Способ разливки металла

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) (,51) 4 В 22 D 1! /10

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 36947!5/22-02 (22) 30.01.84 (46) 30,12.85. Бюл. У 48 (71) Институт физики твердого тела АН СССР (72) А.Г.Сучков, А.Н.Изотов, А.В.Марков, Ю.С.Асташкин, О.В.Абрамов, В.Л.Пилюшенко, А.И.Манохин, В.П.Таран и А.М.Кондратюк (53) 62).746.047(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1085470, кл. В 22 D 11/10, 1982. (54)(57) 1. СПОСОВ РАЗЛИВКИ METAJIЛА, включающий подачу расплава в полость стакана-излучателя ультразвукового теплообменника, установленного между раздаточной и приемной емкостями, и воздействие на струю расплава в полости стакана-излучателя на трех участках по высоте струи охлаждением и энергией ультразвуковых колебаний, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения качества слитка путем приближения кристаллизации металла к объемной, длина обрабатываемых участков струи расплава составляет 6045, 30 — 40 и 10-152 длины полости стакана-излучателя, причем длину участков уменьшают сверху вниз, подачу охладителя уменьшают с. 15 м /ч

Э

9 на верхнем участке до 4,5 м /ч на нижнем, а интенсивность ультразвуковых колебаний увеличивают с

0,5 Вт/см на верхнем участке до

5, 0 Вт/см на ни кием, при этом количество охладигеля и интенсивность ультразвуковых колебаний на среднем участке имеет промежуточное значение, а на струю расплава на участке между ультразвуковым теплооб-. менником и зеркалом металла и на открытый металл в приемной емкости воздействуют разрежением газовой среды.

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что разрежение газовой струи поддерживают в интервале 133-1330 Па.

3. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что разрежение газовой среды осуществляют циклически.

4. Способ по пп. I и 3, о т л ич а ю шийся тем, что цикличность разрежения газовой среды устанавливают 0,6-1,0 Гц.

1201047

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывной разливке металла.

Целью изобретения является повышение качества слитка путем приближения кристаллизации металла к объемной.

Сущность изобретения заключается в,том, что дифференцированная обработка расплава на трех разновеликих участках с учетом физического состояния расплава и количеств жидкой, жидкотвердой и твердо.жидкой фаз по высоте стакана-излу- ° чателя при циклическом разрежении газовой среды, окружающей металл в приемной емкости и над ней, обеспечивают приближение кристаллизации разливаемого металла к объемной, Пример конкретного осуществления предлагаемого способа разливки металла.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления предлагаемого способа, продольный разрез, на фиг. 2— средство, обеспечивающее разрежение газовой среды вокруг струи и над зеркалом металла (узел 1 на фиг. 1) .

Устройство для разливки металла, устанавливаемое между раздаточной и приемной емкостями, в случае непрерыцной разливки металла — между раздаточным ковшом 1 и кристаллизатором 2, представляет собой ультразвуковой теплообменник, оснащенный средством, обеспечивающим разрежение газовой среды.

Ультразвуковой теплообменник ,(фнг. 1I состоит из полого стаканаизлучателя с кольцевыми выточками 3 и 4, разделенного на трн разновеликие между собой секции: верхнюю 5, среднюю 6 и нижнюю 7, имеющие одинаковое поперечное сечение, высота которых составляет соответственно

60-45, 30-40 и 10-15Х от высоты полости стакана-излучателя, герметичного корпуса, образованного крышками

8-11 и полыми цилиндрами 12, 13 и .

14, каждый из которых соединен с одной из трех автономных систем подачи охладителя (не показаны),трех электромеханическнх преобразователей 15, 16 и 17 кольцевого типа, имеющих разные толщины и, следова тельно, разные интенсивности излучения, приемной воронки 18, посред5 !

О

55 ством кожуха 19 закрепленной на верхней крышке 8, и огнеупорной вставки 20, закрепленной на нижней крыш- . ке 11 с помощью кольца 21.

Средство (фиг. 2), обеспечивающее разрежение газовой среды в пределах 133-1330 Па (1-10 мм рт.ст.) состоит из сильфона 22, опорного цилиндра 23, снабженного по меньшей мере одним клапаном, представляю- . щим собой резиновую шторку 24, закрепленную на внешней поверхности опорного цилиндра над отверстием 25 с помощью радиусной планки 26, двух полых коаксиально установленных в полости сильфона цилиндров 27 и 28 и кольцевой плиты 29.

Сильфон жестко соединен с крышкой !

I и опорным цилиндром 23, который в свою очередь жестко соединен с плитой 29. Цилиндры 27 и 28 жестко соединены соответственно с крышкой

1! и плитой 29.

