживании;

- битуминозные краски являются менее вязкими, а поэтому для нанесения на внутреннюю поверхность изложницы они не требуют подогрева и дают более тонкий с ровный слой;

- битуминозные краски сохнут значительно быстрее;

- битуминозные краски выделяют при сушке меньшее количество едкого дыма.

Для некоторой степени значение этих преимуществ битуминозных красок по сравнению с каменноугольным дегтем снижается вследствие того, что последний имеет более высокую температуру вспышки; это исключает возможность получения взрывов при нанесении этой смазки на горячую стенку изложницы. Характер кривых перегонки смазок показывает, что летучие смазки нельзя наносить на поверхность изложниц, нагретых до высокой температуры, так как в этом случае испаряется слишком большое количество летучих веществ и смазка спекается.

Испарение летучих из битуминозной краски во время разливки происходит при более низких температурах, чем из смазки, изготовленной из каменноугольного дегтя. Это обстоятельство способствует созданию в изложнице восстановительной атмосферы, затрудняет затекание металла на смазку и последующее выделение газов по периметру соприкосновения металла с изложницей. Таким образом, благодаря применению битуминозной краски предупреждается получение рябой поверхности на слитках. Такая поверхность получается, по-видимому, только при нанесении смазки на внутреннюю поверхность изложницы слишком толстым слоем или же при разливке металла со слишком большой скоростью.

Нанесение на внутреннюю поверхность изложницы битуминозной краски № 1 или каменноугольного дегтя слоем толщиной  0,1 мм обеспечивает получение наилучших результатов. При такой толщине смазки на поверхности слитков не образуется значительных пороков и характер подъема поверхности обеспечивает отсутствие шлаковых или окисных включений в поверхностном слое слитка. Вполне возможно, что при более высоких температурах и больших скоростях разливки полностью исключится образование плен и обеспечится получение слитков с гладкой поверхностью при полном отсутствии каких-либо пороков.

Для нанесения слоя смазки толщиной 0,1 мм на внутренние стенки десяти изложниц для слитков весом 4 т вполне достаточно 4,5 л битуминозной краски № 1.

3.2. Глиноземный цемент. Несмотря на свои теплоизолирующие свойства, глиноземный цемент не обеспечивает при разливке плавного подъема зеркала стали в изложнице. Он не оказывает также никакого защитного действия против появления окисных или шлаковых включений на поверхности слитка и против подъема зеркала металла в изложнице резкими толчками при низких температурах и небольших скоростях разливки; вследствие этого возникают завороты. Хотя при смазке изложниц глиноцемным цементом предупреждается образование плен, поверхность слитков получается плохой и неровной. При использовании для смазки изложниц глиноземного цемента и разливке стали в среде азота, очищенного от кислорода, у границы соприкосновения металла с изложницей можно было наблюдать ярко светящийся ободок из вещества, обладающего более высокой лучеиспускательной способностью, чем жидкая сталь. В процессе разливки этот светящийся ободок распространялся по всей поверхности металла. Это оказался почти чистый герценит (FeO · Al₂O₃ - железистая шпинель), вызывающий образование заворотов при смазке изложниц глиноцемным цементом.

3.3. Сажа (от сгорания дегтя). Предполагалось, что слой сажи на внутренней стенке изложницы создает некоторую тепловую изоляцию, а также предупреждает обезуглероживание поверхностного слоя слитка. В действительности же полученные результаты показали очень небольшую разницу при разливке стали в изложницы с сажевым покрытием и без него.

При низкой температуре и небольшой скорости разливки стали в изложницы внутренняя поверхность которых покрыта слоем сажи, получалось большее количество заворотов на поверхности слитков, чем при разливке стали в изложницы, смазанные летучими смазками. Во время разливки в изложницы, на внутреннюю поверхность которых была нанесена сажа, зеркало стали было покрыто пленкой окислов, а обезуглероживание поверхностного слоя слитка было примерно таким же, как у слитка, отлитого в изложницу без смазки. Если при разливке металла в изложницу, внутренние стенки которой были покрыты сажей, непрерывно вдувался азот, наблюдался плавный подъем почти совершенно не загрязненного окислами зеркала металла и незначительное перемещение его поверхностного слоя от стенки изложницы. Количество заворотов на поверхности слитков значительно уменьшилось, так как их образование в большей мере зависит от наличия окислов на поверхности.

