СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ ПОЛЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1997 года по МПК B22D11/00 

Изобретение относится к линейному производству, в частности к непрерывной разливке металлов.

Широко известен способ полунепрерывного вертикального литья труб, включающий заливку жидкого металла в кольцевое пространство между наружным и внутренним кристаллизаторами стержнем, извлечении затвердевающей заготовки [1, 2]
Общие недостатки, присущие полунепрерывному вертикальному литью труб, заключаются в следующем.

1. Жесткие требования к технологии разливки: строго заданная температура подаваемого в кристаллизатор металла, колебания уровня расплава в кристаллизаторе допускаются в пределах 5 10 мм от верхней отметки, равномерная заливка металла по периметру кристаллизатора, повышенные требования к охлаждению кристаллизатора, согласование скорости заливки металла и вытягивания заготовки.

2. Наличие холодных и горячих трещин, газовых раковин в заготовке, надрыв корочки.

3. Ограниченная толщина стенки трубы, составляющая 7 30 мм.

Наиболее близким к предложенному способу является способ получения двухслойной трубы [3] включающей заливку одного расплава на другой, причем полую цилиндрическую струю расплава подают при температуре, лежащей в интервале между точками ликвидуса и солидуса, в полость струи нагнетают аэрозоль, а на внешнюю поверхность подают коаксиально струю более легкоплавкого расплава, струю легкоплавкого расплава кристаллизуют, подавая на нее внешнюю поверхность коаксиально охлаждающую жидкость с точкой кипения, превышающей температуру теплового равновесия струй, а указанным струям сообщают одинаковые вдоль оси трубы линейные скорости.

Недостатками известного способа [3] является возможность получения только двухслойной трубы с ограниченной толщиной стенок, трудности управления процессом затвердевания на границе двух металлов за счет отсутствия необходимого давления их обжатия.

Заявляемый способ направлен на создание высокопроизводительного и ресурсосберегающего процесса получения непрерывнолитных полых биметаллических заготовок.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа заключается в следующем:
получении биметаллических полых заготовок с произвольной формой внутренней и наружной поверхности, различной толщины;
улучшении качества внутренней и наружной поверхности получаемой заготовки;
повышении производительности процесса получения заготовок.

Заявляемый способ характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: подача основного металла в пространство между гранями кристаллизатора и установленным в нем стержнем; введение вдоль стержня дополнительного металла, более легкоплавкого по сравнению с основным; совместное затвердевание металлов; калибровка поверхности полой биметаллической заготовки и ее вытягивание.

Отличительные признаки: дополнительный металл вводят в виде двух лент; сообщают паре вертикальных граней кристаллизатора возвратно-поступательное перемещение, а противоположной паре наклонных граней вращательное перемещение; обжатие на стержне вводимых лент и основного металла; количество основного металла П_m и количество дополнительного металла П_л составляет, соответственно, П_м 2,5 440% и П_л 60 97,5% общей массы получаемой биметаллической заготовки.

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

Введение дополнительного металла в виде двух лент вдоль стержня в кристаллизатор обеспечивает равномерное обжатие основного металла и лент по периметру стержня и возникновение прочного биметаллического соединения.

Сообщение паре вертикальных граней кристаллизатора возвратно-поступательного перемещения исключает приваривание к ним металла и уменьшает усилие, необходимое для проталкивания заготовки вниз кристаллизатора.

Сообщение противоположной паре наклонных граней кристаллизатора вращательного движения обеспечивает условие захвата, обжатия и проталкивания основного металла и лент вниз кристаллизатора. При этом отпадает необходимость наличия дополнительного устройства для вытягивания заготовки, улучшается ее качество.

Изготовление поверхностей стержней и граней кристаллизатора необходимой конфигурации позволяет получать полые биметаллические заготовки произвольной формы и толщины.

Для наиболее распространенных биметаллических заготовок железо-алюминий, алюминий-свинец, медь-алюминий количество заливаемого жидкого металла и вводимой металлической ленты может быть определено по уравнению теплового баланса.

Для обеспечения надежного соединения деформируемого металла и вводимых лент температура ленты t_л должна быть не менее 0,5 температуры плавления металла ленты, то есть t_л ≥ 0,5 tлпл

[4]
Тепло заливаемого в кристаллизатор жидкого металла определяется по выражению:

где C_м удельная теплоемкость металла,
m_м массовый секундный расход разливаемого металла,
t_p температура разливаемого металла, определяется как t_р = tvпл + Δt, где Δt перегрев металла, r удельная теплота плавления металла tvпл температура плавления разливаемого металла.

Тепло охлаждения твердого металла определяется как:

tлпл

температура плавления ленты.

Сложив выражения (1) и (2) и учитывая, что 20% тепла отводится стенками кристаллизатора в систему охлаждения, получим выражение количества тепла отданного разливаемым металлом вводимой ленте:

Тепло, забираемое лентой, определяется как:

где C_л удельная теплоемкость металла вводимой ленты,
m_л массовый секундный расход ленты,
t₀ 20^oC начальная температура ленты.

Приравняв выражения (3) и (4), получим выражение для массового секундного расхода вводимой в кристаллизатор ленты в зависимости от расхода разливаемого металла:

Для определения доли подаваемого в кристаллизатор металла и ленты запишем выражение
m_м + m_л 1
Совместное решение уравнений (5) и (6) позволяет определить процентное содержание в получаемой заготовке разливаемого металла и металла ленты.

