УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕДКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ МЕТАЛЛА ДЛЯ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭТОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 1996 года по МПК B22D11/10 B22D11/16 

Изобретение относится к технологическим способам и устройствам для непрерывной разливки расплавленных металлов и может быть использовано в литейном производстве, в металлургии.

Известен ротационный прибор для измерения вязкой жидкости, содержащий электродвигатель, измерительный прибор, преобразователь сигналов, вычислительный блок и регистрирующее устройство. Суть реализуемого способа измерения вязкости состоит в измерении момента сопротивления вращению ротора в зависимости от величины вязкости. С помощью других элементов, содержащихся в измерительной цепочке прибора, сигнал вращающего момента улавливается, преобразуется и подается на регистрирующее устройство.

Известен способ слежения за изменением нагрузки на валу шнекового экструдера для предотвращения поломок от попадания посторонних предметов в рабочий объем мешалки резиновых смесей. Устройство содержит шнековую мешалку, привод с измерителем крутящего момента на валу шнека, тахогенератор, датчики давления в цилиндре, вычислительное устройство. Способ заключается в измерении параметра, пропорционального вязкости смеси в цилиндре, скорости вращения шнека, вращающего момента на валу шнека, непрерывного сравнения текущих параметров с контрольными параметрами в памяти вычислительного устройства.

Известен способ непрерывной разливки, в котором перегретый металл через погружной стакан разливают в водоохлаждаемую гильзу [1] При этом часть расплава образует твердую корку на стенке гильзы. Последующий рост кристаллов в объеме расплава предотвращают за счет образования перемешивающего потока. Охлажденный расплав металла, содержащий зародыши кристаллов, разливают в кристаллизатор. Способ позволяет получать непрерывную литую заготовку с мелкозернистой структурой. Устройство, реализующее этот способ, содержит охлаждающий цилиндр, водяную рубашку с трубами водоснабжения, электрообогреваемый поддон, разливочный ковш с погружной питающей трубой, электрообогреваемые дюзы на входе и выходе металла, литейную форму.

В предлагаемой установке, в которой средство для перемешивания выполнено в виде мешалки из двух шнеков с соосными валами по вертикальной оси установки, верхние концы валов закреплены в опорах вращения и соединены с приводами, нижняя опора вала верхнего шнека выполнена в виде газового подшипника, между ним и верхним шнеком на валу установлен муфельный нагреватель, а на верхнем конце вала нижнего шнека датчик осевого усилия, каждый из приводов шнеков снабжен электродвигателем с тахогенератором и датчиком крутящего момента, причем датчики моментов, осевого усилия и тахогенераторы соединены с устройством управления, состоящим из вычислительного устройства, в качестве теплорегуляторов использованы сменные нагреватель и холодильник, установленные на корпусе, выходы вычислительного устройства соединены с электродвигателями приводов шнеков, средствами управления нагревателем, холодильником.

В известном способе регулируют величину потоков теплоотвода от расплавленного металла в зависимости от усилия на нижней шнековой мешалке, моментов на валах шнеков и скорости вращения мешалок.

На чертеже представлена установка для предкристаллизационной подготовки металла. Центральной частью установки является предкристаллизатор, состоящий из корпуса 1, шнековых мешалок 2 и 3, теплорегулирующего устройства в двух сменных комплектах комплекта нагревателей 4 и комплекта холодильника 5. В исходном состоянии установки нижнюю горловину корпуса 1 плотно закрывает поддон 6, снабженный собственными нагревателем и холодильником. Валы верхней шнековой мешалки 2 и нижней шнековой мешалки 3 совмещены коаксиально и в верхней части подвешены в опорах 7 и 8 вращения. В качестве нижней опоры верхнего шнека использован газовый подшипник 9. Между газовым подшипником 9 и верхним шнеком 2 на валу размещен муфельный нагреватель 10. Верхние концы валов обеих мешалок соединены с приводами, включающими электродвигатели 11, тахогенераторы 12, числовые электрические датчики 13 крутящего момента. Верхний торец вала нижней мешалки 3 соединен с числовым электрическим датчиком 14 осевого усилия. Все датчики тахогенераторы, датчики моментов и осевого усилия соединены с вычислительным устройством 15. Вычислительное устройство 15 соединено с блоком 16 исполнительных механизмов и может включать и регулировать различные устройства (средства управления нагревателями, холодильниками, механизмами приводов мешалок, механизмами движения слитка). Шнеки мешалок 2 и 3 выполнены в виде двухходовых винтовых поверхностей для исключения радиальной составляющей в реакциях опор. Для подпитки предкристаллизатора жидким металлом установка снабжена питателем 17. С целью предотвращения металла от окисления регулируемый объем может быть защищен средой защитно-восстановительных газов.

