Способ получения непрерывнолитых полых заготовок и устройство для его реализации

 

Способ получения непрерывнолитых полых заготовок включает заливку жидкого металла в пространство между стенками кристаллизатора и установленным в нем центральным стержнем и вытягивание полой заготовки. Центральный стержень устанавливают на двух вертикальных стенках и вводят в кристаллизатор в момент его выхода на рабочий режим разливки и при предварительном нагреве стержня до средней температуры рабочих поверхностей стенок кристаллизатора. Устройство для получения непрерывнолитых полых заготовок содержит разливочную емкость с дозирующим устройством и погружными стаканами, водоохлаждаемый кристаллизатор и установленный в нем центральный стержень. Стержень выполнен с конической верхней и калибровочной нижней зонами. Кристаллизатор выполнен с двумя вертикальными стенками с возможностью возвратно-поступательного движения и двумя стенками, выполненными наклонными в верхней части, с возможностью вращательного движения. В верхней части вертикальных стенок кристаллизатора вдоль их оси выполнены пазы, в которые устанавливается центральный стержень. Глубина пазов h связана с высотой наклонного участка H стенок соотношением h/H = 0,15 - 0,20. Способ и устройство обеспечивают высокопроизводительный процесс получения непрерывнолитых заготовок. 2 с. и 1 з. п. ф-лы. 3 ил.

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

Широко известен традиционный способ получения полых заготовок из сплошных в результате прошивки их на автоматических и пилигримных станках [1, 2].

Известен способ центробежного литья труб, заключающийся в заливке жидкого металла в охлаждаемую форму, вращающуюся вокруг своей оси, затвердевании в ней металла и выталкивании заготовки [3, 4].

Известен также способ полунепрерывного вертикального литья труб, включающий заливку жидкого металла в кольцевое пространство между наружным и внутренним кристаллизаторами и стержнем, извлечении затвердевшей заготовки [5, 6].

Известно устройство для центробежного литья труб, содержащее металлические охлаждаемые изложницы, желоб с заливочным устройством для раструба [3, 4].

Известно также устройство для полунепрерывного вертикального литья труб, содержащее литниковую систему, наружный и внутренний кристаллизаторы, стержень, систему разъема и опускания стола [5, 6].

Наиболее близким к предлогаемому способу и устройству является машина для непрерывного литья полых слитков преимущественно вертикального типа, содержащая кристаллизатор, центральный стержень (дорн) с приводом вращения и нагружающим устройством, механизм вытягивания слитка и затравку [7].

Недостатки способа прошивки заготовок на прессах заключаются в ограничении массы изделия, так как существует соотношение между длиной заготовки и диаметром пуансона, равное 7^oC1. Превышение отношения 7:1 приводит к появлению эксцентриситета между внутренним и наружным диаметрами заготовки. Кроме этого, расходы по переделу металла составляют более 20%. Способ прошивки заготовок включает отдельно выполняемые трудоемкие операции, заключающиеся в литье слитков, их обжиму, ковке, сверлении отверстий к прошивке.

Недостатки способа центробежного литья труб заключаются в сравнительно большом браке заготовок по горячим трещинам, в развитии встречного фронта кристаллизации в процессе затвердевания заготовки и в повышении загрязненности металла со стороны внутренней поверхности при литье крупногабаритных отливок. Кроме этого, при центробежном литье возможно получение труб только ограниченной длины, а также периодический режим работы машины не позволяет увеличить производительность установки.

Общие недостатки, присущие полунепрерывному вертикальному литью труб заключаются в следующем: 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 кристаллизаторов, согласование скорости заливки металла и вытягивания заготовки; наличие холодных и горячих трещин, газовых раковин в заготовке, надрыв корочки; ограниченная толщина стенки трубы, составляющая 7 - 1ЗО мм.

Машина для непрерывного литья полых слитков [7], выбранная в качестве прототипа заявляемых способа и устройства, имеет все перечисленные недостатки, присущие полунепрерывному вертикальному литью труб. Кроме этого, за счет вращения дорна на ней невозможно получать полые слитки с произвольной формой наружной и внутренней поверхности. Наличие устройства для вытягивания полых слитков создает вероятность отрыва заготовки за счет возникновения растягивающих напряжений в корочке. Необходимость строгого согласования скорости вытягивания заготовки с заливкой жидкого металла в кристаллизатор затрудняет эксплуатацию машины.

Заявляемый способ направлен на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывнолитых заготовок.

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

Заявляемый способ характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: заливка жидкого металла в пространство между стенками кристаллизатора и установленным в нем центральным стержнем; вытягивание полой заготовки.

