ЛИТЕЙНО-ПРОКАТНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1997 года по МПК B22D11/06 

Изобретение относится к металлургии, а именно к установкам совмещенного непрерывного литья заготовок из цветных сплавов и их прокатки, и может быть использовано при производстве катанки для контактных проводов.

Установки совмещенного непрерывного литья и прокатки в последнее время получили широкое распространение благодаря высокой производительности, использованию остаточного тепла непрерывнолитой заготовки для проведения прокатки, а также возможности за счет приближения формы заготовки к параметрам конечной продукции снизить затраты на стадии прокатки под конечное изделие.

Основной технологической трудностью при создании подобных агрегатов является необходимость согласования скоростей литья и прокатки, поскольку в таком агрегате скорость прокатки намного превышает скорость литья заготовок.

Желание увеличить скорость литья зачастую приводит к получению литой заготовки с неудовлетворительным качеством вследствие предрасположенности металла при кристаллизации, а также при изгибе и выпрямлении заготовки к горячим трещинам.

Причины появления горячих трещин кроются как на стадии получения и обработки расплава, так и на этапе формирования литой заготовки на роторном кристаллизаторе и снятии ее с него.

Первое определяется качеством расплава по наличию примесей, распределением элементов по объему расплава, а следовательно, и по длине заготовки, самим составом металла, тогда как причинами появления трещин при литье могут быть структура металла (крупность зерна и наличие столбчатых кристаллов), интенсивность охлаждения (стремление увеличить скорость литья приводит к чрезмерно интенсивному охлаждению, вызывающему термические напряжения в теле заготовки и сохранение жидких прослоек по границам зерен), механическое воздействие на заготовку изгиб на колесе кристаллизатора и при выпрямлении ее после снятия с кристаллизатора при подаче ее в прокатный стан.

Попытка увеличить скорость литья за счет снятия неполностью затвердевшей заготовки способствует образованию трещин, поскольку при деформации на границе между твердой и жидкой фазами нарушается сплошность металла, особенно при наличии неблагоприятной структуры литой заготовки (преимущественно при столбчатой структуре). В возникающие трещины затекает металл из жидкой фазы, обогащенной ликвидирующими элементами с более низкой температурой плавления, чем медь, являющимися инициаторами возникновения трещин.

В дальнейшем при прокатке присутствие на литой заготовке горячих трещин ухудшает качество изделия, и свойства проката в этих местах весьма низкие.

Известна установка совмещенного литья и прокатки, включающая средства плавления шихты, кристаллизатор роторного типа и прокатный стан (а.с. СССР N 1627315, кл. В 2 D 11/06, 1988).

Колесо кристаллизатора охвачено на значительной части его периметра бесконечной охлаждаемой стальной лентой, образующей совместно с желобом трепециевидного сечения в теле бандажа колеса полость, формирующую литую заготовку.

Известное решение направлено на повышение качества отливаемой заготовки за счет регламентации размеров желоба и диаметра колеса, связанных следующим соотношением

где S_п.ж. и S_с.ж. площадь поверхности и площадь поперечного сечения желоба соответственно, D_к диаметр колеса кристаллизатора, r_пр.ж. приведенный радиус поперечного сечения желоба.

Несмотря на увязки размеров литейного колеса и параметров желоба в известном решении не обеспечивается полная гарантия отсутствия трещин, поскольку, во-первых, не учтены все причины появления трещин, и, во-вторых, для литья медных сплавов указанное соотношение не является оптимальным и подтверждено в описании примерами лишь алюминиевых сплавов.

Известен литейно-прокатный агрегат, включающий индукционную плавильную печь, миксер-накопитель, промежуточную емкость, кристаллизатор роторного типа с формообразующей полостью трапециевидного сечения и охватывающей колесо кристаллизатора на угол 110-130^o бесконечной охлаждаемой лентой, образующей зону кристаллизации, систему форсунок, образующих зону вторичного охлаждения, и прокатный стан. Суммарная протяженность зон кристаллизации в известном решении составляет угол 180-210^o, а в плавильной печи и миксере создается восстановительная атмосфера ("Машины непрерывного литья металлов и литейно-пркатные агрегаты", Труды ВНИИМЕТМАШ, Сборник N 41, 1975, с. 17-28).