Состояние предкристаллизации это такое состояние жидкого металла, когда элементы структуры жидкости начали объединяться, а теплота кристаллизации уже частично удалена. Растущие в числе атомов и в объеме элементы структуры жидкого металла увеличивают температуру своих тел и снижают подвижность в газоподобном движении, энтропия системы уменьшается. Жидкий металл представлен как псевдогаз, состоящий из довольно крупных микрокристалликов ассоциатов, находящихся в газоподобном тепловом движении, а твердые частицы, этот псевдогаз составляющие, имеют одинаковые размеры (до 1. Е-6 см) и собственные термодинамические параметры.

Режим предкристаллизации (перемешивание при Т_пл) обеспечивает оптимальные условия теплообмена между твердой фазой и псевдогазом. Так как теплоемкость псевдогаза является внешней по отношению к теплоемкости твердой фазы (теплоемкости тел ассоциатов), то теплоотвод от массы тел ассоциатов реализуется опосредованно через псевдогаз, т.е. через газовую кинетику частиц жидкости. Вследствие этих обстоятельств затвердевание из состояния предкристаллизации происходит в две одновременные стадии: непрерывно соединяются и укрупняются исходные ассоциаты в крупные кластеры (до 0,1 мкм), отдавая при этом 98-99% теплоты кристаллизации. Слиток формируется не из частиц исходной жидкости, а из крупных кластеров, которые сохраняют не более 2% тепловой кристаллизации.

Технологической основой предкристаллизационной подготовки металла является непрерывное перемешивание всего объема жидкого металла, которое выполняет ряд влажных функций: разупорядочивает потоки теплоотвода и встречные потоки растущих элементов структуры жидкого металла, предотвращая образование макроградиентов температуры и упорядоченного фронта кристаллизации; распределяет равномерно в пространстве объема более крупные элементы структуры жидкого металла; непрерывно и равномерно вовлекает новые порции перегретого жидкого металла в процесс предкристаллизации, усредняя структурный состав и распределение свободной энергии; равномерно распределяет и измельчает частицы вредных примесей, содержащихся в жидком металле, предотвращает образование характерных для литья неоднородностей структуры и состава, уменьшает содержание растворенных газов; поддерживает заданную величину динамической вязкости металла; измерением осевой силы нижнего шнека контролирует процесс заполнения формообразующего пространства.

П р и м е р. В исходном состоянии на предкристаллизаторе установлен комплект нагревателей 4, нижняя горловина корпуса 1 плотно закрыта поддоном 6. Проверяется готовность механизмов установки прогоном на холостом ходу и опробуются нагреватели 4 и холодильники 5, теплотехническое оснащение поддона 6. Все детали установки, соприкасающиеся с расплавленным металлом, предварительно нагреваются, в том числе и с помощью муфельного нагревателя, в соответствии с инструкцией, до температуры плавления металла (Т_пл меди равна 1083^оС).

Включается привод мешалок с одинаковой скоростью, например 25 об/мин. Заливаемая жидкая медь имеет перегрев 35^оС, т.е. Т 1118^оС. Струя жидкого металла из питателя направлена вдоль стенки корпуса 1 и края вращающейся мешалки. Заливка продолжается до уровня отметки или иным способом фиксированного уровня. Организуется теплоотвод от контрольного объема металла через поддон и в радиальном направлении через стенку корпуса 1. Непрерывно измеряют моменты на валах мешалок. После чего включается система автоматического управления подачей слитка.

Увеличение вязкости металла сопровождается уменьшением скорости вращения мешалок, что фиксируется тахогенератором. Изменение сигнала тахогенератора отрабатывает устройство управления и система регулирования скорости. Сигналы со всех датчиков попадают на вычислительное устройство, где происходит анализ конкретной ситуации и вырабатываются команды управления процессом. Циклы измерения и вычисления повторяются каждые 3 с, а в промежутках между моментами подачи серии команд отрабатываются предыдущие серии (пакеты) команд. Одинаковые команды выполняются до тех пор, пока не будет отработано отклонение от заданного режима.

Предлагаемый способ реализуют в среде водорода, который подают, применяя известные технические средства. В результате получен слиток, лишенный всех литейных дефектов и имеющий мелкозернистую структуру и однородный состав.

