УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК Российский патент 1997 года по МПК B22D11/04 

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывной разливке заготовок.

Прототипом по технической сущности к заявляемому изобретению является кристаллизатор для непрерывного вертикального литья стальной ленты, содержащий охлаждаемые широкие и узкие стенки, широкие боковые стенки которого в верхней части выполнены с углом наклона к вертикали менее 10^o, сужены книзу до размера получаемой ленты и образуют рабочую полость конической формы, концевые участки широких боковых стенок выполнены параллельными, а их ширина равна, по меньшей мере, толщине получаемой ленты. Кроме того, в кристаллизаторе [1] широкие боковые стенки конической части выполнены дугообразными, а узкие стенки выполнены с возможностью перемещения в зоне параллельных участков широких стенок.

Недостатком кристаллизатора для непрерывного вертикального литья стальной ленты является возможность его использования только для получения стальных лент. Кроме того, выполнение широких боковых стенок кристаллизатора с углом наклона к вертикали менее 10^o не обеспечивает возможность получения качественных непрерывнолитых заготовок из металлов с различными значениями коэффициента температуропроводности.

Заявляемое устройство направлено на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывнолитых заготовок.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства заключается в:
повышении производительности процесса получения непрерывнолитых заготовок;
повышении надежности работы устройства;
увеличении выхода годного металла;
экономии электроэнергии;
улучшении качества поверхности и внутренней структуры заготовки.

Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: четыре попарно расположенные продольные рабочие стенки; первая пара водоохлаждаемых рабочих стенок выполнена с верхним расширенным к вертикали и вертикальным нижним участками рабочей поверхности; участок перехода с расширенного верхнего в вертикальный нижний участок выполнен криволинейным с определенным радиусом кривизны; вторая пара водоохлаждаемых рабочих стенок выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения.

Отличительные признаки: первая пара рабочих стенок выполнена с возможностью совершения в процессе работы вращательного движения; угол наклона к вертикали рабочей поверхности верхнего расширенного участка рабочих стенок составляет α=7-30^° величина угла наклона α выбрана в обратно пропорциональной зависимости от значения коэффициента температуропроводности металла получаемых заготовок; высота вертикального нижнего участка "h", радиуса кривизны "R" области перехода расширенного верхнего в вертикальный нижний участок, первоначальная до профилирования высота вертикального нижнего участка "h" связаны между собой следующими соотношениями:
h/R 0,1-0,6; h/h' 0,45-0,85.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Совершение в процессе работы стенками первой пары вращательного движения обеспечивает условия захвата, обжатия и проталкивания металла к выходу кристаллизатора. При этом отпадает необходимость наличия дополнительного устройства для вытягивания заготовки, а соответственно уменьшаются затраты времени на обслуживание устройства, повышается надежность его работы.

При разливке металлов в кристаллизаторе с двумя парами стенок угол наклона рабочей поверхности двух стенок на верхнем расширенном участке к вертикали в конечном итоге определяется физическими параметрами металлов: к числу таких основных параметров относятся: l коэффициент теплопроводности металла, Вт/(мК); С удельная теплоемкость, Дж/(кгК) и r плотность металла, кг/м³. Соотношение параметров a=λ/ρc коэффициент температуропроводности металла, характеризующий скорость выравнивания в нем температуры в процессе охлаждения.

Для разливаемых металлов значение коэффициента температуропроводности a различно. Максимальное значение коэффициента a=95x10^-6 и 113x10^-6 м²/с имеют соответственно медь и алюминий.

Минимальные значения коэффициента a= 6x10^-6 и (7,5-9)x10^-6 м²/с имеют титан и низкоуглеродистая (низколегированная) сталь.

Исходя из характеристики коэффициента температуропроводности, следует, что минимальное значение угла наклона α_min рабочей поверхности стенки кристаллизатора на верхнем расширенном участке соответствует отливке в кристаллизатор алюминия и меди, а максимальное возможное значение угла α_max
при разливке титана и низкоуглеродистой (низколегированной) стали.

Дополнительно к этому, исходя из того, что первой парой рабочих стенок на расширенном (наклонном) верхнем участке происходит обжатие (деформация) металла, то сделанное заключение о значениях α_min и α_max становится правомерным по следующим соображениям.

Давление обжатия металла (при сварке давлением) в области температур пластической деформации (0,8t_пл, где t_пл температура плавления металла) составляет: для алюминия и его сплавов соответственно -120-150 и 130-200 МН/м², медь 250-400 МН/м², в то время как соответственно для титана и низкоуглеродистой (низколегированной) стали всего 30-60 и 80-100 МН/м².

То есть, более низкие значения коэффициента температуропроводности металла и давления обжатия позволяют производить его разливку в кристаллизатор с более высоким значением угла наклона рабочей поверхности на верхнем участке стенки. При этом возможно возрастание количества одновременно деформируемого металла и уменьшение требований к точности поддержания температуры металла в верхней части кристаллизатора по сравнению с разливкой металла с более высоким значением коэффициента температуропроводности и давления обжатия.

Определение угла наклона рабочей поверхности стенки при разливке заданного металла может быть определено из решения обратной задачи теплопроводности [2, 3] при которой по заданному распределению температур металла определяются соответствующие краевые условия (форма и размер рабочей поверхности стенки кристаллизатора).

