Заготовка для производства проката

Полезная модель относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении листового, сортового проката, труб и специальных профилей. Заготовка для производства проката, отлитая из черного или цветного сплава выполнена с размерами в пределах сляба или блюма или с размерами поперечного их сечения, из жидко-твердого расплава химически однородной, с равноостым первичным зерном ее материала, с кристаллизацией под давлением, обеспечивающим беспористость заготовки. Она отлита или способом выжимания с кристаллизацией под давлением, (ЛВКД), или способом выжимания расплава в форму из плавильно-раздаточной печи (ковша) через металлопровод с кристаллизацией под давлением (ЛВПКД), или способом непрерывного литья с использованием подвижного кристаллизатора при высокоскоростной вытяжке слитка (НЛПК). Заготовка для производства проката может быть отлита из высокопрочного чугуна, в т.ч. из алюминиевого чугуна с шаровидным графитом. Использование полезной модели позволяет повысить качество заготовок проката и, соответственно, самого проката, уменьшить себестоимость проката и снизить энергозатраты на его производство.

Полезная модель относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении листового и сортового проката, труб и специальных профилей.

Известна заготовка для производства проката, изготовленная или непрерывной разливкой, либо в виде слябов и блюмов, полученных на слябингах и блюмингах из предварительно отлитого слитка (В.М.Клименко, А.Н.Анищенко, А.А.Минаев, В.С.Горелик. Технология прокатного производства. Киев, головное издательство Издательского объединения «Выща школа», 1989, стр.4, 16, 37).

Недостатком известной заготовки для производства проката является то, что материал его химически неоднороден и дефекты, возникающие в слитках и в непрерывно литой заготовке, переходят в производимый прокат. В слитках возникает зональная и дендритная ликвация. Например, в слитках кипящей стали ликвация серы и фосфора в отдельных его участках достигает 500-700% их среднего содержания в стали. При непрерывной разливке стали зональная ликвация приобретает особый характер. Жидкий расплав, обогащенный углеродом, серой, фосфором и другими примесями, оттесняется фронтом растущих столпчатых зерен в узкую зону вдоль оси заготовки. В этой зоне под действием гидростатического давления расплава происходят значительные перемещения обогащенного примесями расплава. Усадочные поры и трещины заполняются ликватами, вдоль оси заготовки располагаются участки с положительной и отрицательной ликвацией. Чаще всего наблюдается два вида осевой ликвации: V-образная и шнуровая. Деформирование заготовки в поддерживающей системе машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) сопровождаются увеличением сечения заготовки (раздутием). При раздутии усиливается перемешивание расплава внутри заготовки и осевая ликвация. В непрерывнолитых заготовках из кипящей стали развивается газовая ликвация. Она заключается в заполнении сотовых пузырей изнутри ликватами, которые туда проникают

под действием гидростатического давления. Ликваты пузырей поступают с перерывами, поэтому их химический состав неодинаков.

Зональная ликвация слитков при прокатке не устраняется, в прокатной стали наблюдается ликвация следующих видов: ликвационный квадрат (круг) - зона ликвации, контур которой повторяет форму поперечного сечения слитка, точечная и пятнистая ликвация, подусадочная ликвация. Как правило в ликвационных зонах повышено содержание оксидов, сульфидов и нитридов.

Многие дефекты слитков не устраняются при обработке давлением и наследуются прокатанной или кованой сталью. По расположению в металле дефекты разделяются на внутренние и поверхностные. Причинами образования внутренних дефектов являются усадка металла, ликвация, окислительно-восстанвительная реакция жидкой стали, насыщенность стали газами. Поверхностные дефекты появляются из-за окисления и загрязнений, выделения газов в поверхностных слоях кристаллизующегося слитка, механических воздействий и повреждений.

Основными видами поверхностных дефектов слитка являются подкорковые пузыри, завороты корки, загрязнения, трещины. Если слитки поступают на передел в холодном состоянии, то часть поверхностных дефектов устраняется при зачистке, передел горячих слитков увеличивает число дефектов поверхности, т.к. лишь небольшая часть дефектов слитка уничтожается при образовании окалины. При горячем деформировании завариваются пустоты и поры с неокисленной поверхностью: газовые пузыри в слитках кипящей стали, осевая пористость и рыхлость в слитках спокойной стали, небольшие внутренние трещины. Горячие трещины с неокисленной поверхностью, а также окисленные усадочные раковины и пустоты не завариваются и из них в прокатанной стали появляются разрывы и несплошности. Разнообразные поверхностные дефекты прокатанной стали появляются в связи с дефектами слитка, процессами его деформирования и отделочными операциями. Наиболее характерными дефектами являются:

продольные трещины из-за незаварившихся подкорковых пузырей, расположенные у поверхности проката на глубине до 10 мм; раскатанные отслоения (плены) языкообразной формы; волосовины - цепочки близкорасположенных частиц включений вдоль направления прокатки.

