СПОСОБ ПРЯМОГО ЛИТЬЯ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В НЕПРЕРЫВНУЮ ПОЛОСУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B22D11/06 

Изобретение относится к способу и устройству для бесслиткового литья металлических сплавов из расплавленного металла при получении непрерывного листа или полосы. Более конкретно, изобретение связано с подачей расплавленного металла от выходного конца разливочного резервуара около верха поверхности валка для формирования непрерывной полосы требуемой толщины.

При обычном производстве металлической полосы такие способы могут включать этапы литья расплавленного металла в слиток или болванку, или в форме плоской заготовки (сляба), затем они обычно включают стадии горячей прокатки и холодной прокатки, а также травление и отжиг на любых различных стадиях процесса для получения требуемой окончательной толщины и качества полосы. Стоимость получения непрерывной полосы, в частности при калибрах в состоянии после литья в диапазоне от 0,010 до 0,160 дюйма (от 0,025 до 0,40 см), может быть снижена путем исключения некоторых этапов изготовления в общепринятых способах. Полоса в состоянии после процесса литья может быть обработана обычным способом путем холодной прокатки, травления и отжига при различных конечных калибрах таких малых толщин, как фольга, например, от 0,001 до 0,12 дюймов (от 0,025 до 0,30 см).

Существует широкое разнообразие известных способов и устройств для получения полосы бесслитковым литьем. Типично такие способы представляют те из них, которые включают распыление расплавленного металла через измерительное сопло поперек зазора на быстро перемещаемую закаливающую поверхность, например зубчатую ступицу или непрерывный ремень; способы частичного погружения вращающейся закаливающей поверхности в резервуар с расплавленным металлом; способы, которые используют горизонтально связанные рамки в качестве закаливающих подслоев, над которыми проходит поток расплавленного металла для его отвердевания; и способы вертикального литья со сдвоенными валками, имеющими резервуар с расплавленным металлом между ними. Бесслитковое литье металлов через сопло давно пытались использовать для промышленного производства полосы с хорошим качеством и структурой, но с малым успехом для получения кристаллической металлической полосы.

Не так давно были предложены другие процессы бесслиткового литья, однако они не были достаточно разработаны для промышленных процессов. Так, например, был предложен процесс изготовления холоднокатаной полосы или листа из аустенитной нержавеющей стали путем использования установки для непрерывного литья, в которой стенка расплава литья перемещается синхронно с отливаемой полосой, а после этого поверхностный слой подвергают прокатке, как это описано в патенте США N 5045124, опубликованном 3 сентября 1991 г. Другой процесс описан в международной заявке N PCT/US 88/04641, поданной 29 декабря 1988 г. и опубликованной 10 августа 1989 г., который использует оборудование для литья металлической полосы с нижней полуформой, где расплавленный металл доставляют от разливочного резервуара к отдельной поверхности кокеля, так что полоса имеет неотверденную верхнюю поверхность, которая контактирует с верхним валком, расположенным на расстоянии, приблизительно равном толщине полосы, и имеющем температуру, которая не будет приводить к отвердению верхней поверхности металла, подвергаемого литью. Специфическое промежуточное оборудование, имеющее направляющие перегородки сбрасывания потока, описано в международной заявке N PCT/US88/04643, поданной тогда же и опубликованной 19 октября 1989 г. Те же самые способ и устройство также описаны в другой международной заявке PCT/US90/01211, поданной 14 марта 1990 г. и опубликованной 20 сентября 1990 г., помимо этого описывающей и поверхность кокеля с пазами.

Другой способ предназначен для бесслиткового литья расплавленного металла от выходного конца разливочного резервуара на движущуюся поверхность литья для формирования непрерывной полосы кристаллического металла, который использует поверхностное натяжение расплавленного металла для формирования верхней, краевой и нижней поверхностей полосы с хорошим качеством поверхности, краями и структурой. Соответствующее устройство включает разливочный резервуар, имеющий приемный конец для расплавленного металла и выходной конец, от которого полностью обработанный однородный поток расплавленного металла проходит через структуру U-оразной формы к движущейся поверхности литья. Патент N 4678719, опубликованный 7 июля 1987 г., решает многие проблемы, связанные с известными способами и устройствами бесслиткового литья, такими как, например, были описаны выше. Патент США N 4715428, опубликованный 29 декабря 1987 г., описывает соответствующий способ лучевого охлаждения расплавленного металла на выходном конце резервуара.

