PL170722B1 - Sposób i urzadzenie do ciaglego odlewania stali PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób ciaglego odlewania stali, obejmujacy odlewanie cieklej stali nieprzer- wanym strumieniem z kadzi do krystalizatora i odksztalcenie cieklego rdzenia ciaglego wlewka, znamienny tym, ze odksztalca sie ciagly wlewek zmniejszajac jego przekrój poprzeczny i zachowujac staly obwód jego przekroju, przy czym odksztalcenia dokonuje sie pomiedzy najnizszym punktem (S) na osi odlewania (X-X), w którym wystepuje jeszcze ciekla stal i koncowym punktem (L) metalurgicznej dlugosci (1 m) na osi odlewa- nia (X-X), w którym stal jest calkowicie skrzepnieta, a zwlaszcza na odcinku osi odle- wania (X-X) pomiedzy punktami, w których udzial stalych ziaren w cieklym rdzeniu (M) wynosi 10% i 80%. F i g . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do ciągłego odlewania stali.

Znane jest ciągłe odlewanie, powszechnie stosowane w produkcji stali i górujące oczywistymi zaletami nad innymi sposobami odlewania. Jednak otrzymany w ten sposób ciągły wlewek, jaki pojawia się na końcu łukowego ciągu odlewniczego, wykazuje cechy zwykłego wlewka wraz ze wszystkimi typowymi wadami dla takich półproduktów. Analiza metalograficzna wykazuje, ze wielkość ziaren i izotropia strukturalna są niekorzystne, a rozkład węgla

170 722 nie jest jednorodny. Węgiel w głównej mierze skupiony jest w środkowej strefie wlewka i w konsekwencji powstaje grafit pierwotny(segregacja), przez co wyrób wytworzony w ciągłym odlewaniu nie nadaje się do bezpośredniego wal alcowarna, gdy zamierzone jest uzyskanie wyrobów nnamycn o dobrej jakości.

W procesie ciągłego odlewania z ciągłego wlewka wytwarza się kwadratowe kęsiska, które po przejściu przez piec są podawane na walcarkę wstępną, na której przekształca się w kwadratowe kęsiska w kęsiska o mniejszym przekroju, które z kolei po ewentualnym podgrzewaniu w następnym piecu, sąpodawane na walcarkę końcową. W przypadku stali o szczególnych właściwościach odlew zwykle wytwarza się w postaci oddzielnego wlewka, a nie w postaci ciągłej, i każdy wlewek chłodzi się w zadanym cyklu. W związku z tym wlewki przenosi się na walcarkę zmniejszającą przekrój, a następnie walcuje się je stopniowo w kolejnych operacjach do uzyskania końcowego produktu. Pomiędzy kolejnymi operacjami stosuje się zwykle pośrednie ogrzewanie w piecu, co sprawia, że cykl wytwarzania jest długi i kosztowny.

Sposób ciągłego odlewania stali, obejmujący odlewanie ciekłej stali nieprzerwanym strumieniem z kadzi do krystalizatora i odkształcenie ciekłego rdzenia ciągłego wlewka, według wynalazku charakteryzuje się tym, ze odkształca się ciągły wlewek zmniejszając jego przekrój poprzeczny i zachowując stały obwód jego przekroju, przy czym odkształcenia dokonuje się pomiędzy najniższym punktem na osi odlewania, w którym występuje jeszcze ciekła staT i końcowym punktem metalurgicznej długości, na osi odlewania, w którym stal jest całkowicie skrzepnięta, a zwłaszcza na odcinku osi odlewania pomiędzy punktami, w których udział stałych ziaren w ciekłym rdzeniu wlewka wynosi 10% i 80%.

Korzystnie odkształca się okrągły ciągły wlewek do postaci kwadratowego lub prostokątnego kęsiska.

Korzystnie odkształca się kwadratowy ciągły wlewek do postaci prostokątnego kęsiska.

