Способ получения непрерывнолитых деформированных заготовок и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии и направлено на создание высокопроизводительного процесса непрерывной разливки с одновременной деформацией заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов. Способ включает ввод в кристаллизатор лент без их плавления. Формирование затвердевшей корочки заготовки осуществляют только на стенках второй пары кристаллизатора, совершающей возвратно-поступательное движение. Деформирование заготовки осуществляют после срастания корочек в расширяющейся верхней части рабочей полости кристаллизатора при соотношении высоты h от нижней точки срастания корочек до выхода из расширяющейся рабочей полости к ширине заготовки b вдоль стенок первой пары, равном h/b = 0,2-0,5. Соотношение сторон получаемой на выходе из кристаллизатора заготовки составляет b/а= 0,5-1, где b - ширина заготовки вдоль стенок первой пары, а - ширина заготовки вдоль стенок второй пары. Устройство снабжено барабанами для ввода двух лент в вертикальный кристаллизатор и средством для прижатия лент к поверхности стенок, продольные водоохлаждаемые каналы выполнены только в стенках второй пары. На поверхности стенок первой пары в верхней расширяющейся части установлены сменные вставки. Соотношение коэффициентов теплопроводности металла стенок второй пары λ₂ и материала рабочего слоя сменной вставки λ₁ равняется λ₂/λ₁ = 250 - 300. Сменная вставка состоит из металлической основы и рабочего слоя, в котором установлен тензометрический датчик. Способ и устройство улучшают качество поверхности и внутренней структуры заготовок из труднодеформируемых металлов. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к непрерывной разливке с одновременной деформацией заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов.

Известен способ непрерывной разливки металла [1, патент N 2077766 RU. Способ непрерывной разливки металла и установка для его осуществления /В.В. Стулов, В.И. Одиноков. Опубл. 20.04.97. Бюл. N 11], заключающийся в заливке жидкого металла в кристаллизатор, введении в него лент, формировании заготовки и ее непрерывном вытягивании; ленты вводят в кристаллизатор перед заливкой металла с последующим их разогревом и плавлением, формирование заготовки осуществляют с одновременным обжатием и калиброванием ее поверхности при непрерывном выталкивании, а ленты изготовлены из материала разливаемого металла.

Недостаток способа [1] заключается в том, что расплавление вводимых в кристаллизатор лент не позволяет использовать ленты в качестве корочки заготовки. Кроме того, формирование корочки на всех стенках кристаллизатора затрудняет получение заготовок из труднодеформируемых сплавов по причине их растрескивания на границах фронтов кристаллизации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [2, патент N 2112622 RU. Способ получения непрерывнолитых заготовок и устройство для его осуществления /В.В. Стулов, В.И. Одиноков. Опубл. 10.06.98. Бюл. N 16], включающий введение затравки в вертикальный кристаллизатор, состоящий из двух пар противоположно расположенных стенок с расширяющейся в верхней части рабочей полостью, подачу в него расплава, формирование затвердевшей корочки заготовки с деформированием и проталкиванием затравки из кристаллизатора, стенки которого приводят в движение, сообщая одной паре стенок вращательное движение, а другой паре - возвратно-поступательное движение.

Недостатком известного способа получения непрерывнолитых заготовок [2] являются трудности управления процессом формирования металла при срастании корочек по периметру кристаллизатора, приводящее к растрескиванию и обрыву заготовок.

Заявляемый способ направлен на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывнолитых деформированных заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в следующем: - повышениe производительности процесса получения непрерывнолитых деформированных заготовок; - увеличениe выхода годных заготовок; - улучшениe качества поверхности и внутренней структуры заготовок; - получениe профильных заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов.

Заявляемый способ характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: введение затравки в вертикальный кристаллизатор; кристаллизатор состоит из двух пар противоположно расположенных стенок с расширяющейся в верхней части рабочей полостью; подача в кристаллизатор расплава; введение в кристаллизатор двух лент вдоль стенок первой пары, причем ленты выполнены из материала разливаемого металла; формирование затвердевшей корочки заготовки; деформирование и проталкивание затравки и заготовки из кристаллизатора; стенки кристаллизатора приводят в движение, сообщая одной паре стенок вращательное движение, а другой паре стенок - возвратно-поступательное движение.