Тем не менее все еще актуальна разработка способа и устройства, приемлемых в промышленном производстве, для бесслиткового литья полосы, качество поверхности которой сопоставимо либо выше этого качества для обычно изготавливаемых полос. Такие способ и устройство могли бы обеспечить изготовление листа или полосы, имеющих однородную толщину и плоскостность, а также гладкие верхнюю и нижнюю поверхности при отсутствии пористости в листе. Более того, способ и устройство могли бы минимизировать или исключить любое повреждение при обращении с полосой после отделения от поверхности литья, а также они должны быть пригодны для литья непрерывной полосы при калибрах в диапазоне от 0,010 до 0,160 дюймов (от 0,025 до 0,40 см). Полоса при бесслитковом литье должна обладать хорошим качеством поверхности, краями и структурой, а также свойствами, по меньшей мере такими же, как и обычные полосы, получаемые литьем, и приемлемыми для литья углеродистых сталей и нержавеющих сталей.

В соответствии с изобретением описан способ бесслиткового литья расплавленного металла для непрерывной полосы кристаллического материала. Данный способ включает управление подачей расплавленного металла к разливочному резервуару, которое обеспечивает поступление расплавленного металла с однородным потоком и температурой, свободная верхняя поверхность которого от выходного конца резервуара в основном горизонтальна относительно соседней поверхности литья. Эту поверхность перемещают в общем случае в верхнем направлении мимо выходного конца резервуара, а сама поверхность литья включает отдельную поверхность цилиндрического валка, который вращается относительно его продольной оси, установленной горизонтально, для обеспечения первоначального охлаждения для отвердения расплавленного металла. Выходной конец разливочного резервуара установлен вблизи валка таким образом, что уровень расплавленного металла на выходном конце резервуара расположен около гребня валка. Данный способ включает отделение полосы литья в основном горизонтально от области вблизи гребня поверхности валка, когда полоса является полутвердой, имея неотвердевшую верхнюю поверхность, а затем обеспечивает вторичное охлаждение непрерывно разливаемой полосы на транспортирующем узле после удаления полосы от поверхности литья с целью отвердения этой полосы.

Устройство для бесслиткового литья расплавленного металла с получением непрерывной полосы кристаллического материала содержит подвижную поверхность литья, разливочный резервуар, узел управления поступлением расплавленного металла к разливочному резервуару, узел для отделения полосы в полутвердой форме от поверхности валка и узел для транспортирования удаленной полутвердой полосы при завершении процесса ее отвердевания. Поверхность литья включает отдельную поверхность цилиндрического валка, вращаемого относительно его продольной оси, установленной горизонтально, для обеспечения первоначального охлаждения расплавленного металла. Выходной конец разливочного резервуара имеет ширину, приблизительно соответствующую ширине полосы, которая должна быть подвергнута литью, и он расположен в непосредственной близости от поверхности литья, в результате чего уровень расплавленного металла на выходе близок к гребню поверхности валка. Устройство включает средства для подержания в основном однородного потока и температуры расплавленного металла на выходном конце. Узел для отделения полосы в горизонтальной полутвердой форме расположен около гребня валка, как и средства для обеспечения вторичного охлаждения удаленной полосы при завершении отвердевания. Также предусмотрен узел для транспортирования полосы в основном горизонтально от сепаратора в процессе завершения отвердевания этой полосы.

На чертеже показана схема устройства для литья полосы в соответствии с настоящим изобретением.

