Способ виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК B22D27/08 

t

Изобретение относится к металлур- ги и, а именно к способам и устройствам для получения крупных слитков, и может быть использовано для получения литого металла повышенного качества.

Цель изобретения - улучшение качества металла крупных слитков и увеличение срока службы изложницы.

На фиг, 1 изображено устройство виброимпульсного воздействия; на фиг. 2 - амплитудно-временная функция виброимпульсного удара.

Устройство для осуществления способа содержит изложницу 1, установленную в обхватывакяцее ее крепежное основание 2, соединенное калиброванной упругостью (пружиной) 3 с основанием 4,на котором закреплено также , ограничительное кольцо 5, предохраняющее изложницу 1 от опрокидывания. Система содержит также ударник 6, вьшолненный разобщенным в виде малой 7 и большой 8 масс с общей осью, связанных между собой калиброванной пружиной 9 другой жесткости. Сверху на большой массе 8 ударника расположен разьем 10, к которому присоединена штанга 11 подвески, при этом разъем 10 расположен так, что ось штанги 11 проходит через центр тя- .жести ударника 6 при горизонтальном расположении ударника 6. Второй конец штанги 11 закреплен в шарнире 12 на другом неподвижном основании 13„ Ударник присоединен штоком.14 к приводу 15 с механизмом раскачки ударника.

Способ осуществляют следукяцим образом.

Включают механизм раскачки ударника 6 и при помошд штока 14 привода 15 отводят ударник 6 от горизонтального положения в фиксированное (задаваемое) наклонное. При этом штанга 11 подвески отходит от вертикали, поворачиваясь верхним концом в шарнире 12, закрепленном на неподвижном основании 13. Затем шток 14 приводом 15 подают по направлению к,изложнице 1, установленной в крепежное основание 2, и ударником 6 производят комбинированный удар по ее стенке. Вначале стенки изложницы 1 в эерхней ее части достигает малый ударник (изготовленньй, например, из крепкой каленой стали), производя короткий удар, содержащий высбкочастот027002

ные составляюш;ие спектра. График амплитуд«о-временной функции такого удара представлен на фиг. 2 в виде малого импульса. Он характеризуется 5 крутым фронтом нарастания амплитуды. Длительность такого удара, определяющая высокочастотную границу спектра, 0,08-0,5 мсо.Такая длительность соприкосновения малой массы 7 ударника

10 со стенкой изложницы обеспечивает соответствующий высокочастотньй спектр. Длительность удара, меньшая чем 0,08 мс, трудно достижима в предлагаемой механической системе,

15 а большая 0,5 мс - нецелесообразна, так как колебания малой амплитуды с частотой менее 2 кГц оказывают незначительное влияние на качество затвердевающего металла. Практичес20 ки одновременно с началом первого удара калиброванная пружина 9 начинает сжиматься под действием большого ударника. Стенка изложницы 1 начинает воспринимать удар, наноси25 мый большой массой 8 ударника.

Этот удар существенно длительнее первого и в связи с этим главным образом низкочастотные спектральные составляющие. Продолжается он до

30 тех пор, пока пружина 9 не пройдет фазы сжатия и последующего расширения и обе- части ударника не отойдут от стенки, Длительность второго удара регулируют упругомассовыми

эг свойствами, пружины 9, массой ударника и силой удара (углом отклонения штанги 11 подвески. Длительность

удара большой массой

(фиг,2)

должна находиться в пределах 10 - 50 мс. Если С 10 мс, время вьщеления энергии удара становится слишком мало, и это может привести к разрушению стенки изложницы. Если же - 50 мс, то время сопри- косновения ударника 6 со стенкой изложницы 1 становится слишком велико, что приводит к демпфированию колебаний ударником изложницы, начавшей колебаться с резонансной частотой 20 - 40 Гц,

На амплитудно-временной характеристике (фиг. 2) воздействие большого ударника на стенку изложницы 1 представлено в виле импульса боль- шей амплитуды, передний фронт которого более или менее перекрывает первьш (мапьй) импульс - его задний фронт по уровню 0,2 (кривая 16)-0,8

(кривая 17) максимальной амплитуды первого воздействия. В этом случае удар, наносимый ударником 6, воспринимается стенкой изложницы как слит- ньш удар двойного воздействия малой и большой массами ударника. Если второй удар перекрывает первьм по уровню вьше 0,8 максимальной амплитуды первого воздействия, т.е. передний фронт второго импульса распола- гается выше кривой 17, то оба удара будут восприниматься стенкой изложницы как единичный удар. Практически это значит, что пружина 9 выбрана слишком жесткой, общая скорость выделения энергии удара велика и имеется угроза разрушения изложницы 1 .