Обладая всеми достоинствами совмещенного процесса как такового, известное решение имеет, однако, и ряд недостатков, ухудшающих качество металла и прокатанного изделия.

Отсутствие средств введения в расплав дополнительных (легирующих) элементов не дает возможности получать катанку из сплавов меди, что резко ограничивает ассортимент производимой продукции.

Отсутствие восстановительной атмосферы не всех этапах производства не гарантирует отсутствия окисления и наводораживания, что приводит к излишнему угару и, как следствие, возможности зашлаковывания литейной системы, что может привести к нарушению непрерывности процесса литья и прокатки.

Непосредственная связь миксера и промежуточной емкости перед кристаллизатором не обеспечивает гарантированного усреднения состава расплава, что чревато разбросом по длине катанных изделий. Именно в связи с этим недостатком часть литой заготовки отрезается и на прокатку не поступает.

Конструкция и параметры катализатора не обеспечивают устранения горячих трещин в заготовке, что объясняется малым диаметром колеса кристаллизатора, нерациональным сечением профиля бандажа колеса, а также нерациональным соотношением протяженности зоны кристаллизации и зоны вторичного охлаждения.

Указанное обстоятельство приводит к выходу заготовки с кристаллизатора с высокой температурой, что опасно в дальнейшем при выпрямлении заготовки перед ее вводом в прокатный стан.

Кроме того, недостаточный размер колеса не обеспечивает снижение напряжений в сечении литой заготовки при ее выпрямлении и высокий ресурс работы вследствие малого периода теплосмен.

Отсутствие средств подачи в расплав кристаллизатором модификаторов не дает возможности влиять на структуру металла литой заготовки в процессе ее кристаллизации и этим снизить опасность образования горячих трещин.

Кроме того, в известном решении процесс термической обработки вынесен за пределы агрегата, что требует дополнительных площадей для складирования, средств нагрева катанки до высоких (закалочных) температур и оборудования для охлаждения катанки.

В основу изобретения положена задача устранения вышеперечисленных недостатков, а именно разработка конструкции литейно-прокатного агрегата, обеспечивающей получение высокого качества продукции за счет устранения угара, перерывов в непрерывном процессе литья и прокатки благодаря устранению горячих трещин, равномерного распределения элементов по длине заготовки; расширение ассортимента выпрямляемых сплавов, получение заданной структуры металла, уменьшение затрат на оборудование и снижение занимаемой им площади.

Указанная задача решена за счет того, что известный литейно-прокатный агрегат, содержащий установленные последовательно плавильную печь и миксер со средствами формирования в них восстановительной атмосферы, промежуточную емкость, кристаллизатор роторного типа, формообразующая полость которого образована выточкой трапециевидного сечения в бандаже колеса и охватывающей его по дуге окружности кристаллизатора с центральным углом 110-130^o бесконечной стальной лентой, а зона вторичного охлаждения выполнена в виде форсунок, и прокатный стан с черновыми и чистовой клетями снабжен емкостью и механизмом для легирования расплава, установленными между миксером и промежуточной емкостью, устройством для модифицирования подаваемого в кристаллизатор расплава, устройством для нагрева непрерывнолитой заготовки перед подачей ее в стан и устройством для охлаждения раската перед чистовой клетью стана, при этом диаметр бандажа кристаллизатора не менее 1,55 м, отношение большего основания выточки бандажа к ее высоте составляет 1,78-1,88, протяженность зоны вторичного охлаждения составляет длину дуги в 50-54^o, а промежуточная емкость для легирования снабжена средствами их нагрева и формирования восстановительной атмосферы в них.

На фиг. 1 дан литейно-прокатный агрегат, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1.