Предлагаемый способ разливки металла осуществляется следующим образом.

Перед разливкой металла производят сборку ультразвукового теплооб-.. менника и средства, обеспечивающе"-. го разрежение газовой среды, после чего плиту 29 вводят в посадочное отверстие кристаллизатора 2 меха- низмом качания 30, отведенного в крайнее нижнее положение, а крышку

ll устанавливают на опоре 31. Затем жестко соединяют между собой плиту 29 и кристаллизатор 2. После этого в кристаллиаатор 2 и полые цилиндры !2, 13 и 14 от автономных систем подают охладитель, например техническую воду. При этом расход воды в полых цилиндрах 12, 13 и 14 устанавливают таким образом, чтобы он находился в пределах, соответственно равных 12-15, 8-10 и 4,56,8 M5/ч, например в 12,9 и 6 м /ч„

После запитки голых корпусов водой на обмотки возбуждения не показаны) преобразователей 15, 16 и 17 подают переменное напряжение резонансчой частоты. Под воздействием, магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения, преобразователи возбуждаются и начинают совершать радиальные колебания, которые . передаются стакану-излучателю, т.е.

его секциям 5, 6 и 7. При этом интенсивность излучения в секциях стакана-излучателя вследствие различной толщины преобразователей и стенок самих секций различна,так в верхней секции 5 она составляет, например, 0,8 Вт/см, в средней секции 6-2 Вт/см, а в нижней сек2 ции 7-4,5 Вт/см, т.е. находится в пределах, соответственно для каждой из секций равных 0,5-1 0, 1,5-2,5 и 3,5-5,0 Вт/см

После этого в кристаллиэаторе устанавливают затравку (не показана), а над ультразвуковым теплообменником — разливочный ковш 1 и, открывая его стопорный затвор 32, начинают разливку металла 33.

Из раздаточного ковша 1 жидкий металл 33, например шарикоподшипниковая сталь (ШХ-15), с расходом в 50 т/ч и при 1515 С попадает в приемную воронку 18, в проточный канал стакана-излучателя и далее в кристаллизатор 2, имеющий сечение, например, равное

250 360 мм, в котором жидкий металл схватывается с затравкой. После установления в приемной воронке 18 необходимого уровня жидкого металла включают механизмы 30 и 34 качания кристаллизатора и извлечения слитка

1,не показан) из кристаллизатора.

При этом цикличность качания кристаллизатора устанавливают в пределах 0,6-1 Гц, например, равную

0,8 Гц, а скорость извлечения слитка — равную 0,5 мэ/мин, В пределах последующей разливки металла 33 при его поступлении в полость стакана-излучателя, а именно в полость секции 5, он охлаждается, вследствие чего на стенке этой полости образуется корочка твердого металла, толщина которой в данной секции не превышает 1,0-1,2 мм, Под воздействием же ультразвуковых колебаний, совершаемых стенками секции 5, корочка металла разрушается, а жидкий металл интенсивно перемешивается. При этом фракции металла разрушенной корочки, попадая в общий поток, расплавляются вследствие высокого перегрева металла, т.е. в этой секции весь металл находится в жидком состоянии. В данной секции средний отвод тепла составляет 500000 ккал/ч.

При поступлении металла в секцию 6 на ее стенке также образуется корочка металла, толщина которой

1201047 4 не превышает 1,6-!,8 мм. Под воздействием ультразвуковых колебаний, совершаемых стенками секции, корочка металла разрушается и ее фракции, количество которых на выходе иэ секции составляет 0,5 3,0Х от объема секции, равномерно распределяются в объеме жидкого металла. В секции 6 средний отвод тепла составляет 170000,ккал/ч.

При поступлении металла в секцию 7 процесс образования корочки, ее разрушения и перемешивания твердых фракций металла с жидкой повторяется. Но при этом толщина корочки может достигать 2,0-2,6 мм, а количество ее фракций в совокупности с твердыми фракциями, образовавшимися жидком металле, может составлять о З,О-IOX, Иэ секции 7 металл выходит в твердожидком состоянии и имеет температуру 1440 С, т.е. на 75 С о о ниже его температуры на входе в ультразвуковой теплообменник. Средний отвод тепла в секции 7 составляет 90000 ккал/ч.

После выхода струи металла из секции 7 она на всем своем участке между ультразвуковым теплообменником и кристаллизатором, равно как и зеркало металла в кристаллизаторе, с цикличностью 0,8 Гц подвергается воздействию разрежения газовой среды, их окружающей, до 665 Ila.