Если второй удар перекрывает первый по уровню ниже 0,2 максималь- ной амплитуды первого импульса, т.е. передний фронт второго импульса располагается ниже кривой 16 (фиг. 2), тр оба удара будут практически раздельными. Этот значит, что пружина 9 выбрана слишком слабой, малый ударник может успеть отойти от стенки перед нанесением удара большого ударника, а скорость вьщеления энергии удара большим ударником слишком мала (мягкий удар). Между кривыми 17 и 16 лежит разрешенная область, в которой должен находиться передний фронт большого импульса. Под влиянием первого удара, наносимого малым ударником, стенка изложницы 1 получает короткий импульс, при этом изложница 1 в целом не смещается, а колебания проникают в металл, высокочастотные составляющие спектра этого удара способствуют измельчению кристаллов слетка и выравниванию по объему его структуры. В результате второго удара,, наносимого по верхней части изложницы 1, последняя, установленная в крепежном основании 2, соединенном калиброванной пружиной 3 с основание 4, получив толчок, отходит от положения равновесия.

Комбинированный удар не разрушает стенку изложницы 1 - массу малого ударника подбирают достаточно малой, а воздействие массы большого ударника достаточно растянуто во времени выбором упругости пружины 9.

После прекращения действия комплесного удара и отвода приводом 15 ударника 6 в исходное (наклонное) по

5 10 15

20 25 JQ

50 55

35

40

45

ложение изложницы 1 приобретает колебания, частота которых определяется качествами пружины 3 - ее упругомас- совые свойства подбирают так, чтобы резонанс системы находился в области низких частот, точнее 20-40 Гц, что обусловливает улучшение качества металла и ускорение его охлаждения.

Ограничительное кольцо 5 установлено с таким зазором по отношению к изложнице 1, чтобы не мешать ее вынужденным колебаниям и в то же время препятствовать ее случайному опрокидыванию. После возвращения ударника 6 в начальное (наклонное) положение цикл снова повторяют. В простейшем случае ударник 6 периодически отводят механическим приводом 15 на заданный угол отклонения штанги 11 и затем отпускают. Удар осуществляют тогда под действием сил тяжести. Каждьй удар по изложнице 1 приводит к прохождению в металл высокочастотных колебаний и появлению ее колебаний с частотой 20-40 Гц затухающей амплитуды. Частота следования ударов 0,05-0,5 Гц.

При частоте следования ударов ниже 0,05 Гц колебания изложницы 1 с частотой 20-40 Гц успеют затухнуть между смежными ударами. Частота следования ударов выше 0,5 Гц нецелесообразна вследствие того, что колебания изложницы.с частотой 20-40 Гц еще не затухнут между смежными ударами.

Величины масс ударников можно варьировать в зависимости от размера слитков в пределах 20-50, при этом для слитков меньшей массы соотношение масс большого и малого ударников ближе к 20, а для слитков большей массы оНо ближе к 50, поскольку для раскачки более тяжелой изложницы с металлом нужно больше толкающее усилие массы большого ударника. Если соотношение масс ударников меньше 20, то удар малым ударником слишком мощный, что приводит к быстрому разрушению стенки изложницы, а если это соотношение больше 50, то высокочастотный импульс от удара первым ударником слишком слаб для обарботки всего объема металла в изложнице. Для замены (подбора) пар ударников 7 и 8 предусматривают крепление ударника 8 к штанге 11 подвески на разъеме 10. При

5

ЭТОМ условие прохождения оси штанги 11 подвески через.центр тяжести ударника 6 обеспечивает устойчивост его в момент соприкосновения со стенкой изложницы.