Волосовины в большей степени свойственны легированным конструкционным сталям.

Распространенными дефектами заготовок являются внутренние и поверхностные трещины. Причины появления кристаллизационных трещин - механические напряжения и пониженная прочность металла в определенных интервалах температуры. Низкую прочность имеет сталь со структурой, при которой междендритные пространства заполнены расплавом. Разрыв жидких участков создает горячие трещины между осями дендритов. Под действием гидростатического давления расплава эти трещины заполняют частично или полностью ликватом, обогащенным примесями. Таким образом возникает ликвация. Внутренние трещины при прокатке заготовок завариваются, ликвация сохраняется и проявляется в форме пятен и полос. Кристаллизационные трещины возникают при искажении формы поперечного сечения заготовки, например, образования ромба вместо квадрата.

Все виды поверхностных трещин служат причиной образования плен и полос химической неоднородности в прокатанных заготовках. Плены появляются уже при раскатке подкорковых пузырей в прокатанных заготовках из сталей любых марок.

Осевая пористость при прокатке полностью заваривается, а осевая ликвация преобразуется в ликвационные полосы. Наиболее крупные и протяженные полосы приводят к расслоению листов, труб и др. изделий. Ликвационные полосы имеют различную микроструктуру и свойства: ликвация фосфора (и мышьяка) способствует образованию ферритных полос с включениями сульфидов, ликвация углерода - образованию полос со структурой перлита; совместная ликвация углерода и легирующих элементов

- образованию ферритных полос (Энциклопедия в сорока томах, раздел II, Материалы машиностроения, т.II-2, стали - чугуны. Отв. ред. Е.Т.Долбенко, М., «Машиностроение 2001», стр.11-15). Аналогичные дефекты имеются и в заготовках из цветных сплавов, и в полученном из них прокате.

При необходимости повышения качества металла применяются рафинирующие переплавы слитков, значительно удорожающие прокат.

При изготовлении слитков, например, из стали, необходимо использовать чугунные изложницы, стойкость в которых невысока, всего до 30 наливов. Полученные слитки перерабатываются в слябы и блюмы с использованием металлоемких слябингов и блюмингов. При этом 10-25% металла теряется в обрезь. Слитки, слябы и блюмы перед деформацией дополнительно нагреваются. Производственная схема изготовления проката, например, из стального слитка, сложна и связана с большими трудо- и энергозатратами. Она включает: доменное производство чугуна; кислородно-конверторное производство стали; изготовление стальных слитков литьем в чугунные изложницы; производство слябов и блюмов на слябингах и блюмингах; Производство проката (сортового, листового и др.).

Целью данной полезной модели является устранение отмеченных недостатков, а именно:

- улучшение качества проката,

- снижение его себестоимости,

- сокращение энергозатрат на нагрев.

Поставленная цель достигается тем, что заготовка для производства проката, выполненная из черных сплавов, отлита с размерами в пределах сляба или блюма из жидко-твердого расплава химически однородной, с равноосным первичным зерном ее материала. Жидко-твердое состояние расплава достигается следующими путями: охлаждением расплава в печи ниже линии ликвидус до температурного интервала кристаллизации или введением в расплав микрохолодильников, или введением в расплав нано частиц тугоплавких соединений, или использованием всех перечисленных способов.

Для получения заготовки с указанными характеристиками используется постоянные и разовые литейный формулы, а способ изготовления - преимущественно вытеснением (выжиманием) расплава в форму из плавильно-раздаточной печи (ковша) через металлопровод с кристаллизацией под давлением (ЛВПКД, заявка России №2006128002/02822018/02 «Способ изготовления отливок», заявл. 1.08.2006 г.Положительное решение ФИПС от 24.04.2007 г. о выдаче патента [1]; патент России №63270B22D 18/00 «Устройство для получения отливок с кристаллизацией под давлением, опубл. 27.05.2007 г.Бюл. №15 [2]»).

Давление (особенно при изготовлении заготовок из раскисленной, спокойной стали или из чугунов) способствует уменьшению размера критического зародыша, увеличению числа центров кристаллизации и устранению микропор.