Korzystnie odkształca się prostokątny ciągły wlewek do postaci prostokątnego kęsiska, którego stosunek różnych boków jest większy od 1.

Urządzenie do ciągłego odlewania stali, zawierające kadź, rolki wprowadzające i umieszczone za nimi segmenty zewnętrzne i wewnętrzne rolek usytuowane po przeciwległych stronach łukowego krystalizatora wzdłuż osi odlewania, przy czym co najmniej jeden z wewnętrznych segmentów jest zamontowany ruchomo w kierunku zewnętrznych segmentów i jest połączony z mechanizmem napędowym wymuszającym jego ruch, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ruchomy pierwszy wewnętrzny segment jest umieszczony pomiędzy najniższym punktem na osi odlewania krystalizatora, w którym występuje jeszcze ciekła stal, i końcowym punktem metalurgicznej długości, w którym stal jest całkowicie skrzepnięta, przy czym pierwszy wewnętrzny segment jest zamocowany w jego najwyższym końcu w przegubie, a jego dolny koniec jest połączony z hydraulicznym siłownikiem, stanowiącym mechanizm napędowy, zaś prostopadle do rolek segmentów zewnętrznych i wewnętrznych są umieszczone po obu stronach krystalizatora segmenty rolek, przy czym segmenty rolek usytuowane prostopadle do pierwszego wewnętrznego segmentu są zamontowane ruchomo i są połączone z mechanizmami napędowymi wymuszającymi ich ruch w kierunku osi odlewania prostopadłym do ruchu ruchomego pierwszego wewnętrznego segmentu.

Korzystnie rolki wszystkich segmentów zewnętrznych i wewnętrznych usytuowanych poniżej ruchomego pierwszego wewnętrznego segmentu są zaopatrzone w siłowniki wywierające napór w kierunku do osi odlewania.

Korzystnie bezpośrednio za segmentami zewnętrznymi i wewnętrznymi łukowego krystalizatorajest umieszczony samotok walcowniczy, który zawiera piec, korzystnie indukcyjny do podwyższania temperatury walcowego wyrobu.

Rozwiązanie według wynalazku eliminuje niedogodności znanych procesów i umożliwia bezpośrednie wytwarzanie w drodze odlewania ciągłego wlewków, które mogą być podawane bez żadnych dodatkowych zabiegów do walcowania końcowego.

Struktura wewnętrzna uzyskanego odlewanego wyrobu odznacza się drobnoziarnistością jednorodnością oraz izotropowością, przy całkowitym braku grafitu pierwotnego (segregacji),

170 722 który występuje zwykle w wyrobie przygotowanym do walcowania końcowego, co pozwala pominąć walcowanie wstępne i kalibrujące wraz z międzyoperacyjnym ogrzewaniem, i daje duze oszczędności energii.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w sposób uproszczony ciągły wlewek odlewany do łukowego krystalizatora, uzyskując podstawowe parametry procesu według wynalazku, fig. 2 - schemat urządzenia do odlewania ciągłego, dostosowane do realizacji procesu według wynalazku, i fig. 3 - urządzenie według fig. 2 w przekroju III-III.

Przedstawiony schematycznie na fig. 1 ciągły wlewek jest wytwarzany ze stali w procesie odlewania ciągłego.

Ciekły metal w kadzi ma powierzchnię swobodną 1₀. Na osi odlewania występuje punkt S w którym wciąż możliwe jest jeszcze występowanie przegrzanego ciekłego metalu. To znaczy poniżej punktu S temperatury osiąga wartość likwidusu typową dla danej stali. Powyżej linii s, i s₂ wartość temperatury jest wyższa i ciecz w tej strefie jest przegrzana oraz nie zawiera zakrzepniętych ziaren.

Położenie punktu S jest określone dla każdego urządzenia odlewniczego w zależności od różnicy temperatury występującej w kadzi ponad temperaturę likwidusu i w zależności od rodzaju stali, i może być wyrażone czasem (t) odpowiadającym pewnej prędkości odlewania. Na podstawie określonego czasu (t) możliwa jest ekstrapolacja położenia punktu S w zależności od różnych możliwych prędkości odlewania.

