СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК МАЛОГО СЕЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B22D11/00 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывной разливке биметаллических слитков.

Известен способ непрерывного литья биметаллических слитков, включающий подачу различных металлов и стальной ленты для предотвращения их смешивания в кристаллизатор, и устройство для его осуществления (Заявка Японии N 55-68156, кл. 11 В 091, 1980).

Недостатком известного способа и устройства является необходимость сложной и длительной подготовки стальной ленты в виде зачистки, обезжиривания, промывки и др. что усложняет процесс разливки и не гарантирует качество свариваемых металлов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ непрерывного литья биметаллических заготовок малого сечения, включающий подачу расплавов с регулированием их расхода в кристаллизатор с подвижными стенками, формирование в нем двухфазных состояний обоих слитков, измерение температуры расплавов и приведение в контакт свариваемых граней слитков, и устройство, содержащее кристаллизатор с подвижными стенками, перегородку и датчик температуры (авт. св. СССР N 539668, кл. В 22 D 11/00, 1977).

Недостатком данного способа является возможность полного смешивания затвердевающих металлов, образования окисных пленок на открытых поверхностях менисков металлов.

Известно, что качество сварки и сцепления различных металлов в условиях разливки биметаллических заготовок зависит от степени развития и характеристик двухфазной зоны свариваемых слитков. Если слитки соединяются в жидком или двухфазном состоянии, когда доля твердой фазы f_s по всему сечению соединяемых слитков менее 20 40% (f_s=f*s

≅ 0,2-0,4), то происходит интенсивное перемешивание расплавов, в результате чего зона смешанного состава будет иметь большую протяженность вплоть до периферийных слоев, что ухудшает механические свойства биметаллического изделия. Для качественного соединения металлов необходимо вначале обеспечить независимое формирование двухфазных состояний обоих слитков, а затем соединяемые грани привести в контакт, например, от границы выливаемости сплава, имеющего более высокую температуру ликвидуса.

Целью изобретения является улучшение качестве биметаллических заготовок малого сечения.

Цель достигается тем, что согласно способу непрерывного литья биметаллических заготовок, включающему подачу расплавленных металлов с управляемым расходом в кристаллизатор с подвижными стенками, формирование в нем двухфазных состояний обоих слитков, приведение в контакт сопряженных граней слитков, которое осуществляют по границе выливаемости высокотемпературного сплава, определяемой измерением температуры, значение которой для металлических сплавов соответствует сечению (доли) твердой фазы f*s

=0,2-0,4.
Согласно правилу неравновесного рычага (Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. М. Металлургия, 1986), температура в двухфазной зоне слитка Т связана с сечением твердой фазы f_s соотношением

где Т_A температура плавления чистого компонента растворителя; Т_l температура ликвидуса; k коэффициент распределения. Из (1) после несложных преобразований получим выражение для температуры границы выливаемости
T_выл=T_A-β(T_A-T_l), (2)
где β=(1-f*s)^k-1..

Таким образом, сопоставляя показания термопары, зачеканенной в нижнюю кромку перегородки, со значением температуры, следующим из (2), осуществляют контроль за погружением перегородки на требуемую глубину.

В устройстве для непрерывного литья биметаллических заготовок малого сечения, содержащем кристаллизатор с подвижными стенками и установленную в нем перегородку, перегородка погружена в жидкую лунку на глубину H_выл=nd, где n= (4,0 10,0); d, Н_выл соответственно толщина слитка и расстояние от "зеркала" металла до границы выливаемости сплава, имеющего более высокую температуру ликвидуса, наружная поверхность стенок перегородки выполнена конусной книзу под углом 5 10^o к вертикали, а внутренняя поверхность стенок верхней части кристаллизатора, составляющей одну треть его длины, имеет наклон к вертикали под углом 5 15^o.

Выполнение наружных поверхностей перегородки и внутренних поверхностей верхней части кристаллизатора под углом α ~ 5÷15^° обеспечивает свободное перемещение вниз закристаллизовавшегося объема металла, оптимальную стыковку и подпитку свариваемых граней слитков, позволяет регулировать объем жидкой ванны металла. Увеличение угла раствора внутренних поверхностей кристаллизатора может вызвать образование развитой корочки затвердевшего металла, что приведет к большим растягивающим напряжениям и дефекту поверхностей слитка.

Улучшение качества биметаллических заготовок происходит благодаря отсутствию чрезмерного перемещения сплавов и достаточного развития зоны двухфазного состояния слитков. При этом зона соединения металлов имеет достаточную ширину, вследствие чего не происходит расслоения биметаллических сплавов при дальнейшем переделе и уменьшается брак готовой металлопродукции.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа непрерывного литья биметаллических заготовок (продольный разрез).

Устройство содержит промежуточный ковш 1 с разделительной стенкой 2, в днище которого имеется отверстие с формующим насадком 3 и обтекателем 4, соединенным с перегородкой 5, входящей в рабочую полость кристаллизатора, образованную двумя бесконечными лентами 6, движущимися в противоположных направлениях; в верхней части обтекатель соединен с подвижным штоком 7, обеспечивающим перемещение обтекателя и перегородки в вертикальной плоскости; жидкие металлы 8 и 9, термопара 10, зона соединения металлов (сплавов) 11.

Работа устройства заключается в следующем. В процессе непрерывной разливки в одну половину промежуточного ковша 1 с перегородкой 2 заливают металл 8 (например, сплав Fe + 0,11% С), а в другую половину подают жидкую сталь 12 х 13 (металл 9). Из промежуточного ковша 1 металлы 8 и 9 поступают через выходные отверстия сопла, образованные насадком 3 и обтекателем 4, в подвижный кристаллизатор, образованный двумя бесконечными лентами 6 с погруженной в него огнеупорной перегородкой 5. Бесконечные ленты 6 движутся в противоположных направлениях с одинаковыми скоростями.