Чертеж иллюстрирует разливочный резервуар 18 для бесслиткового литья расплавленного металла на поверхность 24 литья при получении непрерывного изделия в виде полосы или в форме листа 30. Расплавленный металл 22 поступает от резервуара (не показан) в различный резервуар 18 через сталеразливочный стакан 20, предпочтительно полупогруженное сопло ввода (ПСВ). Стопорные стержни либо направляющие запорные механизмы (не показаны), или другие подходящие средства могут контролировать поток расплавленного металла к разливочному резервуару 18, например, через сливной желоб или сопло 20. Разливочный резервуар 18 показан установленным горизонтально, имея приемный конец и выходной конец, расположенный в непосредственной близости от поверхности 24 литья.

Подача расплавленного металла 22 к разливочному резервуару 18 может быть осуществлена любыми известными способами и устройствами, например, при помощи резервуаров, промежуточных разливочных ковшов или насосов расплавленного металла.

Поверхность 24 литья может представлять собой отдельное зубчатое колесо или одно из сдвоенных зубчатых колес либо валиков. Состав этой поверхности может быть критичным к отливаемой металлической полосы, однако это не является предметом настоящего изобретения, хотя некоторые поверхности могут обеспечивать лучшие результаты, чем другие. Способ и устройство в соответствии с изобретением успешно использовались с поверхностями литья из меди, углеродистой стали и нержавеющей стали. Поверхность литья включает отдельную поверхность цилиндрического валка, вращаемого относительно его продольной оси, которая расположена в основном горизонтально.

Важно, что поверхность литья проходит мимо разливочного резервуара с контролируемыми скоростями и она может обеспечивать требуемые скорости закалки для выделения достаточного тепла при инициировании первоначального отвердения расплавленного металла в форме полосы. Поверхность 24 литья проходит мимо разливочного резервуара 18 при скоростях, составляющих от 20 до 500 футов в минуту (от 6 до 152,4 м/мин), предпочтительно от 50 до 300 футов в минуту (от 15,2 до 91,4 м/мин), которые достаточны для промышленного производства кристаллических металлов. Действительная скорость литья играет важную роль для толщины полосы и она должна быть сбалансирована с другими факторами в соответствии с настоящим изобретением. Поверхность 24 литья должна быть достаточно охлажденной для обеспечения закалки расплавленного металла с выделением тепла из него при начале твердения полосы в кристаллическую форму. Скорости закалки, обеспечиваемые поверхностью 24, составляют менее 10000^oC в секунду и в типовом случае менее 2000^oC в секунду. Подобные местные скорости охлаждения оценивались при дендритных измерениях в микроструктуре полосы литья. Хотя скорости охлаждения изменяются по толщине полосы, полная или средняя скорость охлаждения должна составлять по порядку 2000^oC в секунду или менее.

Одним важным аспектом поверхности литья является то, что она имеет направление перемещения вверх мимо выходного конца разливочного резервуара 18 и свободную поверхность в резервуаре расплавленного металла на выходном конце. Свободная поверхность резервуара расплавленного металла на выходном конце необходима для достижения хорошего качества верхней поверхности полосы литья. "Свободная" означает, что верхняя поверхность расплавленного металла не стеснена структурой, т. е. не контактирует со структурой резервуара, валками и тому подобное и способна определять свой собственный уровень на выходном конце разливочного резервуара 18.

Другой важной особенностью является то, что разливочный резервуар 18 расположен вблизи валка 24 литья, так что внутренняя нижняя поверхность 27 резервуара 18 расположена в основном горизонтально и ниже гребня валка. При помощи такого расположения резервуара в непосредственной близости от положения в верхнем квадранте колеса литья свободная поверхность ванны расплавленного металла на выходном конце разливочного резервуара 18 представлена около гребня колеса литья. Это означает, что уровень ванны на выходном конце резервуара 18 может быть немного ниже, немного выше или на гребне валка литья. Было установлено, что это существенно для обеспечения однородной толщины, отсутствия дефектов в литье, отсутствия пористости и плоскостности, а также гладкой верхней поверхности изделия в виде непрерывно отлитой полосы.