После подстановки в выражение (5) исходных данных для основных разливаемых металлов и металлов вводимых лент:
алюминия: t_пл 660^oC, C 896 Дж/ке ^oC, r 395 КДж/кг, Δt=60^°C;
меди: t_пл 1083^oC, C 383 Дж/кг ^oC, r 209,3 КДж/кг, Δt=67^°C;
железа: t_пл 1537^oC, C 452 Дж/кг ^oC, r 272 КДж/кг, Δt=13^°C;
свинца: t_пл 327^oC, C 129 Дж/кг ^oC, r 23 КДж/кг,
получим необходимое процентное содержание количества заливаемого в кристаллизатор жидкого металла П_м и количество металла вводимых лент П_л по отношению к массе получаемой заготовки.

Для биметалла железо-алюминий (лента):
П_м 30% П_л 70%
Для биметалла алюминий-свинец (лента):
П_м 2,5% П_л 97,5%
Для биметалла медь-алюминий (лента):
П_м 440% П_л 60%
В результате для основных получаемых биметаллических заготовок количество вводимой ленты составляет П_л 60 97,5% а разливаемого металла П_м 2,5 40% по отношению к общей массе получаемой биметаллической заготовки.

Увеличение процентного содержания количества металла вводимых в кристаллизатор лент П_л > 60 97,5% и П_м <2,5 40% приводит к захолаживанию металла, то есть не выполняется условие t_л > 0,5tлпл

а соответственно не обеспечивается надежное соединение деформируемого металла и вводимых лент.

Уменьшение процентного содержания количества металла вводимых лент П_л <60 97,5% и П_м > 2,5 40% с одной стороны, может привести к подпалавлению ленты и растворению обжимаемого металла, что уменьшает прочность заготовки на границе двух металлов, а с другой стороны, приводит к повышению тепловой нагрузки на кристаллизатор и стержень, в результате возникает необходимость повышения эффективности их охлаждения.

На фиг. 1 и 2 представлено устройство, предназначенное для реализации заявляемого способа, где: 1 разливочный ковш со стопором, 2 погружной стакан, 3 придерживающие стойки, 4 лента, 5 направляющий ролик, 6 - стержень, 7 кристаллизатор, 8 заготовка, 9 барабан с лентой, 10 - вертикальные грани кристаллизатора, 11 наклонные грани. Буквами A, B, C соответственно обозначено: A высота зоны жидкого металла в кристаллизаторе, B высота зоны обжатия, C высота калибровочного участка.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно в кристаллизатор вдоль стержней 6 заводятся до зоны обжатия B ленты 4 и вставляется в калибровочный участок C затравка, обеспечивающая сцепление с заливаемым металлом.

Поднимается стопор и жидкий металл 1 через погружной стакан 2 поступает в кристаллизатор 7 с размещенными в нем на стойках 3 стержни 6. После заполнения металлом зоны обжатия B, кристаллизатор включается в работу. При этом наклонные грани 11 совершают сложное вращательное движение с обжатием металла и его выталкиванием, а вертикальные грани 10 возвратно-поступательное движение. Одновременно с работой кристаллизатора включается привод барабанов 9 и подача ленты 4 через направляющий ролик 5 вдоль стержня 6. Для обеспечения равномерного обжатия затвердевающего металла в зоне B жидкий металл заполняет зону A и постоянно поддерживается в ней на заданной высоте. В процессе обжатия жидкого металла и лент 4 между гранями 10 и 11 со стержнем 6 происходит выталкивание формирующейся биметаллической заготовки на калибровочный участок C кристаллизатора, где заготовка приобретает определенную форму наружной и внутренней поверхности.

Источники информации
1. Хахалин Б.Д. Семко В.И. Смоляков А.Н. и др. Труболитейное производство. М. Металлургия, 1977, с. 244.

2. Тутов В. И. Гринберг В.А. Земсков И. В. Вертикальное непрерывное литье заготовок // Литейное производство. 1983, N 4, с. 28 29.

3. Авт. свид. СССР N 908488, кл. B 22 D 11/00. Способ получения двухслойной трубы и устройство для его осуществления /Копань В. С. Рево С. Л. опубл. 28.02.82. бюл. N 8.

4. Кипарисов С.С. Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. 3-е изд. перераб, М. Металлургия, 1991. с. 432.

Использование: область металлургии, конкретнее создание высокопроизводительного и ресурсосберегающего процесса получения непрерывнолитных полых биметаллических заготовок. Сущность изобретения: в способе получения непрерывнолитных полых биметаллических заготовок, включающем подачу основного металла в пространство между гранями кристаллизатора и установленным в нем стержнем, введение вдоль стержня дополнительного металла, более легкоплавкого по сравнению с основным, совместное затвердевание металлов, калибровку поверхности полой биметаллической заготовки и ее вытягивание, дополнительный металл вводят в виде двух лент, сообщают паре вертикальных граней кристаллизатора возвратно-поступательное перемещение, а противоположной паре наклонных граней - вращательное перемещение и осуществляют обжатие на стержне вводимых лент и основного металла, при этом количество основного металла П_м и количество дополнительного металла П_л составляет, соответственно, П_м = 2,5 - 40% и П_л = 60 - 97,5% общей массы получаемой биметаллической заготовки. 2 ил.

Способ получения непрерывнолитых полых биметаллических заготовок, включающий подачу основного металла в пространство между гранями кристаллизатора и установленным в нем стержнем, введение вдоль стержня дополнительного металла, более легкоплавкого по сравнению с основным, совместное затвердевание металлов, калибровку поверхности одной биметаллической заготовки и ее вытягивание, отличающийся тем, что дополнительный металл вводят в виде двух лент, сообщают паре вертикальных граней кристаллизатора возвратно-поступательное перемещение, а противоположной паре наклонных граней вращательное перемещение, и осуществляют обжатие на стержне вводимых лент и основного металла, при этом количество основного металла П_м и количество дополнительного металла П_л составляет соответственно П_м 2,5 40% и П_л 60 97,5% общей массы получаемой биметаллической заготовки.