Zwykle zakłada się, że punkt S leży poniżej krawędzi, dokładnie na wysokości pierwszych rolek zespołu walcarek, powszechnie określanych jako “segment zero” stanowiącej sekcję wprowadzającą. Punkt L oznacza miejsce, w którym wlewek jest całkowicie skrzepnięty, a odległość pomiędzy tym punktem i punktem S stanowi tak zwaną długością metalurgiczną 1_m.

Należy przypuszczać, że ciecz występująca poniżej obu linii s, i s₂ i zawarta pomiędzy nimi oraz wewnętrznymi ściankami skrzepniętej części P wlewka zawiera stałe ziarna, których ilość względem masy ciekłej stali wzrasta w kierunku niższej strefy, aż do pełnego skrzepnięcia w punkcie L. W tym półpłynnym rdzeniu M wlewka występuje równowaga pomiędzy fazą. ciekłą i zawiesiną stałych ziaren. Na osi odlewania X-X ilość stałych ziaren w rdzeniu M jest równą zeru w punkcie S i stanowi 100% masy rdzenia M w punkcie L, przy czym zmiana ich udziału wzdłuż długości metalurgicznej 1_mjest liniowa.

Szybkość przemieszczania skrzepniętej części P wlewka jest jednakową. w każdym punkcie, natomiast szybkość przemieszczania masy półpłynnego rdzenia M jest dobierana tak, aby zasilać proces krzepnięcia uniemożliwiając tworzenie się pustych stref przed punktami L, co mogłoby spowodować wystąpienie pęknięć w gotowym wyrobie. Ponadto należy zaznaczyć, że długość metalurgiczna lmjest dobierana tak, że punkt L poprzedza położenie urządzenia wyciągającego 20, znajdującego się na końcu łukowego krystalizatora ciągu odlewniczego (patrz fig. 2).

Według wynalazku ścianki skrzepniętej części P wlewka z półpłynnym rdzeniem M, to jest przed punktem L, ściska się a tym samym zmniejsza się objętość wyrobu poprzez odkształceniejego przekroju poprzecznego. Dzięki temu uzyskuje się wlewek posiadający lepszą jednorodność struktury i równomiernie rozłożony węgiel.

Mechanizm umożliwiający takątransformację nie jest całkowicie znany, lecz przypuszcza się, ze poprzez zbliżenie ścianek skrzpniętej części P względem siebie, w półpłynnej masie rdzenia M zawierającej skrzepnięte ziarna, występuje przyśpieszenie powodujące rozdrobnienie dendrytytów, które powstają wewnątrz tej półpłynnej stali. Rozdrobnione w ten sposób ziarna przybierają przypadkową orientację, co zapewnia izotropowość struktury i jej jednorodność, przy jednoczesnym uniknięciu segregacji węgla to znaczy wzrostu jego ilości w kierunku zewnętrznej części wyrobu.

Dla uzyskania takich wyników istotnym warunkiem jest odkształcenie półpłynnego rdzenia M pomiędzy punktami S i L zmniejszające objętość ciągłego wlewka przy niezmienionej jego długości i przy zachowaniu stałej bocznej powierzchni. W takim przypadku nie występuje ani rozciąganie ani walcowanie w ścisłym tego znaczeniu, powodujące pełzanie stałego materiału

170 722 do momentu występowania półpłynnej masy w rdzeniu M wewnątrz wyrobu, mianowicie na całej długości metalurgicznej 1_m.

Przy utrzymywaniu stałej długości wlewka zmniejsza się pole przekroju poprzecznego a obwód utrzymuje się w przybliżeniu stały'.

Według wynalazku stosuje się następujące odkształcenia: z wlewka okrągłego na kęsisko kwadratowe lub kęsisko prostokątne, z wlewka kwadratowego na kęsisko prostokątne, lub z wlewka prostokątnego na kęsisko bardziej płaskie o większym stosunku długości jego boków.