Литейно-прокатный агрегат состоит из плавильной печи 1 (например, шахтного типа) со средствами создания в ней восстановительной атмосферы, миксера 2, отдельно стоящей емкости 3 для легирования расплава спеченной порошковой лигатурой в виде длинномерного изделия, для чего предусмотрено устройство 4 (показано условно) кристаллизатора 5 роторного типа, бандаж которого выполнен с фомообразующей полостью трапециевидного сечения.

Бандаж роторного кристаллизатора 5 охватывается бесконечной стальной лентой 6, замыкающей формообразующую полость. Для охлаждения расплава предусмотрена система форсунок 7, подающих воду на стальную ленту 6, охватывающую кристаллизатор 5. Зона вторичного охлаждения состоит из коллектора 8 в виде изогнутой трубы и ряда форсунок. Перед кристаллизатором 5 установлена промежуточная емкость 9, из которой расплав поступает в кристаллизатор 5. Около нее размещено устройство 10 для ввода модификатора в струю расплава, поступающего в кристаллизатор 5.

В линии агрегата расположен прокатный стан 11, имеющий черновые и чистовые клети, а перед станом 11 расположен индуктор 12 проходного типа. В линии прокатного стана 11 перед чистовой клетью установлено устройство 13 для охлаждения заготовки.

Бесконечная лента 6 охватывает колесо кристаллизатора 5 по дуге в 110-130^o, а коллектор 8 зоны вторичного охлаждения расположена таким образом, чтобы обеспечить температуру литой заготовки 625-670 ^oC при ее снятии с кристаллизатора 5 на ролики 14.

Литейно-прокатный агрегат работает следующим образом.

Полученный в печи 1 расплав подается в миксер 2 для накопления расплава металла и поддержания его температуры. Затем расплав в случае получения изделий из меди направляется в промежуточную емкость 9, а в случае литья медных сплавов в емкость 3, где при помощи устройства 4 в него вводятся необходимые легирующие элементы и расплав требуемого состава подается в промежуточную емкость 9.

Выходящая из емкости 9 регулируемая струя расплава обрабатывается модификатором спеченной порошковой медью, вводимой в виде длинномерного изделия устройства 10.

В кристаллизаторе 5 расплав за счет охлаждения бандажа колеса кристаллизатора 5 изнутри, а бесконечной ленты 6 снаружи начинает кристаллизоваться, образуя корочку по периметру литой заготовки. При дальнейшем совместном с кристаллизатором 5 движении заготовка кристаллизуется по всему сечению и после зоны вторичного охлаждения снимается с колеса и по системе роликов 14, постепенно выпрямляясь, направляется в индуктор 12, где нагревается до температуры прокатки.

В клетях прокатного стана 11 литая заготовка подвергается пластической деформации и приобретает требуемую форму. Перед чистовой клетью стана 11 заготовка интенсивно охлаждается со скоростью 60-70^o/сек и благодаря достижению температуры рекристаллизации медного сплава у материала катанки фиксируется твердый пересыщенный раствор, а в случае использования меди у катанки повышаются механические свойства.

Наличие восстановительной атмосферы на стадиях обработки расплава в емкости для легирования и в промежуточной емкости позволяет полностью исключить окисление легирующих элементов, а отсутствие за счет этого оксидов в расплаве позволяет гарантировать тракт подачи расплава к кристаллизатору от зашлаковывания и нарушений хода процесса.

Лучшее усреднение состава сплава за счет емкости для ввода легирующих элементов, наличия металлопровода и промежуточной емкости позволяет снизить вероятность образования горячих трещин вследствие отсутствия ликваций.

Использование отдельной емкости для легирования и наличие в ней нагревателей позволяет варьировать в широких пределах состав сплава, обеспечивая расплавление любых, даже тугоплавких элементов, усреднить состав металла и тем самым получить равномерный состав по длине литой заготовки.

Кроме того, наличие емкости для легирования позволяет гибко осуществлять переход от литья меди к литью ее сплавов, поскольку, как было указано выше, чисто медный расплав минует эту емкость и подается непосредственно в промежуточную емкость кристаллизатора.