Разрежение газовой среды, создава35 емое в интервале 133-1330 Па с цикличностью в пределах 0,6-! Гц, обеспечивается существующим средством (фиг. 2), расположенным между уль

40 тразвуковым теплообменником и кристаллиэатором, приводом которого является механизм качания кристаллиэатора. Регулирование частоты качания кристаллизатора 1,30-80 кача45 ний в минуту) и величины его рабочего хода !более 20 мм) обеспечивают указанные интервал разрежения и предел цикличности, В начале рабочего хода кристаллизатора 2 из верхнего (фиг. 1 и 2)

50 положения в нижнее объем полости, ограниченной крышкой II огнеупорной вставкой 20, кольцом 21, сильфоном 22, опорным цилиндром 23, плитой 29 и зеркалом металла в кристаллизаторе, начинает увеличиваться

55 и резиновая шторка 24 перекрывает отверстие 25 в опорном цилиндре.

Вследствие этого укаэанная полость! 2010

f0!

25

4Q

50

S герметизируется, а при дальнейшем движении кристаллизатора газовая среда в ней разрежается, благоприятно воздействуя на выход струи металла из секции 7 и на извлечение из разливаемого металла газообразных продуктов.

При обратном xoäå кристаллизатора, т.е. при его движении из нижнего положения в верхнее, объем полости уменьшаетая и давление в ней приближается к атмосферному, т.е, к давлению атмосферы, окружающей ультразвуковой теплообменник и кристаллизатор. Когда же кристаллизатор занимает свое крайнее верхнее положение, давление в полости за счет отсоса газов из расплава несколько превьппает атмосферное, в результате чего резиновая шторка 24 открывает отверстие 25 в опорном цилиндре

23. В это время практически все га.зы, скопившиеся в полости, через пространство между цилиндрами 27 и

28, предохраняющими сильфон 22 от брызг металла, и через отверстие 25 выталкиваются из нее. При дальней— ших качаниях кристаллизатора данный процесс неоднократно повторяется, причем изменение давления в пре делах 133-1330 Па не приводит к изменению положения мениска, так как скорость истечения струи расплава из ультразвукового теплообменника за счет этого не превьппает величины изменения ее скорости, возникающего за счет динамического удара струи расплава из раздаточной емкости в расплав, находящийся в полости стакана-излучателя. После окончания разливки металла, т.е, после его полного истечения из раздаточного ковша 1, и прохождения секций

5, 6 и 7 прекращают подачу переменного напряжения на преобразователи

15, 16 и 17 и подачу технической воды в кристаллизатор 2 и в полые цилиндры 12, 13 и 14.

Длина стакана-излучателя ультразвукового теплообменника определяется исходя из получения заданной температуры на выходе из теплообменника. Для указанного класса сталей длина стакана-излучателя составляет

42-92 см при диаметре его полости, равном 15-45 мм, при этом меньшие по длине стаканы-излучатели предпочтительнее использовать при разливке

47 Ь сталей с меньшим содержанием углерода.

Разделение струи расплава на разновеликие высоты, достигаемое выполнением секций 5, 6 и 7 различными по длине, составляющие 60-45, 30-40 и 10-15Х от объема полости стаканаизлучателя, и их уменьшение в направлении к приемной емкости обусловлены соответственно трехфазным состоянием расплава и тем количеством тепла, которое нужно отвести от каждой фазы расплава с учетом ее объемного количества.

Стакан-излучатель выточками 3 и

4 разделен на три секции, границы раздела которых занимают определенное расположение по высоте стаканаизлучателя. Если протяженность фаз строго соответствует длинам секций, то обеспечивается ультразвуковой режим перемешивания, при котором по выходе из устройства расплав содержит равномерное распределение твердой и жидкой фаз по объему.

Изменение высоты любой из секций, не выходя за пределы оптимального, определяемого длиной стакана-излучателя, приводит к изменению высоты другой секции при сохранении постоянным объем в третьей. Изменение высоты приводит к перемещению переходной зоны за пределы оптимального расположения, При этом возможны следующие варианты: первая переходная эона смещается целиком в первую секцию или во вторую, соответственно вторая переходная эона располагается полностью во второй или в третьей.

При расположении первой переходной зоны полностью в первой секции (V,) 60X) режим ультразвукового перемешивания изменяется с перемешивания чисто жидкой фазы на двухфазное - жидкотвердое, при этом не обеспечивается равномерное распределение твердой фазы по объему жидкой иэ-за выделения твердой фазы лишь в нижней части секции.

При перемещении первой переходг:îé зоны во вторую секцию (V

В случае расположения второй переходной зоны полностью во второй, 1201047 секции (V 40Ж) происходит увелиг» чение в ней общего количества твердой фазы, и ультразвуковой режим обработки не обеспечивает равномерное распределение фаз по объему.