Разливочный резервуар 18 может иметь различную форму, однако его выходной конец должен быть U-образной формы, имея нижнюю сторону, две боковые стороны и ширину, приблизительно равную ширине полосы, которая должна быть подвергнута литью. Разливочный резервуар 18 может быть снабжен подпорами, порогами или ловушками 39, как показано на чертеже, для демпфирования и отражения потока расплавленного металла 22 при обеспечении однородного, полностью обработанного потока, на выходном конце разливочного резервуара 18. Предпочтительно выходной конец резервуара 18 является относительно мелким по сравнению с входным концом 25 резервуара 18. Было установлено, что относительно глубокий входной конец 25 обеспечивает сглаженный однородный поток расплавленного металла над внутренней поверхностью 27 и на поверхности литья. Как описано в патенте США N 4678719, расплавленный металл на выходном конце имеет верхнее поверхностное натяжение, а расплавленный металл, покидающий резервуар, имеет краевое поверхностное натяжение, которое формирует, отчасти, верх и края соответственно полосы 28 литья. Нижняя поверхность сформирована за счет поверхностного натяжения в форме мениска между нижней внутренней поверхностью U-образной структуры и поверхностью 24 литья.

Важная особенность настоящего изобретения заключается в однородной температуре расплавленного металла на выходном конце резервуара 18. Однородность температуры может быть достигнута путем должного предварительного нагревания и изолирования совместно с получением однородного потока. В качестве альтернативы может быть использован узел нагревания 38, например, нагревательные элементы и тому подобное на выходном конце резервуара 18.

Другой особенностью способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением является отделение полосы литья в основном горизонтально от области гребня или короны поверхности 24 валка, когда полоса 28 является полутвердой, т.е. имеет неотвердевшую верхнюю поверхность. Как показано на чертеже, узел 32 сепаратора размещен около гребня валка 24 в основном горизонтально, когда поверхность литья перемещается вверх мимо выходного конца разливочного резервуара 18. Такой сепаратор 32 выполнен обычным образом, например, в виде лезвия или воздушного реактивного стриппера, для удаления полосы от поверхности литья и для минимизации времени контакта с колесом. Важно, что большая часть либо все сепараторы 32 расположены в основном горизонтально для сведения к минимуму повреждений при манипулировании с полосой при разделении, поскольку она имеет полутвердую форму, т.е. имеет не твердую верхнюю поверхность с первоначальным отвердением нижней поверхности благодаря контакту с колесом литья. Было обнаружено, что при негоризонтальном расположении сепаратора существует тенденция протекания полутвердой верхней поверхности полутвердой полосы литья при скорости, отличной от скорости всей полосы. Например, направленное вниз разделение может привести к прохождению нетвердой верхней поверхности с большей скоростью в нижнем направлении, чем скорость полосы. Это условие может привести к адекватной, но определенной степени ухудшения качества верхней поверхности полосы в процессе полного отвердения. Разделение в верхнем направлении может привести к аналогичной потере качества по противоположным причинам.

Было установлено, что разделение полосы должно возникать в пределах 20^o от гребня валка литья, предпочтительно в пределах 15^o и более предпочтительно в пределах от 10 до 15^o от гребня. Кроме того, разделение предпочтительно производится на нисходящей боковой стороне гребня валка. Манипулирование полутвердой полосой в соответствии с настоящим изобретением позволяет избежать серьезных повреждений изделия, обусловленных собственным ослаблением натяжения полутвердой полосы. Горизонтальное разделение минимизирует гравитационное растяжение, в противном случае падение полосы под собственным весом при ее перемещении в нижнем направлении от гребня или короны колеса.

В комбинации с разделением полутвердой полосы от поверхности литья предпочтительно настоящий способ обеспечивает в основном горизонтальное транспортирование полутвердой полосы. Отвердение завершают после удаления от поверхности 24 литья и в процессе транспортирования над сепаратором 32 и транспортирующим узлом 34. В типовом случае транспортирующий узел 34 выравнен или выполнен за одно целое с сепаратором 32. Общее требование к транспортирующему узлу 34 состоит в том, что он вносит малое трение или обеспечивает отсутствие трения для транспортируемой полосы. Идеально отсутствуют чистые усилия на полутвердую полосу в плоскости этой полосы при ее отвердевании. На практике малые величины напряжений растяжения или сжатия, вероятно, используются при манипулировании полосой на транспортирующем узле 34. Величина усилия, если оно возникает, не может быть измерена. Хотя настоящее изобретение предполагает в основном отсутствие чистых усилий на полутвердую полосу, малые величины растяжений или сжатий могут быть использованы в зависимости от состава сплава, подвергаемого литью. При предпочтительном транспортировании полутвердой полосы в основном горизонтально с малым трением или отсутствием трения обеспечивают твердую полосу с хорошим качеством.