Формирующиеся слитки из металлов (сплавов) 8 и 9 сопрягаются в двухфазном состоянии своими внутренними гранями на уровне нижней кромки перегородки и ниже. Далее происходит сваривание обоих слитков за счет смешивания металлов вплоть до границы затвердевания. При этом биметаллическая заготовка непрерывно вытягивается вниз из кристаллизатора с постоянной скоростью.

Пример. В качестве примера рассмотрим формирование биметаллической заготовки из сплавов на основе железа. Сплав 8: Fe + 0,5% С, и сплав 9 сталь марки 12 х 13. Температура ликвидуса Т_l сплава 8 равна 1525,42^oС, сплава 9 1504^oС. Температура плавления чистого компонента растворителя (Fe) Т_А= 1538^oС, коэффициент распределения углеводорода С в α -железе k=0,163. Следовательно, согласно формуле (2), изотерма выливаемости для более высокотемпературного сплава 8 при f*s

=0,3 определяется значением температуры Т_выл=1538 1,35 (1535 1525,42)=1503,85^oС.

Из условия баланса осевых потоков тепла, пренебрегая теплоотдачей металла к перегородке, найдем приблизительное значение расстояния от зеркала расплава 8 до его границы выливаемости

где Т_l температура ликвидуса сплава 8; ΔT_пер значение перегрева этого сплава; Н_пер высота зоны отвода теплоты перегрева. Для оценки величины Н_пер воспользуемся формулой (А. Н.Степанов, Ю.В.Зилберг, А.А. Неустроев. Производство листа из расплава. М. Металлургия, 1978).

где c, ρ теплоемкость и плотность металла соответственно; k - коэффициент теплопередачи от металла к охлаждающей среде, имеющей температуру Т_c; v₁= 2v_od/(d+b) средняя скорость движения металла в кристаллизаторе между поверхностями ленты и перегородки; d толщина слитка из сплава 8; v_o скорость вытягивания заготовки; b ширина зеркала ванны сплава 8. При этом b=d+H_ltgα, где α угол наклона ленты кристаллизатора в его верхней части к вертикали; d*1

приведенный размер объема металла между наклонной поверхностью ленты кристаллизатора, а поверхность перегородки и свариваемыми гранями слитков (приведенная толщина объема металла в верхней области кристаллизатора), определяемый выражением

Из соотношений (3) (5) следует
Н_выл=nd, (6)
где
Примем для технологических и кристаллизационных параметров следующие характерные для рассматриваемого процесса значения: d=3•10^-3 м; Т_пер=30^oС; v= 0,2 м/с; k=1,2 •10³ Вт/(м²•^oС); κ_o=2,72•10⁵ Дж/кг; ρ=7,02•10³ кг/м³ с=838 Дж/(кг•^oС); Т_c= 313^oС; α5^o. Подставив эти величины в (4) (6) и выполнив соответствующие вычисления, найдем
Н_l=59,2 мм, Н_выл=101,76 мм.

Таким образом, глубина погружения перегородки в жидкую лунку до границы выливаемости, характеризуемой изотермой Т_выл=1503,85^oС составляет ≈ 102 мм. Эта величина корректируется в соответствии с показанием датчика температуры с помощью перемещения кристаллизатора в вертикальной плоскости. Оценка ширины зоны фильтрационного смешения рассматриваемых металлов дает величину L_c=0,2 мм.

Для более точного регулирования расхода металла вместо перемещающегося обтекателя могут быть применены электромагнитные вентили либо газодинамический способ компенсации гидростатического давления расплава с использованием перемещающихся барботажных каналов и герметичным промежуточным миксером.

Применение предлагаемых способа и устройства позволяет регулировать в процессе разливки величину смешанного состояния металлов в зависимости от их состава и скорости вытягивания изделия, определяя тем самым высокое качество соединения составляющих слоев биметаллической заготовки, исключающего расслоение при дальнейшем переделе.

Изобретение позволяет улучшить качество биметаллической заготовки, получаемой непрерывным литьем двух различных металлов 8 и 9 в кристаллизатор с подвижными лентами путем соединения сопряженных граней слитков, находящихся в двухфазном состоянии по границе выливаемости. Устройство содержит промежуточный ковш 1 с разделительной стенкой 2, в днище которого имеется отверстие с формующим насадком 3 и обтекателем 4, соединенным с перегородкой 5, входящей в рабочую полость кристаллизатора, образованного двумя бесконечными движущимися лентами 6, в верхней части обтекатель соединен с подвижным штоком 7, обеспечивающим перемещение обтекателя и перегородки в вертикальной плоскости. В нижнем торце перегородки 5 зачеканена термопара 10. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ непрерывного литья биметаллических заготовок малого сечения, включающий подачу расплавов с регулированием их расхода в кристаллизатор с подвижными стенками, формирование в нем двухфазных состояний обоих слитков, измерение температуры расплавов и приведение в контакт свариваемых граней слитков, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества изделий, приведение в контакт свариваемых граней слитков осуществляют по границе выливаемости расплава, имеющего более высокую температуру кристаллизации. 2. Устройство для непрерывного литья биметаллических заготовок малого сечения, содержащее кристаллизатор с подвижными стенками, датчики температуры и перегородку, отличающееся тем, что, с целью улучшения качества изделий, перегородка выполнена с возможностью вертикального перемещения, а датчики температуры установлены на ее нижнем торце. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что перегородка выполнена в виде соединенного со штоком обтекателя. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что поверхность стенок перегородки выполнена конусной книзу под углом 5 10^o к вертикали, а внутренняя поверхность верхней части стенок кристаллизатора на 1/3 ее длины наклонена к вертикали под углом 5 15^o.