СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ АДДИТИВНОЙ ФУТЕРОВКИ Российский патент 2021 года по МПК B22D41/02 B33Y10/00 

Область техники

Изобретение относится к области литейного, металлургического производства и теплоэнергетики, а именно к способам изготовления и обработки футеровки тепловых агрегатов, металлоплавильных и металлоразливочных устройств, электролизеров в алюминиевом производстве и других устройств, в том числе футеровки шлаковых чаш, сталеразливочных ковшей, индукционных печей, кислородных конвертеров и прочего оборудования металлургического производства (далее устройства) по аддитивной технологии с использованием 3D-принтеров.

Уровень техники

Футеровка - это внутренний или внешний защитный слой оборудования, который наносится на него в целях создания надежной защиты от влияния негативных факторов эксплуатационной среды.

В зависимости от целей назначения, футеровка может быть кислотоупорной, огнеупорной, теплоизоляционной, ударопрочной и иной.

В настоящее время наиболее распространенными способами футеровок металлоплавильных и металлоразливочных устройств являются: наборная (кирпичная шамотная) футеровка; набивная/заливная футеровка; футеровка в виде единого тигель/сегментной футеровки, футеровка, выполненная методом торкретированием бетона.

Кирпичная футеровка является широко применяемой традиционной футеровкой, но обладает целым рядом недостатков: необходимость частой смены футеровки, трудоемкость процесса футеровки, долгий процесс сушки и монтажа.

Сегментная футеровка позволяет сэкономить время её монтажа, применяется при общем весе футеровки свыше тонны, но наличие швов, как и в случае традиционной кирпичной футеровки уменьшает ресурс.

Футеровки в виде готового тигеля - это полностью готовая к применению футеровка, которая вставляется непосредственно в устройство. Преимущества данного вида футеровки по сравнению с другими технологиями: использование формованных футеровок даёт значительное сокращение времени футеровки; отпадает необходимость в долговременной сушке футеровок по сложному графику, нет необходимости использовать шаблоны, смесители и т.д., снижается зависимость качества футеровки от человеческого фактора, так как качество формованной футеровки гарантирует производитель.

Однако футеровка в виде единого тигеля, устанавливаемого в устройство, не всегда применима в связи с постепенной эксплуатационной деформацией самих устройств. Кроме того, изготовление и монтаж тигелей больших размеров (свыше тонны) не удобны.

Технология выполнения набивной футеровки включает в себя установку в ковш специального шаблона с последующей набивкой огнеупорной массой.

Технология выполнения заливной футеровки включает в себя установку в ковш специального шаблона с дальнейшей закладкой жидкой массы в шаблон, которая под действием силы тяжести и вибрации заполняет форму. После затвердевания материала шаблон удаляется и происходит сушка по заданному температурному режиму.

Преимущества набивной и заливной футеровок по сравнению с кирпичной шамотной футеровкой: снижение времени подготовки ковша, увеличение стойкости футеровки в 2 и более раза, повышение технологичности подготовки устройства к эксплуатации.

Нанесение футеровки с помощью торкрет-установок технологично и позволяет формировать футеровки больших линейных размеров, в т.ч. по толщине, за счёт нанесения нескольких слоёв торкретбетона, однако тоже имеет ряд недостатков, таких как: сложность получения равномерного по толщине слоя футеровки, необходимость подготовительного армирования при формировании значительного по толщине рабочего слоя.

Для обеспечения минимальных тепловых потерь и высокой стойкости при относительно небольшой массе применяются многослойные тонкостенные футеровки. Трёхслойная футеровка состоит из теплоизоляционного (выравнивающего), арматурного и рабочего слоёв, выполняемых из различных материалов, определяющих конструкцию футеровки днища и стен в соответствии с условиями эксплуатации металлоплавильных и металлоразливочных устройств.

Известные традиционные способы не позволяют технологично формировать эти слои, изготавливать монолитную футеровку с точно заданной геометрией и толщиной покрытий.

Основой технологии 3D-печати являются принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта, в результате которой объект формируется путем послойной укладки строительного материала на высоту сформированного слоя, до создания заданной геометрии изделия полностью, соответствующей компьютерной 3D-модели.

В технологии трехмерной печати изделий могут использоваться различные материалы: металлические и керамические порошки, жидкие смолы, воск, пластик, различные листовые материалы, композитные материалы (из соединений целлюлозы, специальных волокон и других добавок, смесь литейного песка и добавок), строительные смеси на основе цемента, гипса, шамотной глины.