Z teoretycznego punktu widzenia możliwe jest odkształcenie obejmujące nawet zmianę wielokątnego przekroju wlewka o “n” bokach na przekrój mający na końcu długości metalurgicznej 1_m “n-1 boków, nawet jeśli takie wykonanie ma niewielkie szanse wdrożenia praktycznego.

Należy podkreślić, ze jeśli odkształcenie występuje bez utrzymania stałej powierzchni bocznej wlewka i długości rdzenia M objętość wlewka może wzrastać lub co najwyżej pozostać na tym samym poziomie. W związku z tym, nie są uzyskiwane pożądane wyżej przedstawione właściwości, umożliwiające przekazanie wyrobu bezpośrednio do walcowania końcowego, bez żadnych operacji pośrednich, jak uzyskano to poprzednio, wraz ze wszystkimi pożądanymi cechami dla półwyrobu.

Jak wspomniano, odkształcenie według obecnego wynalazku stosuje się na odcinku długości metalurgicznej 1_m rdzenia wlewka, poczynając od punktu S. Korzystnie odkształca się wlewek w obrębie ograniczonej strefy, która jest określona pomiędzy punktami odpowiadającymi udziałowi stałych ziaren w masie rdzenia M wynoszącemu 10 i 80%. Udział stałych ziaren może być łatwo określony przy uwzględnieniu, że x_s=0, a x₁=100%>. Tak więc jeśli 1 jest odległościąpunktu S od powierzchni ciekłego metalu 1₀, udział XjW dowolnym punkcie odległym o 1 od powierzchni 1₀ wyniesie:

Mechaniczne odkształcenie poprzez oddziaływanie na ścianki zakrzepłej części P wlewka, ze zmniejszeniem objętości nie może być prowadzone zbyt wysoko w strefie odlewania, gdzie udział stałych ziaren x jest najmniejszy, ponieważ ziarna te nie mogą oddziaływać na siebie z powodu ich dyspersji w płynnej masie rdzenia M.

Natomiast odkształcenie w strefie najniższej może być nawet szkodliwe, jeśli wystąpi w okolicy punktu L, gdzie ścianki zakrzepłej części P wlewka sąjuż i tak zbliżone do siebie i może łatwo nastąpić wytworzenie zgrzein, a w konsekwencji kieszeni zawierających ciekły metal, w których podczas krzepnięcia i zmniejszania objętości metalu mogąpowstawać niekorzystnejamy usodowe.

Figura 2 przedstawia schematycznie urządzenie do ciągłego odlewania stali według wynalazku. Urządzenie zawiera rolki wprowadzające 11 umieszczone za kadzią 10 z ciekłym metalem 1. Za rolkami wprowadzającymi 11 jest umieszczony łukowy krystalizator 13 utworzony przez pary segmentów, z których zaznaczono na fig. 2 trzy pary, 12, 14; 12', 14'; 122, 142”, ułożonych na przeciwko rolek walcowniczych 12a, 14a. Pierwsza para segmentów 12, 14 jest umieszczona bezpośrednio za rolkami wprowadzającymi 11, stanowiącymi parę segmentów zerowych. Rolki wprowadzające 11, w pewnych przypadkach wystarczają do odkształcenia wlewka zmniejszającego jego objętość według wynalazku.

Segmenty zewnętrzne 12, 12', 122 są ułożone wzdłuż większego łuku krystalizatora 13 i mają większy promień wygięcia zaś segmenty wewnętrzne 14, 14', 142 są ułożone wzdłuż jego mniejszego łuku i mają mniejszy promień wygięcia.

Według wynalazku pierwszy wewnętrzny segment 14 jest zamontowany ruchomo względem ruchomego pierwszego zewnętrznego segmentu 12 i jest uruchamiany za pomocą znanych mechanizmów napędowych 16, korzystnie siłownika hydraulicznego.