При перемещении второй переходной зоны полностью в третью секцию (7 <307) из-за уменьшения размеров второй секции за пределы оптимального не обеспечивается равномерное перемешивание твердой фазы в ней ввиду изменения режима ультразвукового перемешивания.

Выделение твердой фазы у стенок стакана-излучателя тормозит процесс ультразвукового перемешивания по объему секции, и перемешивание происходит через турбулентность протекающего потока, которая по длине секции не может обеспечить равномерное распределение фаз.

В третьей секции при изменении ее размеров эа пределы оптимальных (Ч ) 15 или V <10) происходит нарушение режима перемешивания из-за возникновения того же механизма перемешивания, как и во второй секции.

В итоге нарушение в равномерности распределения твердой фазы в объеме жидкой при поступлении расплава на кристаллизацию в кристаллиэатор 2 приводит к нарушению равномерности распределения разноори.ентированных дендритов по сечению отливаемого слитка, что приводит к снижению его качества.

Кеобходимость дифференцированной обработки расплава обусловлена изменением его фазового состава по мерепрохождения через стакан-излучатель ультразвукового теплообменника, уменьшение интенсивности охлаждения объемов расплава направлено на обеспечение плавного перевода расплава из жидкого состояния в твердожидкое, а увеличение интенсивности ультразвуковых колебаний вызвано увеличением количества твердых центров кристаллизации расплава и увеличением толщины корочки металла., образующейся на стенке стакана-излучателя.

В верхней секции, т.е. при ультразвуковой обработке расплава в секции 5, интенсивность ультразвуковых колебаний должна находиться в пределах 0,5-1 Вт/см . Это вызваЯ но тем, ч,то в этой секции расплав находится в жидком состоянии, а толщина корочки металла не превышает 1,0-1 2 мм. При интенсивности менее 0,5 Вт/см указанная корочка с максимальной ее толщиной в 1,01,2 мм не разрушается, вследствие чего проточный канал стакана-излучателя оказывается "замороженным".

При интенсивности ультразвуковых колебаний, равной 1 Вт/см, короч-!

О ка металла разрушается полностью и ее фракции интенсивно перемешиваются в расплаве. Интенсивность же ультразвуковых колебаний более

1 Вт/см нецелесообразна, поскольку

z уже при этом ее значении разрушается корочка металла с толщиной в 1,3-1,4 мм, В средней секции, где расплав находится в жидкотвердом состоянии, толщина корочки может достигать

1,6-1,8 мм, а поэтому для.ее разрушения и для перемешивания ее фракции интенсивность ультразвуковых колебаний в этой секции не должна быть меньше 1,9 Вт/см, так как в

Я противном случае проточный канал стакана-излучателя будет "заморожен".

Интенсивность ультразвуковых колебаний более 2,5 Вт/см в этой секции

Я нецелесообразна, поскольку при указанной интенсивностиразрушается короч ка металлас толщинойв 2,0-2,!мм.

В нижней секции, где расплав находится в твердожидком состоянии, интенсивность ультразвуковых колеба35

/7 нии должна быть равной 3-5 Вт/см

) поскольку толщина корочки в ней может достигать 2,0-2,6 мм. При толщине корочки в 2,6 мм интенсив40 ность ультразвуковых колебаний мег нее 3 Вт/см может оказаться недостаточной для ее разрушения, в то время как интенсивность ультразвуковых колебаний более 5 Вт/см нецелесообразна, так как при ин45 тенсивности в 5 Вт/см разруша2 ется корочка толщиной около 3 мм.

Металл, вытекающий из теплообменника, в твердожидком состоянии обладает пониженной жидкотекучестью

Э что может привести к намерзанио

его на огнеупорную вставку (20) или в самом канале. Для устранения этого и обеспечения стабильности в разливке необходимо создать разреже55 ние в газовои среде под теплообмен— ником. В этом случае разрежение газовой среды обеспечивает отсос твердожидкой фазы на выходе из стаl0

1201047

АНа

Вода кана-излучателя. Разрежение атмос4еры должно находиться в пределах

133-1330 Па. Нижний предел определяется необходимостью снижения противодавления при истечении, а верхний - стабильностью истечения без развития вакуума в самом канале теплообменника.

Процесс намораживания металла на огнеупорную вставку (20) и на стенки канала при воздействии ультразвуковьж колебаний происходит замедленно. Поэтому нет необходимости непрерывно поддерживать разрежение газовой среды на участке между теплообменннком, приемной емкостью и зеркалом металла в приемной емкости. Для этого цикличность создания разрежения газовой среды долж10 на быть 0,6-1 Гц.! 20! 047

Составитель А.Попов

Редактор М.Келемеш Техред О,Ващишина Корректор В.Синицкая

Заказ 7900/l0 Тираж 746 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

t13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул. Проектная, 4