Во всех известных случаях, независимо от конструкции принтера (портальная, с угловыми координатами на базе роботов-манипуляторов), принтеры оснащены экструдерами, позволяющими одновременно подавать смеси, накапливать смесь, дозировать её с применением исполнительных устройств на базе ЧПУ, при необходимости вводить различные добавки непосредственно в экструдер, исключать самопроизвольное вытекание строительной смеси запорным клапаном, подмешивать строительную смесь в ёмкости экструдера во избежание расслаивания и комкования смеси, использовать различные по своим характеристикам и назначению смеси.

Из уровня техники известно изготовление футеровок традиционными способами, например, изготовление футеровки сталеплавильного конвертера из кирпича (см. [1] патент РФ №2291902, МПК C21C 5/44, опубл. 20.03.2013). В опубликованном патенте представлено описание последовательности и устройства футеровки путём выкладки теплоизоляционного слоя, арматурного слоя и рабочего слоя кирпичами из различных огнеупорных материалов.

Недостатками данного аналога являются:

- трудоёмкость процесса футеровки и влияние «человеческого фактора» в результате применения ручного труда;

- долгое время проведения кирпичной кладки футеровки, что влияет на длительность простоя устройства на ремонте;

- неоднородность футеровки, вызванной наличием стыков между кирпичами, заполненных огнеупорными составами, часто неуплотнёнными и рыхлыми по структуре, что влияет на количество циклов и ресурс;

- низкая износостойкость футеровки;

- низкая адгезия между корпусом устройства, теплоизоляционным, арматурным и рабочим слоями;

- сложность контроля геометрии футеровки;

- сложность изготовления и интеграции коммуникаций металлоплавильных и металлоразливочных устройств.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является способ изготовления футеровки сталеразливочного ковша (см. [2] патент РФ №2558703, МПК B22D 41/02, опубл. 08.10.2013). В патенте представлено описание способа изготовления монолитной футеровки методом торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя. В данном решении предложено нанесение только рабочего слоя футеровки.

Недостатками прототипа являются:

• не предусмотрено изготовление монолитных теплоизоляционного и арматурного слоёв;

• изготавливается только футеровка цилиндрических поверхностей устройств (стенок) и невозможно изготовить монолитное дно устройства;

• невозможно изготовить сложные по конфигурации выступы и каналы;

• можно регулировать толщину футеровки, но невозможно изготовить футеровку с разной толщиной в разных местах устройства;

• невозможно использовать различные материалы для изготовления различных слоёв футеровки: теплоизоляционного, арматурного и рабочего.

• поверхность футеровки не гладкая

• материал футеровки вблизи поверхности не уплотнённый

Сущность изобретения

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является устранение недостатков аналогов и расширение функциональных возможностей.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности геометрии и размеров изготавливаемой футеровки, значительное увеличение скорости изготовления футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств, автоматизация процесса футеровки, возможность быстрой переналадки оборудования (3D-принтера) для футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств разной геометрии, возможность непрерывного последовательного проведения футеровки теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоёв различными материалами, возможность устройства футеровки разной толщины в разных местах устройства, возможность уплотнения футеровки, возможность уплотнять и заглаживать поверхность футеровки.

Согласно изобретению, техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ изготовления и обработки аддитивной футеровки включает формирование теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки для металлоплавильного или металлоразливочного устройства, причем нанесение и формирование слоев футеровки выполняют послойным торкретированием смесей, соответствующих по своему составу укладываемому слою, с помощью 3D-принтера, последовательно экструдируя смеси из печатающей головки 3D-принтера и укладывая послойно, формируя заданную геометрию футеровки устройства с помощью управляющего кода и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.

При формировании футеровки принтером проводится заглаживание и уплотнение поверхностного слоя, что увеличивает ресурс футеровки.

Заглаживание может проводится заглаживающими лопатками или валиком. При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что при формировании теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки применяют состав смеси, соответствующий составу слоя, смену которых в печатающей головке 3D-принтера осуществляют автоматически при помощи заранее заданной компьютерной модели, в результате чего образуют монолитную конструкцию футеровки.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что посредством компьютерного 3D-моделирования изготавливают футеровки различной толщины в разных частях металлоплавильных и металлоразливочных футеровках устройств в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью 3D-принтеров (высокоточного ЧПУ-оборудования) изготавливают футеровки с высокой геометрической точностью.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью 3D-принтеров по заданной 3D-модели изготавливают сложные по своей геометрии выступы и каналы в футеровке устройств в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки индукционной сталеплавильной печи.

На фиг. 2 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки кислородного конвертера.

На фиг. 3 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки сталеразливочного ковша.

На фигурах обозначены следующие позиции.