Отличительные признаки: кристаллизатор выполнен с двумя вертикальными, совершающими возвратно-поступательное движение, и двумя наклонными в верхней части, совершающими вращательное движение, стенками; центральный стержень устанавливают на двух вертикальных стенках; центральный стержень вводят в момент выхода кристаллизатора на режим разливки металла; центральный стержень вводят в кристаллизатор при предварительном его нагреве до средней температуры рабочих поверхностей стенок кристаллизатора.

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

Изготовление кристаллизатора с двумя вертикальными стенками, совершающими возвратно-поступательное движение, исключает приваривание расплава к стенкам и уменьшает усилие, необходимое для проталкивания затравки и металла вниз кристаллизатора.

Выполнение двух стенок кристаллизатора наклонными в верхней части и совершающими вращательное движение, обеспечивает условия захвата, обжатия и проталкивания затравки с металлом вниз кристаллизатора. При этом отпадает необходимость наличия дополнительного устройства для вытягивания затравки и заготовки, а соответственно уменьшаются затраты времени на обслуживание установки, повышается надежность ее работы.

Установка центрального стержня на двух вертикальных стенках, совершающих возвратно-поступательное движение, обеспечивает возможность его перемещения со стенками как одно целое, а соответственно исключается налипание и приваривание металла к стержню и получение непрерывнолитых полых заготовок с блестящей внутренней поверхностью отверстия.

Введение центрального стержня в кристаллизатор в момент его выхода на режим работы увеличивает срок службы стержня за счет более высокой температуры разливаемого металла, а соответственно большей его пластичности и податливости при деформационных процессах. Кроме этого, уменьшается нагрузка на приводные валы стенок, выполненных наклонными в верхней части, т. е. уменьшается вероятность их искривления с последующим выходом из строя, дополнительно уменьшается мощность привода кристаллизатора, т. е. расход электроэнергии.

При этом время выхода кристаллизатора на стационарный установившийся режим работы определяется экспериментально в результате измерения температуры поверхности стенок, контактирующих с металлом. Разогрев кристаллизатора может быть осуществлен разливаемым металлом, электронагревом стенок, радиационным излучением, пламенем горелок или другими методами.

Предварительный нагрев вводимого в кристаллизатор стержня до средней температуры рабочих поверхностей стенок исключает переохлаждение разливаемого металла и налипание его на всей длине поверхности стержня. Кроме этого уменьшается вероятность обрыва центрального стержня и мощность электропривода установки в момент введения центрального стержня в кристаллизатор.

Введение нагретого центрального стержня в кристаллизатор с опозданием через некоторое время после выхода его на стационарный установившийся режим работы увеличивает обрезь разливаемого металла, идущего на переплав, для случая разогрева кристаллизатора расплавом.

Для реализации заявляемого способа заявляется устройство, уровень техники которого известен [1-7].

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства заключается в: упрощении конструкции устройства; повышении надежности работы устройства.

Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: разливочная емкость с дозирующим устройством и погружными стаканами; водоохлаждаемый кристаллизатор; центральный стержень, выполненный с конической верхней и калибровочной нижней зонами.

Отличительные признаки: кристаллизатор выполнен с двумя вертикальными стенками с возможностью возвратно-поступательного движения и двумя стенками, выполненными наклонными в верхней части, с возможностью вращательного движения; пазы в верхней части вертикальных стенок вдоль их оси, в которые устанавливается центральный стержень; глубина пазов h связана с высотой наклонного участка H стенок соотношением h/H = 0,15^oC0 - 20; поверхность центрального стержня на всей его рабочей длине l выполнена конической; длина центрального стержня L связана с высотой вертикальных стенок H₀ соотношением
L^oC(H₀ + (e₁ + e₂))=1^oC1,05,
где
L=l+h,
e₁ - эксцентриситет приводных валов стенок, выполненных наклонными в верхней части, e₂ - тоже вертикальных стенок.

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

Выполнение кристаллизатора с двумя вертикальными стенками с возможностью возвратно-поступательного движения исключает необходимость наличия механизма качания кристаллизатора и исключает приваривание металла к стенкам.