В альтернативном случае синхронизация нисходящих прижимных валков (не показаны) на отвердевшей полосе могла бы быть достаточной для устранения разрыва или повреждения полутвердой полосы в верхней части, обусловленного гравитационными усилиями при перемещении полосы в нижнем направлении.

Также предусмотрены средства для вторичного охлаждения непрерывно отливаемой полутвердой полосы после ее удаления от поверхности литья. В одном предпочтительном примере осуществления изобретения полутвердую полосу охлаждают при помощи соответствующей газовой атмосферы выше расплавленного металла на выходном конце резервуара 18, выше сепаратора 32 и выше транспортирующего узла 34. Атмосфера может быть по желанию инертной, восстановительной или окисляющей.

В другом предпочтительном примере осуществления изобретения может быть использовано лучевое охлаждение выше полутвердой верхней поверхности полосы для выделения тепла. Подобное лучевое охлаждение, использующее панель охлаждающих трубок (не показаны), может быть использовано в комбинации с газовой атмосферой.

В другом предпочтительном примере осуществления изобретения вторичное охлаждение может быть обеспечено путем контактирования верхней полутвердой поверхности удаленной полутвердой полосы с вращающимся валком 36 выше полосы. Предпочтительно валок 36 имеет такую же ширину, как и полоса литья. Дополнительными преимуществами такого валка 36 является участие в получении гладкой верхней поверхности отвердевшей полосы и его использование как дополнительного средства для контроля полной толщины и толщины от края к краю полосы. Предполагается, что могут быть использованы в комбинации любое одно или несколько вторичных охлаждающих средств.

Способ и устройство в соответствии с изобретением могут также включать средства для поддержания атмосферы, температуры и состава на выходном конце разливочного резервуара вблизи поверхности литья для контроля процесса отвердевания. В частности, устройство может содержать корпус 40, в пределах которого размещены подвижная поверхность 24 литья, разливочный резервуар 18 и узел для подачи расплавленного металла к разливочному резервуару, например сопло 20. Основная цель использования такого корпуса состоит в контроле атмосферы и температуры, окружающих расплавленный металл 22 в разливочном резервуаре 18, а также неотвердевшую верхнюю поверхность полосы 28 литья. В зависимости от подвергаемых литью сплавов или металлов может быть желательным обеспечить инертные атмосферы, например аргоновую атмосферу, в непосредственной близости от расплавленного металла. Более того, при адекватной изоляции или охлаждения корпуса 10 температура атмосферы могла бы воздействовать на общее выделение тепла и отвердение полосы 30. Корпус может быть также расположен в непосредственной близости от поверхностей расплавленного металла, например, для контроля окисления и отвердевания.

Хотя и отсутствуют соответствующие теоретические предпосылки, предполагается, что отвердение расплавленного металла, покидающего выходной конец разливочного резервуара 18, начинается с расплавленного металла, контактирующего с поверхностью 24 литья, когда он выходит из нижней части отверстия U-образной формы на выходном конце колеса 18. Поверхность литья обеспечивает первичное охлаждение нижней части расплавленного металла, доступной для поверхности литья на выходном конце разливочного резервуара 18. Толщина полосы сформирована путем регулирования и контроля уровня расплавленного металла 22, покидающего выходной конец разливочного резервуара 18. Такой резервуар расплавленного металла, как предполагается, формирует часть толщины полосы с частью этой толщины, возникающей от расплавленного металла, отвердевшего напротив поверхности 24 литья. Скорость литья и глубина резервуара металла совместно являются важными факторам для определения длительности пребывания металла на поверхности литья и полученной толщины полосы. Большая толщина может быть получена путем повышения уровня расплавленного металла на выходном конце резервуара 18 или понижения скорости литья. В зависимости от толщины отливаемой полосы будет изменяться величина толщины полосы, отвердеваемой на поверхности литья, а также отвердеваемой полосы разделения. Для более тонкой полосы, например, менее 0,050 дюйма (0,127 см) предполагается, что нетвердая верхняя поверхность полутвердой полосы не может превышать 30% общей толщины полосы. Для более толстой полосы нетвердая верхняя поверхность, по видимому, составляет большую величину, может быть до 50% от общей толщины полосы. Практический предел нетвердого процентного содержания толщины проявляет зависимость от возможностей манипулирующих систем, например сепаратора 32 и транспортирующего узла 34, а также сплава и температур плавления, связанных с отливаемой полосой.