Введение в агрегат устройства для модифицирования расплава позволяет насытить ванну кристаллизатора по всему объему микрохолодильниками частицами меди, являющимися центрами (зародышами) кристаллизации, что дает возможность получить мелкозернистую структуру заготовки, обладающую высокой стойкостью к трещинообразованию.

Увеличение диаметра колеса кристаллизатора свыше 1,55 м позволяет снизить напряжения в сечении литой заготовки при кристаллизации и съеме ее с кристаллизатора, поскольку, во-первых, при том же угловом обхвате колеса бесконечной лентой радиус закругления формирующейся литой заготовки увеличивается, и, во-вторых, увеличивается длина дуги окружности зоны охлаждения литой заготовки, что позволяет исключить резкое (ударное) охлаждение, являющееся одной из причин горячих трещин в литой заготовке.

Кроме того, увеличение диаметра роторного кристаллизатора снижает температурные деформации в бандаже, поскольку, как известно, он подвергается циклическому процессу изменения температуры (каждая точка бандажа сначала воспринимает воздействие температуры жидкого металла, а затем, в входе вращения кристаллизатора вместе с литой заготовкой бандаж постепенно охлаждается и после схода заготовки с него эта точка вновь приходит в соприкосновение с жидким расплавом, а увеличение диаметра приводит к увеличению периода этого цикла.

Увеличение диаметра колеса благоприятно действует и на состояние затвердевшей литой заготовки при ее схеме и последующем протягивании через ролики, т.к. позволяет осуществить более плавное выпрямление за счет съема заготовки с уровня ниже оси колеса роторного кристаллизатора.

Взаимное расположение зон охлаждения позволяет обеспечить выход литой заготовки с температурой более низкой, чем 625-670 ^oC, что также благоприятно сказывается на трещинообразовании в теле уже твердой заготовки.

Из теории сопротивления материалов известно, что из сечений одинаковой площади меньшей способностью к изгибу обладают те, у которых отношение высоты к основанию больше, т.е. согласно теории для снижения напряжений в теле литой заготовки при ее изгибе и выпрямлении предпочтительно иметь максимальное отношение ширины основания к высоте, приближаясь, в идеале, к плоскости.

Однако заявителем в результате исследований выявлено, что при достижении определенной величины такого отношения дальнейшее уменьшение высоты не вызывает адекватного снижения напряжений при изгибе, но усложняет обработку давлением прокатной в валках стана.

Выяснилось, что максимальное отношение основания к высоте, выгодное для устранения трещинообразования и процесса прокатки, равно 1,857, однако учитывая особенности прокатки и сложность перехода от плоских сечений к кругу, оптимальным соотношением является 1,78-1,88. Меньшие отношения приводят к опасности появления горячих трещин, а большие невыгодны для прокатки.

Наличие устройства для нагрева заготовки при ее подаче в стан позволяет снизить нагрузки на подшипники клетей стана, облегчить деформацию металла, а также более равномерно распределить температуру по сечению литой заготовки. Кроме того, это устройство позволяет нагреть заготовки из дисперсионнотвердеющих сплавов до температуры закалки, что позволяет проводить термическую обработку катанки в процессе прокатки, исключая тем самым специальную технологическую операцию и оборудование для нагрева изделия и его быстрого охлаждения.

Установка охлаждения раската перед чистовой клетью позволяет получить качественную продукцию за счет снижения температуры до уровня температуры рекристаллизации металла раската в результате наклепа в предыдущих клетях и получения структуры упрочненного (нагартованного) изделия с фиксацией пересыщенного твердого раствора в случае использования для изготовления катанки дисперсионнотвердеющих медных сплавов.