Материал предлагаемой заготовки для производства проката химически однороден с мелким равноостным первичным зерном, что достигается изготовлением ее из жидко-твердого сплава с готовыми центрами кристаллизации, а затвердевание расплава под давлением обеспечивает ее беспористость. Это позволяет устранить дендритную структуру литой заготовки, измельчить зерно за счет готовых центров кристаллизации в залитом в форму расплаве металла, улучшить химическую однородность металла заготовки, устранить дендритную и зональную ликвацию и, соответственно, все дефекты заготовок, присущие получению их из перегретого расплава над линией ликвидус с кристаллизацией под атмосферным давлением. Предлагаемая заготовка, по сравнению с известной, отличается улучшенным качеством:

- устранена дендритная структура;

- имеется равноосное зерно за счет готовых центров кристаллизации;

Если заготовка для получения проката не имеет дефектов, то и получаемый из нее прокат также не будет их иметь.

Предлагаемая заготовка затвердевает преимущественно объемно и критерием ее затвердевания является

t_kp/t1, где

t_kp - величина интервала температур кристаллизации,

t - величина перепада температур в сечении отливки.

При объемном затвердевании перепад температур в сечении литой заготовки незначителен. В результате по всему объему отливки, сразу после заполнения формы, уже имеются готовые центры кристаллизации, что обеспечивает равномерное мелкое первичное зерно, химическую однородность литого металла. Прокат, полученный из предлагаемой заготовки, не имеет дефектов, присущих известной заготовке. Затвердевание заготовки под давлением обеспечивает устранение микропористости - подавляется выделение газа, образующих микропоры, и устраняется усадочная пористость. При этом количество жидкости, профильтровавшейся через зону двухфазового состояния определяется по закону Дарси

Q=k(F/L) _р,

где k - коэффициент проницаемости полузатвердевшего каркаса сплава,

F - площадь поперечного сечения отливки,

L - протяженность зонного двухфазного состояния сплава.

Давление, наряду с предотвращением микропористости, позволяет: уменьшить размеры критического зародыша кристаллизации и повысить число центров кристаллизации; уменьшить коэффициент диффузии примесей и снизить скорость разделительной диффузии при кристаллизации сплавов; улучшить условия пропитки твердо-жидкой зоны и, следовательно, уплотнить структуру; снизить температуру начала литейной усадки и уменьшить усадку в эффективном интервале кристаллизации; уменьшить литейную усадку, измельчить зерно, что приводит к увеличению запаса пластичности в твердо-жидком состоянии, и тем самым снизить склонность к трещинообразованию. При использовании предлагаемой заготовки для производства проката отпадает необходимость использования в

производственном цикле металлоемких слябингов и блюмингов, устраняются энергозатраты на нагрев слитков, слябов и блюмов, т.к. предлагаемая заготовка извлекается из литейной формы для последующей прокатки при необходимой (заданной) температуре. Отпадают операции изготовления слитков и изложниц для их изготовления. Производственная схема упрощается. Она включает: доменное производство чугуна; кислородно-конверторторное производство стали; изготовление стальных литых заготовок типа «сляб» или «блюм» из жидко-твердого расплава с кристаллизацией под давлением; изготовление проката (сортового, листового и др.).

Отход металла в обрезь сокращается до 5% вместо 25% при изготовлении существующих заготовок.

Заготовки отливаются с использованием как постоянных форм (например графитовых блоков), так и разовых (например из ХТС). Пригар в литых заготовках предотвращается низкими температурами заливки и газовым противодавлением.

Заготовки из жидко-твердого расплава с кристаллизацией под давлением можно получать также и непрерывным литьем в подвижный кристаллизатор с ускоренной вытяжкой заготовки.

При изготовлении заготовок непрерывным литьем расплав поступает в кристаллизатор в жидко-твердом состоянии из промежуточного ковша. Используется подвижный кристаллизатор, обеспечивающий высокие скорости вытяжки заготовки (2 м/сек и более). При этом высота жидкой сердцевины составляет около 4 метров и давление в нижней ее части определяется, как Р=Н, где - удельный вес материала, в г/см³ ,

Н - высота жидкого столба металла, в см.

Для стали Н=400 см, =7,6 г/см³, при этом Р=0,3 МПа. Под таким давлением заготовка (слиток) затвердевает при непрерывном литье.

Следующее отличие предлагаемой заготовки заключается в том, что она выполнена из высокопрочного чугуна. Металл предлагаемой заготовки имеет

повышенную пластичность. Использование в качестве материала чугуна ВЧ35 (предел прочности _в при прокате>350 МПа, >22; механические свойства при прокатке возрастают: прочность не менее 10%, а пластичность в 2 и более раз) можно получить прокат со свойствами аналогичными свойствам стального листового проката. Схема производства проката при использовании высокопрочного чугуна еще более упрощается: доменное производство чугуна; изготовление литых заготовок типа «сляб» или «блюм» из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; изготовление проката (сортового, листового и др.).