Выполнение кристаллизатора с двумя наклонными в верхней части стенками с возможностью вращательного движения обеспечивает условия захвата, обжатия и проталкивания металла на нижний калибровочный участок. Кроме этого, наличие наклонной поверхности обеспечивает более интенсивный теплообмен металла со стенкой кристаллизатора за счет увеличения давления корочки при контактном теплообмене. Увеличение поверхности контакта металла при одной и той же высоте кристаллизатора приводит к возрастанию количества отводимого тепла. В результате этого толщина корочки металла, образующейся за одно и тоже время, возрастет по сравнению с ростом корочки на вертикальных поверхностях. В данном случае кристаллизатор в верхней части имеет большее поперечное сечение, чем в нижней части, что облегчает условия заливки металла. Увеличение количества тепла, отводимого от металла в единицу времени, приводит к увеличению скорости кристаллизации и уменьшению времени затвердевания заготовки.

Выполнение в верхней части вертикальных стенок вдоль их оси пазов обеспечивает установку в них центрального стержня, надежную его фиксацию в процессе работы и перемещение как одно целое с вертикальными стенками.

Уменьшение отношения глубины пазов h к высоте H наклонного участка стенок h/H <0,15 приводит к возможности деформации стержня при перекосе вертикальных стенок, обусловленном деформацией приводных валов. Кроме этого, возможно срезание металла центрального стержня, находящегося в пазах, за счет недостаточной площади его поперечного сечения и превышении касательных напряжений среза больше допустимых, т. е. h/H - соответственно рабочие и допустимые напряжения среза металла стержня, находящегося в пазах, P - усилие, приходящееся на центральный стержень, при его перемещении вверх вместе с вертикальными стенками относительно продавливаемого вниз кристаллизатора разливаемого металла.

Увеличение отношения h/H > 0,20 ухудшает процесс разливки металла при поднятии уровня расплава в кристаллизаторе и его перемешивание в горизонтальной плоскости за счет перекрытия проходного сечения габаритами верхней части центрального стержня.

Выполнение поверхности центрального стержня на всей его рабочей длине 1 конической с углом наклона а облегчает условия срыва разливаемого металла и проталкивания относительно стержня полой заготовки вниз кристаллизатора за счет перераспределения нормальных и касательных и напряжений на поверхности стержня и уменьшения силы трения F поверхности заготовки со стержнем (фиг. 3). Сила трения F_тр заготовки с поверхностью стержня определяется выражением F_тр =kP, где k - коэффициент трения, P - нормальная составляющая силы к поверхности.

Взаимосвязь полной длины центрального стержня L с высотой вертикальных стенок H₀ и эксцентриситетами e₁ и e₂ приводных валов в виде соотношения L/(H₀ +(e₁ + e₂ )) = 1-1,05 вытекает из следующих соображений. В процессе работы кристаллизатора в момент максимального обжатия металла вертикальные стенки находятся в верхнем крайнем положении со смещением на величину эксцентриситета валов e₂, а стенки, выполненные наклонными в верхней части, смещены вниз на величину эксцентриситета e₁ по сравнению с положением стенок кристаллизатора при недеформированном металле, показанное на фиг. 1.

Уменьшение отношения L/(H₀ + (e₁ + e₂)) <1 приводит в ряде случаев к ухудшению качества внутренней поверхности полой заготовки в момент максимального обжатия металла и недостаточной длины центрального стержня. При этом на внутренней поверхности полой заготовки возможно образование насечек за счет недостаточной длины стержня и при разливке перегретого металла.

Увеличение соотношения L/(H₀ + (e₁ + e₂)) < 1,05 приводит к необходимости увеличения расхода металла на изготовление центрального стержня, увеличению усилий выталкивания искривленной заготовки при ее повороте влево или вправо относительно кристаллизатора, а также ухудшает качество внутренней поверхности заготовки и вызывает износ конца центрального стержня при повороте заготовки.

На фиг. 1 показан внешний вид заявляемого устройства; на фиг. 2 - сечение А-А в горизонтальной плоскости по фиг. 1; на фиг. 3 - сечение В-В в вертикальной плоскости по фиг. 1.

Устройство состоит из разливочной емкости (фиг.1,2) 1 c дозирующим устройством и погружными стаканами 2, центрального стержня 3, водоохлаждаемого кристаллизатора с двумя стенками 4, выполненными наклонными в верхней части, и двумя вертикальными стенками 5 с пазами 6. Вертикальные стенки 5 выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения, а стенки 4 - с возможностью вращательного движения.

Перед установкой центрального стержня 3 производится разогрев кристаллизатора с выходом его на стационарный установившийся режим работы при разливке конкретного металла и одновременно разогрев самого стержня. После разогрева кристаллизатора разливаемым металлом в него вводят центральный стержень 3, устанавливаемый в верхней части вертикальных стенок 5 в пазах 6. При разогреве кристаллизатора газовыми горелками или за счет электронагрева центральный стержень устанавливается одновременно с помощью специальной затравки, предотвращающей выливание жидкого металла.