Пример. Путем расплавления и легирования меди получили сплав, содержащий 0,04-0,06 Sn. Полученный расплав после модифицирования порошковой спеченной медью подавали в кристаллизатор с диаметром бандажа 2 м и имеющего сечение желоба трапецию с основанием 65 мм и высотой 35 мм при площади сечения 2100 мм². Бесконечная лента охватывала колесо кристаллизатора под углом 118^o. Протяженность зоны вторичного охлаждения 50-54^o. После кристаллизации заготовка с температурой 650 ^oC снималась с колеса и направлялась в индуктор, где происходит ее нагрев до 860 ^oC. Литая заготовка подавалась на прокатку и охлаждалась в валках прокатного стана, а после прохождения через черновые клети она подвергалась резкому охлаждению со скоростью 70 град/сек до температуры 380-400 ^oC, с которой и поспала в чистовую клеть. Катанка имела отклонения от состава стандарта на более ±0,02 и имела следующие характеристики: HB 1052 МПа, σ_в 320МПа, δ 21,5 и размер зерна 11,8 мкм. Электросопротивление составило 0,0179 нОм.М. При изготовлении катанки по условиям прототипа механические свойства у нее ниже, чем по предполагаемому изобретению. Твердость у материала катанки достигает 640-670 МПа, временное сопротивление s_в 240-248МПа, предел текучести 98-115МПа, относительное удлинение 42-46,5 размер зерна 13,4 мкм. Контактный провод у такой катанки имеет σ_в 370,5 МА, число скручиваний и перегибов до разрушения соответственно 7 и 4. Интенсивное охлаждение раската при горячей прокатке в случае использования дисперсионнотвердеющих медных сплавов позволяет достигнуть равномерного по всей длине катанного изделия перевода сплава в состояние пересыщенного твердого раствора. Прокатка дисперсионнотвердеющего сплава 0,17 Zn, 0,08 Gr, ост. Cu в течение 10 с с температурой подачи в стан 860 ^oC позволила при скорости охлаждения 70 г/с достигнуть состояния закалки. Электросопротивление сплава в состоянии пересыщенного твердого раствора составило 0,0274 мОм.м, а после старения 0,0197 мОм.м.

Литейно-прокатный агрегат позволяет обеспечить стабильный процесс производства катанки из меди и ее сплавов с получением высокого качества поверхности и высоких механических характеристик.

Использование: область металлургии, а именно установка совмещенного непрерывного литья заготовок из цветных металлов и их прокатки, конкретнее производство катанки для конкретных контактных проводов. Сущность: для высокого качества поверхности и механических характеристик катанки литейно-прокатный агрегат включает средства плавления сырья и получения расплава заданного состава в восстановительной атмосфере, устройство модифицирования направляемого в кристаллизатор расплава, кристаллизатор роторного типа с диаметром бандажа не менее 1,55 м и выточкой в нем в форме трапеции с отношением большего основания к высоте 1,78-1,88, при этом протяженность зоны кристаллизации составляет длину дуги с центральным углом 110-130^o, а протяженность зоны вторичного охлаждения - 50-54^o. Кроме того, в состав агрегата входит прокатный стан, между черновыми и чистовой клетями которого установлено устройство для резкого охлаждения катанки, а перед станом размещен индуктор для нагрева заготовки перед прокаткой. 1 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Литейно-прокатный агрегат, содержащий установленные последовательно плавильную печь и миксер со средствами формирования в них восстановительной атмосферы, промежуточную емкость, кристаллизатор роторного типа, формообразующая полость которого образована выточкой трапециевидного сечения в бандаже и охватывающей его по дуге окружности с центральным углом 110 - 130^o бесконечной лентой, зону вторичного охлаждения, выполненную в виде форсунок, и прокатный стан с черновыми клетями, отличающийся тем, что он снабжен устройством для модифицирования подаваемого в кристаллизатор расплава, устройством для нагрева непрерывной заготовки перед подачей ее в прокатный стан и устройством для ее охлаждения перед чистовой клетью прокатного стана, при этом диаметр бандажа кристаллизатора составляет не менее 1,55 м, отношение большего основания выточки бандажа к ее высоте 1,78 1,88, протяженность зоны вторичного охлаждения длину дуги 50 54^o, а промежуточная емкость имеет средства ее нагрева и создания в ней восстановительной атмосферы. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что между миксером и промежуточной емкостью установлена емкость для легирования расплава с механизмом для подачи легирующих элементов, со средствами ее нагрева и создания в ней восстановительной атмосферы.