3.4. Стеариновая кислота. Эта смазка, похожая на воск, была опробована при проведении опытов в качестве смазки, которая полностью улетучивается с внутренней поверхности изложниц, не оставляя после себя никакого осадка. Этим она резко отличается от битуминозной краски. Просмотр кинопленок показал, что, несмотря на перемещение поверхностного слоя металла, эта смазка не оказала достаточно сильного действия с точки зрения получения чистой от окислов поверхности. При разливке в изложницы, смазанные этой смазкой, наблюдался плавный и равномерный подъем зеркала металла, причем качество отлитых слитков было очень схожим с качеством поверхности слитков, отлитых в изложницах, смазанных битуминозной краской № 1.

Стеариновая кислота, точка плавления которой составляет 67°, переходит в жидкое состояние над зеркалом стали в изложнице, а потому толщина слоя смазки на стенке изложницы может быть определена только весьма приблизительно.

При применении в качестве смазки для изложниц, стеариновой кислоты наблюдалось незначительное науглероживание поверхности слитка.

3.5. Смазка на древесноугольной основе. Эти смазки вызывают при разливке сильное вихревое перемещение металла у стенки изложницы, однако поверхность полученных слитков была совершенно ровной, без пороков, если не считать небольшой шероховатости. При разливке стали в изложницы, смазанные этой смазкой, наблюдалось значительное науглероживание поверхностного слоя слитка. В некоторых случаях это приводит к нежелательным последствиям.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проведении данной работы были выявлены важнейшие свойства, которыми должны обладать смазки:

4.1. Летучесть. Преимуществом летучих смазок является их способность выделять при разливке восстановительные газы. Весьма важно, что выделение газов в изложнице происходило выше зеркала стали, а не ниже его.

4.2. Не слишком низкая температура испарения смазки для того, чтобы из смазки при нанесении ее на поверхность изложницы удалялась только часть летучих составляющих.

4.3. Наличие нелетучего остатка смазки, который предотвращает непосредственное соприкосновение стали со стенкой изложницы в начальный момент подъема мениска.

4.4. Отсутствие химической активности смазки по отношению к кислороду и жидкому металлу во избежание образования шлака или окисных соединений.

4.5. Достаточная вязкость смазки для удобства и легкости ее нанесения на внутреннюю стенку изложницы.

4.6.Возможно меньшая продолжительность сушки.

4.7.Отсутствие большого количества дыма при сгорании.

4.8. Высокая температура вспышки для предупреждения возможности получения взрывов при нанесении смазки на внутреннюю стенку изложницы.

В таблице перечислены основные виды смазок, применение которых рекомендуется для предупреждения образования наиболее часто встречающихся пороков на поверхности слитков.

Из всех применяемых смазок для изложниц наибольшие преимущества имеют смазки с летучими составляющими, а битуминозные смазки, благодаря легкости их нанесения на стенку изложницы и эффективному поведению при разливке, являются наилучшими. Смазки, изготовленные на основе каменноугольного дегтя и на древесноугольной основе, оказывают одинаково сильное действие при разливке с точки зрения уменьшения количества пороков на поверхности слитка, однако их нанесение на стенку изложницы связано с некоторыми затруднениями.

Летучие смазки оказывают наиболее сильное действие, так как они:

- предупреждают окисление стали на зеркале металла;

- обеспечивают отталкивание пленок окислов или шлака от стенки изложниц;

- препятствуют обезуглероживанию поверхностных слоев слитка;

- предотвращают прилипание брызг стали к стенкам изложницы;

- обеспечивают плавный подъем зеркала металла в изложнице при разливке.

Полагаем, что реальную пользу от вышеописанных экспериментов можно получить, проведя дополнительные, уточняющие эксперименты для подтверждения или опровержения некоторых положений настоящей публикаций, основанных на исследования автора [3]. Разумеется, это можно сделать, прежде всего, на металлургических заводах или крупных машиностроительных заводах Украины, располагающих производством слитков в чугунных изложницах.

Приложение

Смазки, рекомендуемые для предупреждения образования пороков на поверхности слитков

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. «МАШИНОСТРОЕНИЕ», М., 1990.
2. Гальченко В.В. Смазка пресс-форм. «Литейное производство», 1952, № 8.
3. Thornton D.A. An investigation on the functions of ingot molds dressings. Journal of the Jron and Steel nstifute, vol. 183, p.3, pp. 300-315, july 1956.
4. Thontas M. Centre de Dokumentation Siderurgie (Circulaire d’information Techniques), 1953, vol. 9, p.p. 1421-1429.

Автор: Канд.техн.наук, почетный литейщик Украины Белобров Е.А

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

«Литьё Украины», 2020, № 6, с.18-25