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкий металл с незначительным перегревом из разливочной емкости 1 через погружные стаканы 2 поступает на стенки 4 и 5, на которых происходит его затвердевание. Часть жидкого металла проникает в зазор между вертикальными поверхностями стенок 4 и 5, а также центральным стержнем 3. В начальный момент разливки донная часть кристаллизатора перекрывается специальной затравкой. После заполнения вертикального канала расплавом включается электродвигатель с механизмами привода стенок 4 и 5. При этом стенки 5 совершают возвратно-поступательное движение, а стенки 4 - вращательное движение с обжатием образующейся заготовки на центральном стержне 3, установленном в пазах 6 стенок 5. После обжатия металла на наклонных поверхностях стенок и центральном стержне происходит его проталкивание в калибрующий вертикальный канал, в котором металл приобретает форму готового изделия. Непрерывная подача расплава в кристаллизатор с последующим его обжатием и калибровкой заготовки обеспечивают получение готового изделия.

Выполненные исследования разливки свинца и алюминия в кристаллизатор с вертикальными и наклонными в верхней части стенками показали, что в заявляемом варианте получения непрерывнолитых полых заготовок улучшается качество внешней и внутренней поверхности, а также внутренней структуры. Заготовки можно получать практически с любой толщиной стенки и конфигурацией поверхностей. Упрощается конструкция установки и повышается надежность ее работы.

Использованная литература.

1. Ильин Л. Н. Основы учения о пластической деформации. М.: 1980. - c. 150.

2. Семенов Е. И., Кондратенко В.Г., Ляпунов И.И. Технология и оборудование ковки и объемной штамповки. М.: 1978. - c. 311.

3. Авт. св. СССР N 1412887 МКИ⁴ B 22 D 13/02. Центробежная машина для отливки труб / Ю.К. Гонтарев, Ю.М. Михайлов, Б.А. Искра и др.- Опубл. 30. 07. 88. Бюл. N 28.

4. Стерлинг Е.Ю., Цвиркун О.Ф., Мирзоян Г.С., Соловьев Ю.Г. Центробежное суспензионное литье стальных труб // Литье с применением инокуляторов. Киев: ИПЛ АН УССР, 1981. c. 87-93.

5. Труболитейное производство / Б.Д.Хахалин, В.И.Семко, А. Н. Смоляков и др. М.: Металлургия, 1977. - c. 244.

6. Тутов В.И., Гринберг В.А., Земской И.В. Вертикальное непрерывное литье заготовок // Литейное производство. 1983. N4. c. 28-29.

7. Авт. св. СССР N 1214316 B 22 D 11/14. Машина для непрерывного литья полых слитков / М.Я. Бровман, И.К. Марченко, С.М. Гензелев и др. - Опубл. 1986. Бюл. N 8.

Формула изобретения

1. Способ получения непрерывнолитых полых заготовок, включающий заливку жидкого металла в пространство между стенками кристаллизатора и установленным в нем центральным стержнем и вытягивание полой заготовки, отличающийся тем, что используют кристаллизатор с двумя вертикальными и двумя наклонными в верхней части рабочими стенками, которым сообщают соответственно возвратно-поступательное и вращательное движение, при этом центральный стержень предварительно нагревают до средней температуры рабочих поверхностей стенок кристаллизатора и устанавливают в кристаллизатор на двух его вертикальных стенках в момент выхода на рабочий режим разливки заливаемого металла.

2. Устройство для получения непрерывнолитых полых заготовок, содержащее разливочную емкость с дозирующим средством и погружными стаканами, водоохлаждаемый кристаллизатор и установленный в нем центральный стержень, выполненный с конической верхней и калибровочной нижней зонами, отличающееся тем, что кристаллизатор выполнен с двумя вертикальными, имеющими возможность возвратно-поступательного движения, и двумя наклонными в верхней части, имеющими возможность вращательного движения, рабочими стенками, при этом в верхней части вертикальных стенок вдоль их оси выполнены пазы, в которые установлен центральный стержень, а глубина h пазов и высота H наклонного участка рабочих стенок связаны соотношением h / H 0,15 0,20.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что поверхность центрального стержня на его рабочей длине l выполнена конической, при этом полная длина L центрального стержня связана с высотой вертикальных стенок кристаллизатора H₀ соотношением
L / (H₀ + (e₁ + e₂)) 1,0 1,05,
где L l + h;
e₁ эксцентриситет приводных валов для стенок, выполненных наклонными в верхней части;
e₂ то же, для вертикальных стенок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3