Jak pokazano na fig. 2 pierwszy zewnętrzny segment 14 zawierający rolki 14a, jest zamocowany w przegubie 15 usytuowanym w jednym końcu, korzystnie w końcu wyższym, a

170 722 mechanizm napędowy 16 jest dołączony w końcu przeciwnym pierwszego wewnętrznego segmentu 14 i popycha go w kierunku nieruchomego pierwszego zewnętrznego segmentu 12. Może być zastosowane dowolne inne rozwiązanie znane w tej dziedzinie; możliwe jest na przykład zastosowanie zewnętrznego segmentu ślizgającego się na płozie, oraz użycie co najmniej jednego siłownika hydraulicznego pchającego wzdłuż płozy. W każdym z przypadków urządzenia tego rodzaju może być zastosowane wtedy, gdy wlewk kwadratowy należy przekształcić w kęsisko prostokątne, lub gdy wlewek prostokątny należy przekształcić w kęsisko bardziej spłaszczone.

Natomiast przy odkształceniu wlewka o przekroju okrągłym na kwadratowe lub prostokątne kęsisko nie wystarczy oddziaływanie na wlewek w jednej płaszczyźnie jak pokazano na fig. 2, lecz wymaganejest dodatkowe oddziaływanie w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny przechodzącej przez oś odlewania X-X krystalizatora 13, jak przedstawiono to na przekroju fig. 3. W tym wypadku dodatkowo odkształca się okrągły wlewek za pomocąpary segmentów rolek 22a, 24a ułożonych w diametralnie przeciwnych położeniach względem obwodu okrągłego wlewka. W tym przypadku, okrągły wlewekjest odkształcany przez rolki 12a i 14a przeciwległych pierwszych segmentów zewnętrznego 12 i wewnętrznego 14 rolki 22a, 24a usytuowane prostopadle do rolek 12a i 14a.

W korzystnym wykonaniu rolki segmentów 12', 14', 122, 142 ułożonych poniżej pierwszych segmentów 12, 14 dokonujących odkształcenie, są zaopatrzone w siłowniki wywierające nacisk w kierunku do wewnątrz wlewku, już nie w celach odkształcenia, lecz przeciwdziałające ferostatycznemu naciskowi i możliwemu spęcznieniu, które może wystąpić pomiędzy zetknięciem z kolejnymi rolkami, co sprzyja zachowaniu wymiaru wlewku uzyskanego w poprzedniej fazie odkształcenia.

Przykład. Z wlewnicy do odlewania ciągłego, o przekrój u okrągłym odlano z prędkością V=2m/min ciągły wlewek o średnicy 130 mm. W strefie wlewka ograniczonej udziałami w nim stałych ziam wynoszących 28% i 76% zawartej w długości metalurgicznej 1_m równej w przypadku 8m, odkształcono wlewek do wytworzenia kęsiska kwadratowego o boku 100 mm.

Następny ciągły wlewek odlano z prędkością V=3m/min i przekształcono w inne kęsisko podobnej wielkości. Odkształcono wlewek w strefie ograniczonej punktami, w których udziały stałych ziaren wynoszą 14%o i 46%, w obrębie długości metalurgicznej 1_n, wynoszącej 12 m.

W obu przypadkach pobrano próbki z odlanych wyrobów po zakończeniujego krzepnięcia i wykonano analizy makrograflczne.

Uzyskano wyroby mające strukturę drobnoziarnistą, bez obecności dendrytów. Struktura była izotropowa, bez głównej orientacji ziaren. Nie występowały skupiska grafitu pierwotnego i była zachowana jednorodność w zakresie składu chemicznego we wszystkich kierunkach na przekroju poprzecznym. Ponadto wyroby odznaczały się izotropowością właściwości mechanicznych (wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie przy zerwaniu, udarowość). Wyroby miały lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z wyrobami poddawanymi tradycyjnemu odlewaniu, co oznacza uzyskanie wyrobów o tych samych własnościach końcowych, przy skróceniu operacji walcowania.