Минимальное значение угла наклона рабочей поверхности стенки к вертикали составляет из технологических соображений α_min=7^° (при разливке алюминия и его сплавов). Это вызвано тем, что при угле α меньше 7^°(α<7^°)) затрудняются условия заливки металла через погружной стакан и поддержания его на заданном уровне в кристаллизаторе, что особенно проявляется при получении заготовок с малой толщиной (δ<10 мм).
Максимальное значение угла наклона рабочей поверхности к вертикали при разливке низкоуглеродистой стали составляет α_max=30^° Увеличение угла α>30^° приводит к увеличению поверхности зеркала жидкого металла, контактирующего с воздухом, и как результат, увеличение количества отводимого тепла от металла и дополнительное его окисление. Кроме того, ухудшается обжатие металла, обусловленное перераспределением нормальных напряжений в более верхнюю часть кристаллизатора (т. O₁ и O₂ на фиг. 2) и необходимость увеличения мощности привода (расхода электроэнергии) для обжатия металла за счет увеличения толщины деформируемого металла на данной высоте h ( δ₂>δ₁ на фиг. 2).

Отношение высоты вертикального нижнего участка h стенки к радиусу кривизны R области перехода расширенного верхнего в вертикальный нижний участок составляет h/R=0,1-0,6. Увеличение отношения h/R>0,6 приводит к необходимости увеличения высоты кристаллизатора за счет увеличения высоты калибровочного (нижнего вертикального) участка и зоны жидкого металла в верхней части кристаллизатора.

При уменьшении отношения h/R<0,1 значительно возрастает усилие, идущее на деформацию и выталкивание заготовки.

Отношение вертикального нижнего (калибровочного) участка к первоначальной его высоте до профилирования поверхности (области перехода) составляет h/h'= 0,45-0,85. При h/h'>0,85 ухудшается качество поверхности получаемой заготовки. Уменьшение отношения h/h'<0,45 увеличивает сопротивление выталкивания заготовки за счет увеличения силы трения, а соответственно возрастает мощность привода и расход электроэнергии.

На фиг. 1 показан внешний вид одной рабочей стенки кристаллизатора в вертикальной плоскости с различным углом наклона рабочей поверхности к вертикали и областью перехода с расширенного верхнего в вертикальный нижний участок; фиг. 2 внешний вид кристаллизатора с парой рабочих стенок с наклонными (расширенными) участками в вертикальной плоскости, иллюстрирующий работу устройства (показано направление нормальных напряжений σ к поверхности и толщина s обжимаемого металла на данной высоте h); фиг. 3 - внешний вид кристаллизатора в горизонтальной плоскости.

Заявляемое устройство для непрерывного литья заготовок (кристаллизатор) на фиг. 1, 2 и 3 состоит из пары рабочих стенок 1, 7 с расширенным (наклонным) 2 и вертикальным 3 участками с областью перехода (профилирования) 4, собственно кристаллизатора 5 и пары вертикальных стенок 6.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Перед началом разливки металла кристаллизатор разогревается до необходимой температуры, а его нижняя часть перекрывается специальным приспособлением (затравкой), предотвращающим выливание расплава. Жидкий металл через погружной разливочный стакан поступает в кристаллизатор 5 через его верхнюю часть по расширенному участку 2. В процессе работы стенки 1, 7 совершают сложное вращательное движение с обжатием металла в области перехода 4 и его выталкиванием на нижний вертикальный (калибровочный) участок 3. Стенки 6 совершают в противофазе к стенкам 7 возвратно-поступательное движение.

Изобретение направлено на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывнолитых заготовок. Это обеспечивается тем, что в устройстве для непрерывного литья заготовок, содержащем сборный кристаллизатор, состоящий из четырех расположенных продольных рабочих стенок, первая пара рабочих стенок выполнена с возможностью совершения в процессе работы вращательного движения, при этом угол наклона к вертикали рабочей поверхности верхнего расширенного участка рабочих стенок составляет α=7 ... 30^°, , величина которого выбрана в обратнопропорциональной зависимости от значения коэффициента температуропроводности металла получаемых заготовок. Дополнительно к этому, в устройстве для непрерывного литья заготовок высота вертикального нижнего участка h, радиус кривизны R области перехода расширенного верхнего в вертикальный нижний участок, первоначальная до профилирования высота вертикального нижнего участка h' связаны между собой следующими соотношениями:
h/R=0,1-0,6; h/h'=0,45^oC0,85. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для непрерывного литья заготовок, содержащее сборный кристаллизатор, состоящий из четырех расположенных попарно продольных рабочих стенок, в котором первая пара рабочих стенок выполнена с расширенным под углом к вертикали верхним и вертикальным нижним участками рабочей поверхности, а вторая пара рабочих стенок выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом участок перехода с расширенного верхнего в вертикальный нижний участок выполнен криволинейным, отличающееся тем, что первая пара рабочих стенок выполнена с возможностью совершения в процессе работы вращательного движения, при этом угол наклона к вертикали рабочей поверхности верхнего расширенного участка рабочих стенок составляет α = 7...30^°, величина которого выбрана в обратно пропорциональной зависимости от значения коэффициента температуропроводности металла получаемых заготовок. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота вертикального нижнего участка h, радиус кривизны R области перехода расширенного верхнего в вертикальный нижний участок, первоначальная до профилирования высота вертикального нижнего участка h' связаны между собой следующими соотношениями:
h/P 0,1 0,6, h/h' 0,45 0,85.