1 – 3D-принтер для печати футеровки методом торкретирования (послойного набрызга);

2 - индукционная сталеплавильная печь;

3 - кислородный конвертер;

4 - сталеразливочный ковш;

5 - теплоизоляционный слой футеровки;

6 - арматурный слой футеровки;

7 - рабочий слой футеровки.

8 - механизм для уплотнения и заглаживания поверхности в виде прикатывающего валика.

9 - механизм для уплотнения и заглаживания поверхности в виде заглаживающих лопаток

10 - экструдер принтера, наносящий смеси методом торкретирования (послойного набрызга).

Осуществление изобретения

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки включает формирование теплоизоляционного (5), арматурного (6) и рабочего слоев (7) футеровки для металлоплавильного или металлоразливочного устройства с помощью 3D-принтера.

Изготовление (печать) футеровки с помощью 3D-принтеров, например, строительных, по аддитивной технологии (технологии послойного нанесения в данном случае методом торкретирования) позволяют формировать теплоизоляционные, арматурные и рабочие слои металлоплавильных и металлоразливочных устройств из различных материалов, применяемых в этих слоях, с точно заданной геометрией футеровки, необходимыми толщинами слоёв, позволяет автоматизировать процесс футеровки, значительно сократить время и влияние «человеческого фактора».

Для печати теплоизоляционного (выравнивающего) слоя можно применять, но не только: шамотноглинистые или кварцеглинистые порошки, увлажнённые до 7-10%. Материал для печати наносится послойно методом торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя на всю внутреннюю поверхность устройства. Выравнивание поверхности (в случае неидеальной геометрии металлоплавильных и металлоразливочных устройств) при укладке теплоизоляционного слоя может производиться автоматически с корректировкой геометрии на основе данных измерения устройства, например, но не только, сканированием. Для снижения потерь тепла при основной футеровке теплоизоляционный слой можно печатать, например, из, но не только, асбестосодержащих или каолиновых материалов.

Арматурный слой обеспечивает тепловую изоляцию для создания стабильных условий разливки, а также гарантирует безопасность в случае нарушения рабочего слоя. Печать арматурного слоя выполняют, например, из, но не только, шамотноглинистых материалов. Толщина этого слоя может формироваться послойно за несколько проходов печатающей головки и тем самым варьироваться при необходимости по толщине. Арматурный слой днища можно формировать одновременно с изготовлением арматурного слоя стенок устройства, поскольку не требуется нахождения персонала внутри самого устройства для выполнения футеровки. Соответственно исключаются стыки днища со стенками футеруемого устройства, что повышает его надёжность и ресурс. Традиционно футеровка днища проводится отдельно, и стык футеровки днища с футеровкой стенок является технологически слабым местом.

Рабочий слой футеровки, который находится в непосредственном контакте с расплавом, изнашивается быстро, определяя общую стойкость устройства. При определении необходимой печатаемой толщины рабочего слоя учитывается топография его износа по высоте и периметру устройства. Огнеупоры изнашиваются неравномерно. Например, в металлоразливочных устройствах повышенный износ огнеупоров наблюдается в районе шлакового пояса и в нижних поясах стенок. Это связано с более продолжительным воздействием расплава на нижние участки футеровки и большим гидростатическим давлением, повышающим пропитку огнеупоров металлом. Нанесение футеровки с помощью 3D-принтеров, позволяют за счёт нанесения (торкретирования) дополнительных слоёв формировать более толстый рабочий слой в этих частях металлоплавильных и металлоразливочных устройств.

Кроме вышеперечисленного, аддитивная технология позволяет формировать сложные поверхности внутри металлоплавильных и металлоразливочных устройств, например, но не только, уступы на днище металлоразливочных ковшов, которые задерживают шлак и каналы, которые направляют металл к выпускному отверстию.

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств осуществляется формированием слоев футеровки методом послойного торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя с помощью 3D-принтера. Последовательно послойно формируются теплоизоляционный (5), арматурный (6) и рабочий (7) слои устройств.

Смеси последовательно экструдируются методом послойного торкретирования из печатающей головки (10) 3D-принтера, формируя заданную геометрию футеровки металлоплавильного или металлоразливочного устройства в соответствии с управляющим кодом и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки, при этом получаем монолитную конструкцию футеровки.

После нанесения необходимого количества слоёв и получения заданной толщины футеровки проводится заглаживание заглаживающими лопатками (9) или валиком (8). При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.

3D-принтер (1) может устанавливаться на само устройство, в качестве примера на Фиг. 1 приведена установка 3D-принтера на корпусе индукционной сталеплавильной печи (2), на Фиг. 2 приведена установка 3D-принтера на корпус кислородного конвертера (3), на Фиг. 3 приведена установка 3D-принтера над корпусом сталеразливочного ковша (4).