В этом случае из производственного цикла исключается кислородно-конверторный процесс стали, уменьшается загрязнение окружающей среды и улучшается экология, снижается себестоимость проката, уменьшаются энергозатраты. Пористость заготовок из чугуна полученного под давлением уменьшается в 3 раза, пластические свойства возрастают в 2 раза, а прочность - на 10%.

Например, железнодорожные рельсы, изготовленные из бейнитного высокопрочного чугуна марки ADI-3 (стандарт DIS) будут иметь _в=1200МПа и =4%, а если используется бейнитный чугун марки К-1203 (стандарт фермы «Мехенайт Метал Корп.»), то _в=1200-1500МПа при =3-5%, что полностью соответствуют требованиям, предъявляемым к стальным рельсам Р75, Р60, Р50, при лучших показателях по ударной вязкости, особенно при минусовых температурах.

Следующее отличие предлагаемой заготовки заключается в том, что она отлита из алюминиевого чугуна с шаровидным графитом. Например, со следующим хим. составом: С=3,2-3,7%, Si=2,3-2,7%, Al=1,4-1,5%. Предел прочности этого чугуна _в=1100 МПа, =5% (Машиностроение. Энциклопедия в 40 томах. Раздел П. Материалы в машиностроении. т.II-2. Стали. Чугуны. отв. ред. Е.Т.Долбенко. М., Машиностроение, 2001, стр.646). Указанные механические свойства имеет чугун, полученный из перегретого расплава с кристаллизацией под атмосферным давлением, а согласно данных,

приведенных на стр.542 вышеуказанного источника, механические свойства при уменьшении пористости возрастают: предел прочности на 10%, а удлинение - в 2 раза, значит, заготовка будет иметь _в=1200 МПа, =10%. Такие же свойства будет иметь выполненный из такой заготовки прокат, что полностью отвечает требованиям, предъявляемым к стальным рельсам.

На фиг.1 изображена предлагаемая заготовка проката типа блюм с размерами 250×300×4000 мм. Заготовка состоит из тонкого мелкозернистого слоя 1 и, в основном, из равноосных зерен 2, более мелких, чем в обычном слитке, остатка стержня 3, через который передается газовое давление при затвердевании литой заготовки в форме, газоусадочная раковина 4. Штриховая линия указывает место отрезки прибыли.

Заготовка проката отлита из стали 45Л вытеснением жидко-твердого расплава из плавильно-раздаточной печи (ковша) по режимам способа ЛВПКД [1], из охлажденного в печи расплава ниже линии ликвидус. При температуре стали, поступающей в форму 1480°С (температура ликвидус этой стали 1490°С, температура солидус 1415°С) сталь вытесняется в форму. За счет заливки в форму жидко-твердой фазы измельчается зерно заготовки (при наличии готовых центров кристаллизации в жидко твердом расплаве), устраняется дендритная структура, т.к. устраняются условия роста дендритов, при этом заготовка становится химически однородной. Кристаллизация расплава в форме под давлением 0,4-0,6 МПА (согласно способу ЛВПКД) обеспечивает устранение в литой заготовке микропористости.

Поскольку в предлагаемой заготовке отсутствуют дефекты, присущие известным, изготавливаемый из нее прокат также лишен этих недостатков.

Если заготовка выполнена из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ60 (80% перлита), то полученные из нее железнодорожные рельсы (при обработке на бейнит) будут иметь _в1250 МПа, ₀₂980 МПа, 4,2%, что полностью соответствует требованиям по механическим свойствам металла, предъявляемым к стальным рельсам.

Использование полезной модели позволяет повысить качество заготовок проката и, соответственно, самого проката, уменьшить себестоимость проката и снизить энергозатраты на его производство.

1. Заготовка для производства проката, выполненная из черных сплавов, отличающаяся тем, что она отлита с размерами в пределах сляба или блюма из жидко-твердого расплава химически однородной с равноосным первичным зерном ее материала.

2. Заготовка для производства проката по п.1, отличающаяся тем, что она отлита преимущественно вытеснением (выжиманием) расплава в форму из плавильно-раздаточной печи (ковша) через металлопровод с кристаллизацией под давлением (ЛВПКД).

3. Заготовка для производства проката по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она отлита из высокопрочного чугуна.

4. Заготовка для производства проката, по п.1 или 2 отличающаяся тем, что она отлита из алюминиевого чугуна с шаровидным графитом.