Возможна обработка ряда изложниц с помощью ударников 6, например, с применением одного привода 15, Для снилсения общего уровня шума предусмотреть неодновременный удар по изложницам ударниками. Калиброванные упругости 9 и особенно 3 выполняют не только в виде отдельных пружин, но и в виде прутков, пластин, брусков, изготовленных из пружинной стали и т. д,

П р и м е р . Виброимпульсной обработке подвергают .залитую в изложницу спокойную сталь Ст, 6. Развес слитка 7,0 т, масса изложницы 9,5 т. Параметры калиброванной упругости, установленной между крепежным и не-. подвижным основаниями, выбраны из соображений обеспечения резонанса системы изложница-металл-упругость на частоте 25 Гц, Эта упругость (стальной пруток), рассчитанная по известным формулам теории вибрации, имееет для резонирукщей массы 16,65 т длину 0,5 м и диаметр 0,2 м, Массы малого ударника выбирается равной 5 кг, большого - 100 кг. Стальная пружина, соединяющая их, при толщине 1 см, количестве вит- ков 10, диаметре пружины 4,3 см имеет резонансную частоту также 25 Гц / Длину щтанги подвески из конструктивных соображений принимают равной 4 мм. Ударник на штанге отклоняют при помощи щтока привода, привязан- ного через блок к пов.оротному эксценрику ,

Длительность импульса удара малой (5 кг) и большой (100 кг) массами измеряют с помощью стандартной измерительной аппаратуры, позволякяде фиксировать начало и конец импульса, Для этого пьезоэлектрический датчик сигшала прикрепляют к стенке изложницы в районе удара и с помощью элект- роннолучевого осциллографа по калиброванной шкапе разверт ки-определяют длительность импульса.

6

угол наклонения штанги прикрепленным к ней комбиударником, регулируют и длительность импульса

10

20

5

5 о

5 удара. При угле отклонения штанги от вертикали 80 длительность удара малой массой составляет 0,11 мс, большой - 22 мс, При этом удары слитны по уровню 0,4 максимальной амплитуды малого удара, Требуемьй режим обработки, кристаллизующегося металла совместно низко-высокочастотными колебания- ми обеспечивают раскачивая штангу с ударником с частотой 0,2 Гц, при tS этом колебания изложницы с частотой 25 Гц успевают затухнуть к началу нового удара.

Виброимпульсную обра ботку металла начинают с момента окончания заливки его в изложницу и продолжают в течение 95 мин, после чего прекращают, так как внешная поверхность изложницы разогревается до 650 С и теряет упругие свойства и высокочастотные составляюшрне спектра смещаются в сторону низких частот. Процесс кристаллизации слитка заканчивается через 115 мин от момента завершения заливки, т,е, на 80 мин раньше, чем при спокойной кристаллизации. Усадочная раковина в слитке отсутствует. Последующий металлографический анализ образцов, вырезанных из разных частей слитка, показывает, что структура слитка однородна, дендриты имеют размеры не более 1 мкм. Изложница, выдерживает 47 заливок при обработке кристаллизующего металла предположенным способом.

Виброимпульсная обработка металла по предлагаемому способу с использованием данной системы позволяет производить виброимпульсную обработку более крупного сортамента слитков. Полученные слитки лишены структурной неоднородности, имеют размельченную структуру металла. Кроме этого, кристаллизация металла завершается за более короткий промежуток -времени .(на 30-40%), так как при дроблении дендритов резко увеличивается количество центров кристаллизации.

0

1 . Способ виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл путем колебаний изложницы с металлом с частотой 20-40 Гц механическими ударами по ее стенке, обогащенными высокочастотными составляющими спектра, отличающийся тем, что, с целью улучшения-качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложницы, частоту колебаний 20-40 Гц создают ударом двойного воздействия с частотой следования удара 0,05-0,5 Гц, слитным по уровню 0,2-0,8 максимальной амплитуды первого воздействия, разобщенным малой и большой массами ударников, причем малой массой ударяют с длительностью удара 0,08 - 0,5 мс, большой массой ударяют с длительностью удара, создающего низ- кочастотные составляющие спектра, 10-50 мс, а изложницу с металлом вводят в резонанс на частоте 20 - 40 Гц. 2. Устройство для виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл, содержащее основание, изложницу, ударник, отличающее- с я тем, что, с целью улучшения качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложниц, оно снабжено крепежным основанием для установки изложницы, соединенным с основанием через упругий элемент, ограничительным кольцом для фиксации верхней части изложницы, подвеской для ударника в виде шарнирно закрепленной на основании штанги, а ударник выполнен разобщенньм в виде малой и большой масс с общей осью и соотношением масс 20-50, связанных между собой упругим элементом, при этом нижний торец штанги размещен на большей массе ударника с прохождением оси штанги через центр ее тяжести. I (Л

Редактор А. Шандор

Составитель Ю. Яковлев

Техред 3.Палий Корректор Г. Решетник

Заказ 8353/11Тираж 746Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал 1Ш11 Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4