В таблице представлены вычислительные значения вязкости жидкой меди температуры тел кластеров, остаточной теплоты кристаллизации и момента на валу конкретной мешалки в зависимости от среднего размера кластера. Таблица показывает пределы минимального и максимального нагружений валов шнеков. Нижним пределом регулирования вязкости является порог чувствительности измерителя момента на валу мешалки М_мин 1,236 Н· м (16% остаточной теплоты кристаллизации). Верхний предел регулирования вязкости ограничен пределом нагружения нижнего шнека и его привода М_мах 800,5 Н· м (1,82% остаточной теплоты кристаллизации). Оптимальные режимы регулирования процесса предкристаллизации могут быть определены по степени готовности металла к формообразованию слитка: вязкость в пределах 642,7-7284 пуаз и 6,25-2,29% остаточной теплоты кристаллизации. Из таблицы видно, что процесс идет почти на грани затвердевания.

На предлагаемой установке возможно получение слитка из любого металла, даже хрупкого, температура плавления которого не превышает эксплуатационной температуры ее деталей. Процесс идет из такого исходного состояния металла, которое характеризуется высокой степенью готовности к формообразованию: низкое содержание остаточной теплоты кристаллизации, отсутствие жидкотекучести, наличие избыточного давления в зоне формообразования слитка. Равномерное распределение вредных примесей и легкоплавких компонентов ограничивает возможность появления структурных дефектов. Отсутствие жидкой фазы исключает возможность появления таких дефектов, как столбчатые кристаллы, ликвации, неравномерности структуры и состава, осевая и усадочная пористости. Благодаря перечисленным обстоятельствам предлагаемые установка и способ позволяют получать слитки сложного профиля заготовки труб, фасонного проката, обеспечивает образование бездефектных слитков без признаков наследственных дефектов и дефектов литейного происхождения.

Установка для предкристаллизационной подготовки металла для процесса непрерывного формообразования и способ управления этой установкой относится к технологическим способам и устройствам для непрерывной разливки расплавленных металлов и может быть использовано в литейном производстве, в черной металлургии и т. п. Сущность заключается в том, что в расплавленном металле, который непрерывно перемешивают и охлаждают, регулируют величину потоков теплоотвода до определенной величины, измеряют необходимые параметры процесса и подают их на вычислительное устройство, после чего с помощью сигналов управления регулируют процесс. Кроме того описанный процесс может проводиться в среде защитно-восстановительных газов. Установка содержит корпус с поддоном и средствами для перемешивания, теплорегуляторами и устройство управления. Средства для перемешивания выполнено в виде мешалок, соединенных специальным образом, валы мешалок закреплены в опорах вращения и соединены с приводами, а нижняя опора выполнена в виде газового подшипника. Кроме того установка имеет муфельный нагреватель, датчик осевого усилия, электродвигатель и тахогенератор, датчик крутящего момента, которые в свою очередь соединены с устройством управления, состоящим из вычислительного устройства, связанного с исполнительными механизмами. В качестве теплорегуляторов использованы сменные нагреватель и холодильник. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Установка для предристаллизационной подготовки металла для процесса непрерывного формообразования, содержащая корпус с поддоном, средство для перемешивания, теплорегуляторы и устройство управления, отличающаяся тем, что средство для перемешивания выполнено в виде мешалок из двух шнеков с соосными валами по вертикальной оси установки, верхние концы валов закреплены в опорах вращения и соединены с приводами, нижняя опора вала верхнего шнека выполнена в виде газового подшипника, между ним и верхним шнеком на валу установлен муфельный нагреватель, а на верхнем конце вала нижнего шнека датчик осевого усилия, каждый из приводов шнеков снабжен электродвигателем с тахогенератором и датчиком крутящего момента, причем датчики моментов, осевого усилия и тахогенераторы соединены с устройством управления, состоящим из вычислительного устройства, в качестве теплорегуляторов использованы сменные нагреватель и холодильник, установленные на корпусе, выходы вычислительного устройства соединены с электродвигателями приводов шнеков, средствами управления нагревателем, холодильником. 2. Способ управления установкой для предкристаллизационной подготовки металла для процесса формообразования, включающий подачу расплавленного металла, его вращательное перемешивание и охлаждение, отличающийся тем, что регулируют величину потоков теплоотвода от расплавленного металла в зависимости от усилия на нижней шнековой мешалке, моментов на валах шнеков и скорости вращения мешалок. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что процесс ведут в среде защитно-восстановительных газов.