3D-принтер (1) может размещаться в цехе, где производится футеровка, а само устройство, например, сталеразливочный ковш (4) во время футеровки размещается в рабочем поле принтера.

Автоматизация процесса футеровки заключается в том, что сама футеровка создается в виде компьютерной 3D-модели, учитывающей геометрию устройства, создание управляющего кода для 3D-принтера и печати футеровки в автоматическом режиме с минимальным участием человека, позволяющим исключить «человеческий фактор» и получить высокое качество и точную геометрию футеровки.

Использование компьютерного моделирования и применение 3D-принтеров (1) позволяет изготавливать сложную футеровку различной толщины в разных частях металлоплавильных и металлоразливочных устройств. Кроме того, при печати футеровки на 3D-принтерах возможно изготовление сложных по своей геометрии выступов и каналов устройств.

Применение 3D-принтера (1) позволяет применять для разных слоёв футеровки (теплоизоляционного (5), арматурного (6) и рабочего (7)) различные по своему составу смеси, смена которых в экструдере 3D-принтера может осуществляться автоматически и многократно.

Для печати футеровок различного назначения могут применяться, но не только, следующие материалы: цемент (портландцемент), песок (двуокись кремния, оливин, хромит, циркон, глинозем, муллит, муллитокорунд, кварцевое стекло, шамот, шпинель, корундошпинель, корундокварцит), гипс, асбест, модифицирующие, антизамерзающие, гидрофобные и огнестойкие добавки, пластификаторы, фиброволокна, ускорители (замедлители) отвердевания, воду, и композитные материалы на основе лигнина и целлюлозы.

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки осуществляется следующим образом.

На оборудование литейного, металлургического или др. производства, такого как индукционно-сталеплавильная печь, кислородный конвертор, сталеразливочный ковш устанавливают 3D-принтер.

Необходимая смесь для футеровки подаётся в экструдер (10) (печатающую головку) принтера (1), способного наносить футеровочные материалы методом торкретирования, установленного на/около металлоплавильного или металлоразливочного устройства, например, но не только: на корпусе индукционной сталеплавильной печи (2), на корпусе кислородного конвертера (3), над сталеразливочным ковшом (4).

В принтер загружается управляющий код, трёхмерной компьютерной модели футеровки и 3D-принтер в соответствии с командами управляющего кода формирует слои футеровки, например, но не только: теплоизоляционный (5), арматурный (6) и рабочий (7).

После торкретирования необходимого количества слоёв из печатающей головки (10) принтера и получения заданной толщины футеровки проводится заглаживание заглаживающими лопатками (9) или валиком (8). При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.

Причинно-следственная связь между техническим результатом и существенными признаками формулы изобретения заключается в следующем:

- достижение высокого качества механических характеристик футеровки за счёт её монолитного исполнения, возможности формирования любого количества слоёв футеровки, благодаря возможности смены различных по своему составу смесей;

- достижение высокой точности геометрических размеров за счёт применения для футеровки 3D-принтера с элементами ЧПУ.

- возможности печати сложных по форме элементов футеровки, таких как выступов и каналов устройств.

- возможность заглаживания и уплотнения поверхности футеровки за счёт применения заглаживающих лопаток или валиков.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении футеровки. Способ изготовления футеровки металлоплавильного или металлоразливочного устройства аддитивным методом включает формирование теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки методом торкретирования с помощью 3D-принтера. Слои футеровки формируют послойной укладкой смесей, соответствующих по своему составу укладываемому слою футеровки. Смеси последовательно экструдируют из печатающей головки 3D-принтера и укладывают послойно с формированием заданной геометрии и толщины футеровки упомянутого устройства с помощью управляющего кода и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки. После нанесения заданного количества слоёв и получения заданной толщины футеровки, проводят заглаживание лопатками или валиком. Обеспечивается повышение точности геометрии и размеров изготавливаемой футеровки, увеличение скорости ее изготовления и возможность автоматизации процесса футеровки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления футеровки металлоплавильного или металлоразливочного устройства аддитивным методом, включающий формирование теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки, отличающийся тем, что формирование слоев футеровки выполняют послойной укладкой смесей, соответствующих по своему составу укладываемому слою футеровки, методом торкретирования с помощью 3D-принтера, последовательным экструдированием смеси из печатающей головки 3D-принтера и послойной укладкой с формированием заданной геометрии и толщины футеровки устройства с помощью управляющего кода и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки применяют заглаживающие лопатки или валики, обеспечивающие получение уплотнённой и гладкой поверхности футеровки.