Wytworzone wyroby mogłyby być bezpośrednio podawane do walcarki, przy zastosowaniu międzyoperacyjnego pieca podgrzewającego, na przykład indukcyjnego, dla uzyskania temperatury dostosowanej do parametrów walcowania.

Dla specjalistów oczywiste będzie wprowadzenie dodatkowych zmian i uzupełnień tego procesu opisanego powyżej, jak również wprowadzenie zmian przedstawionego na rysunkach urządzenia do wykonywania tego procesu, bez odstępstwa od zakresu obecnego wynalazku.

170 722

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób ciągłego odlewania stali, obejmujący odlewanie ciekłej stali nieprzerwanym strumieniem z kadzi do krystalizatora i odkształcenie ciekłego rdzenia ciągłego wlewka, znamienny tym, że odkształca się ciągły wlewek zmniejszając jego przekrój poprzeczny i zachowując stały obwód jego przekroju, przy czym odkształcenia dokonuje się pomiędzy najniższym punktem (S) na osi odlewania (X-X), w którym występuje jeszcze ciekła stal i końcowym punktem (L) metalurgicznej długości (1m) na osi odlewania (X-X), w którym stal jest całkowicie skrzepnięta, a zwłaszcza na odcinku osi odlewania (X-X) pomiędzy punktami, w których udział stałych ziaren w ciekłym rdzeniu (M) wynosi 10% i 80%.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odkształca się okrągły ciągły wlewek do postaci kwadratowego lub prostokątnego kęsiska.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze odkształca się kwadratowy ciągły wlewek do postaci prostokątnego kęsiska.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odkształca się prostokątny ciągły wlewek do postaci prostokątnego kęsiska, którego stosunek różnych boków jest większy od 1.
5. 5. Urządzenie do ciągłego odlewania stali, zawierające kadź, rolki wprowadzające i umieszczone za nimi segmenty zewnętrzne i wewnętrzne rolek usytuowane po przeciwległych stronach łukowego krystalizatora wzdłuż osi odlewania, przy czym co najmniej jeden z wewnętrznych segmentów jest zamontowany ruchomo w kierunku zewnętrznych segmentów i jest połączony z mechanizmem napędowym wymuszającym jego ruch, znamienny tym, że ruchomy pierwszy wewnętrzny segment (14) jest umieszczony pomiędzy najniższym punktem (S) na osi odlewania (X-X) krystalizatora (13), w którym występuje jeszcze ciekła stal, i końcowym punktem (L) metalurgicznej długości (1m), w którym stal jest całkowicie skrzepnięta, przy czym pierwszy wewnętrzny segment (14) jest zamocowany wjego najwyższym końcu w przegubie (15), ajego dolny koniec jest połączony z hydraulicznym siłownikiem, stanowiącym mechanizm napędowy (16), zaś prostopadle do rolek (12a, 14a) segmentów zewnętrznych (12, 12', 122) i wewnętrznych (14, 14', 142”) są umieszczone po obu stronach krystalizatora (13) segmenty rolek (22a, 24a), przy czym segmenty rolek (22a, 24a) usytuowane prostopadle do pierwszego wewnętrznego segmentu (14) są zamontowane ruchomo i są połączone z mechanizmami napędowymi wymuszającymi ich ruch w kierunku osi odlewania (X-X) prostopadłym do ruchu ruchomego pierwszego wewnętrznego segmentu (14).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że rolki (12a, 14a) wszystkich segmentów zewnętrznych (12', 122'') i wewnętrznych (14', 142”) usytuowanych poniżej ruchomego pierwszego wewnętrznego segmentu (14) są zaopatrzone w siłowniki wywierające napór w kierunku do osi odlewania (X-X).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, ze bezpośrednio za segmentami zewnętrznymi (12,12', 122”) i wewnętrznymi (14,14', 142”) łukowego krystalizatora (13) jest umieszczony samotok walcowniczy (20), który zawiera piec, korzystnie indukcyjny do podwyższania temperatury walcowego wyrobu.