По видимому, комбинация скорости литья, литья вблизи колеса, поддержания свободной поверхности уровня расплавленного металла около гребня колеса, в основном горизонтального удаления полутвердой полосы от области гребня колеса и в основном горизонтального транспортирования полосы обуславливает однородную толщину и плоскостность изготовленной полосы, а также хорошее качество поверхности и общую толщину. Контролируемое время пребывания полосы литья на валке (колесе) обеспечивает более однородное общее охлаждение полосы по ее толщине, тем самым создавая первоначальное отвердение нижней поверхности полосы для получения некоторой структурной целостности расплавленного металла в качестве формы полосы.

Хотя способ в соответствии с изобретением предполагается для работы с поверхностями валка литья различных размеров, было установлено, что колесо относительно малого диаметра действует удовлетворительно при использовании с другими особенностями настоящего изобретения. Такое малое колесо может иметь диаметр менее 24-х дюймов. Такое колесо малого диаметра при использовании в сочетании с другими особенностями настоящего изобретения приводит к контролируемому, но минимальному времени пребывания полосы литья на колесе. Существуют практические причины для управления временем пребывания на поверхности литья. Меньшие времена пребывания сводят к минимуму проблемы качества нижней поверхности полосы, обусловленные, например, захваченными газами и другими причинами. Использование такого малого колеса, какое возможно, также имеет практические преимущества, например полоса литья более легко отделяется от поверхности литья из-за тангенциальных углов. Выходной конец резервуара 18 может быть более просто сформирован для соответствия с формой поверхности литья. Более того, минимальны разностные термические расширения поверхности литья и резервуара.

Способ и устройство предназначены для бесслиткового литья расплавленного металла в непрерывную полосу кристаллического материала при помощи управления подачей расплавленного металла к разливочному резервуару, установленному в основном горизонтально к соседней движущейся поверхности валка литья, при этом уровень расплавленного металла на выходном конце разливочного резервуара расположен около гребня валка литья, отделения полутвердой отливаемой полосы осуществляют в основном горизонтально от области гребня валка и обеспечивают вторичное охлаждение при транспортировании отделенной полосы. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ прямого литья расплавленного металла в непрерывную полосу, включающий регулируемую подачу расплава металла в разливочный резервуар для подачи расплава от его выходного конца с постоянным расходом и температурой на примыкающую литейную поверхность, приведение ее в движение по направлению потока расплава от выходного конца разливочного резервуара, причем литейная поверхность образована цилиндрической поверхностью вращающегося вокруг своей оси горизонтально расположенного литейного валка, охлаждение расплава металла на литейном валке и отделение от его поверхности в полутвердом состоянии с незатвердевшей верхней поверхностью, отличающийся тем, что разливочный резервуар устанавливают, примыкая к литейному валку, поддерживая на выходе из разливочного резервуара верхний уровень расплава металла вблизи вершины гребня валка, расплав со свободной верхней поверхностью подают на литейный валок горизонтально, поддерживая поверхностное натяжение его верхней, нижней и боковых поверхностей на выходе из резервуара, отделение осуществляют почти горизонтально вблизи вершины гребня литейного валка, а после отделения осуществляют дополнительное вторичное охлаждение непрерывно отливаемой полосы.