Отличительные признаки: в кристаллизатор вводят ленты из материала разливаемого металла без их плавления; формирование затвердевшей корочки заготовки осуществляют только на стенках второй пары, совершающей возвратно-поступательное движение; деформирование заготовки после срастания корочек в расширяющейся верхней части рабочей полости кристаллизатора; деформирование заготовки, осуществляют при соотношении высоты h от нижней точки срастания корочек до выхода из расширяющейся рабочей полости к ширине заготовки b вдоль стенок первой пары, равном h/b=0,2-0,5; соотношение сторон, получаемой на выходе из кристаллизатора заготовки составляет b/a=0,5-1, где a - ширина заготовки вдоль стенок второй пары.

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

Введение в кристаллизатор лент из материала разливаемого металла без их плавления позволяет выполнять им роль корочки заготовки вдоль стенок первой пары и предотвращает выливание расплава. Кроме того, обеспечивается защита стенок первой пары от преждевременного износа и намораживания разливаемого металла.

Формирование затвердевшей корочки заготовки только на стенках второй пары, совершающей возвратно-поступательное движение, позволяет уменьшить количество сращивающихся фронтов кристаллизации с пяти (при формировании корочки на стенках первой и второй пары) до одного фронта кристаллизации и соответственно уменьшить вероятность растрескивания заготовки при ее деформации по границе одного из фронтов. Кроме того, формирование корочки только на стенках второй пары позволяет регулировать свойства металла в широких пределах, так как деформирование металла осуществляется на стенках первой пары в направлении, перпендикулярном росту кристаллитов. В результате изменения степени деформации металла получают заготовки с заданными размерами кристаллитов, то есть с особыми физическими свойствами.

Деформирование заготовки после срастания корочек в расширяющейся верхней части рабочей полости при соотношении h/b < 0,2 (где h - высота от нижней точки срастания корочек до выхода из расширяющейся рабочей полости, b - ширина заготовки вдоль стенок первой пары), с одной стороны, не позволяет получить заготовку с высоким значением степени обжатия металла, а с другой стороны, возникает опасность выливания металла из кристаллизатора.

Деформирование заготовки после срастания корочек в расширяющейся верхней части рабочей полости при соотношении h/b > 0,5 приводит, с одной стороны, к увеличению количества закристаллизовавшегося металла и необходимости увеличения мощности привода кристаллизатора и прочности всей конструкции, а с другой стороны, к возможности обрыва заготовки по причине зависания металла, обусловленного кинематическими особенностями работы стенок первой пары.

Получение на выходе из кристаллизатора заготовки с соотношением сторон b/a < 0,5 (где b - ширина заготовки вдоль стенок первой пары) не позволяет рационально распределить усилие деформации по всей заготовке, соответственно уменьшается эффективность работы всей установки и процесса в целом с потерей производительности.

Получение на выходе из кристаллизатора заготовки с соотношением сторон b/a > 1,0 также приводит к потере производительности процесса деформации, что особенно проявляется при недостаточной эффективности охлаждения стенок второй пары, регулирующей скорость кристаллизации, а также при разливке металлов и сплавов с низким значением коэффициента температуропроводности (сталь), что приводит к недостаточной толщине образующихся на стенках корочек.

Для реализации заявляемого способа заявляется устройство, уровень техники которого известен [2, 3].

Известная установка для непрерывного литья заготовок [3, патент N 2086343 RU. Установка для непрерывного литья заготовок /В.В. Стулов, В.И. Одиноков. Опубл. 10.08.97. Бюл. N 22] содержит разливочный ковш со стаканом, кристаллизатор и барабаны для ввода двух лент, средство для прижатия лент к поверхности стенок.

Недостаток установки [3] заключается в невозможности обеспечить в кристаллизаторе формирование корочки заготовки только на стенках одной пары.

Наиболее близким к предложенному устройству является устройство для получения непрерывнолитых заготовок [2] , содержащее разливочный ковш с погружным стаканом, вертикальный кристаллизатор, состоящий из двух пар стенок с продольными водоохлаждаемыми каналами в них, стенки первой пары которого выполнены в верхней части расширяющимися под углом наклона к вертикали 10^o с возможностью совершать вращательные движения, а стенки второй пары выполнены с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, и затравку.

Недостаток устройства [2] заключается в том, что выполнение в стенках первой пары продольных водоохлаждаемых каналов приводит к переохлаждению стенок и формированию на ней корочки металла, ухудшающее процесс деформации с растрескиванием заготовки. Кроме того, отсутствие в стенках первой пары тензометрических датчиков не позволяет осуществлять контроль напряжений деформации заготовки.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства, заключается в повышении надежности его работы и в возможности получения качественных заготовок из труднодеформируемых металлов и сплавов.

Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: разливочный ковш с погружным стаканом; барабаны с лентами; вертикальный кристаллизатор, состоящий из пар стенок с продольными водоохлаждаемыми каналами в них; стенки первой пары кристаллизатора выполнены в верхней части расширяющимися под углом наклона к вертикали 10^o с возможностью совершать вращательные движения; стенки второй пары кристаллизатора выполнены с возможностью совершать возвратно-поступательные движения; затравка; средство для прижатия лент к поверхности стенок.

Отличительные признаки: устройство снабжено барабанами для ввода двух лент в вертикальный кристаллизатор и средством для прижатия лент к поверхности стенок, продольные водоохлаждаемые каналы выполнены только в стенках второй пары; на поверхности стенок первой пары в верхней расширяющейся части установлены сменные вставки из металла с более высокой температурой плавления, чем разливаемый металл; соотношение коэффициентов теплопроводности металла стенок второй пары λ₂ и материала рабочего слоя сменной вставки λ₁ равняется λ₂/λ₁ = 250-300; сменная вставка состоит из металлической основы и рабочего слоя; в рабочем слое установлен тензометрический датчик.

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

Выполнение продольных водоохлаждаемых каналов только в стенках второй пары кристаллизатора позволяет поддерживать их в процессе разливки расплава при температуре, необходимой для формирования корочки заготовки.

Установка на поверхности стенок первой пары в верхней расширяющейся части сменных вставок из материала с более высокой температурой плавления, чем разливаемый металл, обеспечивает более длительный срок службы стенок. Кроме того, исключается необходимость снятия самих стенок первой пары для ремонта при их износе, а заменяются только сменные вставки.

Выполнение стенок второй пары кристаллизатора из металла с коэффициентом теплопроводности λ₂ а материала рабочего слоя сменной вставки с коэффициентом теплопроводности λ₁, обеспечивающee соотношение λ₂/λ₁ < 250, приводит к дополнительному формированию корочки на стенках первой пары, затрудняющее процесс деформации заготовки.

Выполнение стенок второй пары кристаллизатора и материала рабочего слоя сменной вставки с коэффициентами теплопроводности соответственно λ₂ и λ₁, обеспечивающеe соотношение λ₂/λ₁ > 300, приводит к необходимости изготовления стенок второй пары из чистой меди, имеющей недостаточную твердость поверхности и как результат - ограниченный срок их службы. Кроме того, возникают затруднения с выбором материала рабочего слоя сменной вставки, имеющего достаточную прочность при высоких температурах и минимальное значение коэффициента теплопроводности λ₁.

Изготовление сменной вставки с металлической основой, на которой закреплен рабочий слой, позволяет многократно использовать вставку после замены рабочего слоя. Кроме того, наличие металлической основы исключает деформации и повреждения рабочего слоя при установке сменной вставки на стенки первой пары кристаллизатора.

Установка в рабочий слой сменной вставки тензометрического датчика позволяет определять напряжения деформации металла, от которых зависит качество получаемой заготовки. Кроме того, значения напряжений, возникающие в сменной вставке являются исходными данными при выборе материала рабочего слоя.

На фиг. 1 приведен внешний вид заявляемого устройства; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид устройства со стороны наклонных стенок (сбоку).

Заявляемое устройство состоит из разливочного ковша 1 с погружным стаканом 2, барабанов 3 с лентами 4, средства 5 для прижатия лент, вертикального кристаллизатора 6 со стенками 7 первой пары, в которых установлены сменные вставки 8, стенок 9 второй пары с продольными водоохлаждаемыми каналами 10, затравки 11. Сменная вставка 8 состоит из металлической основы 12 и рабочего слоя 13 с тензометрическим датчиком 14.

Перед началом разливки металла в кристаллизатор 6 вдоль стенок 7 первой пары с барабанов 3 заводятся ленты 4, которые прижимаются к поверхности средством 5. Между лентами 4 в нижней части кристаллизатора устанавливается затравка 11. Включается подача воды в продольные водоохлаждаемые каналы 10 стенок 9 второй пары кристаллизатора.

Способ осуществляется заявляемым устройством следующим образом.

Жидкий металл из разливочного ковша 1 через погружной стакан 2 поступает в кристаллизатор 3 и заполняет его. После достижения расплавом определенного уровня заливки и формирования корочек на стенках 9 второй пары с их срастанием на расстоянии h от выхода из расширяющейся рабочей полости кристаллизатор 6 включается в работу. При этом стенки 7 первой пары совершают вращательные движения с обжатием заготовки между лентами 4, а стенки 9 второй пары совершают возвратно-поступательное движение с выталкиванием затравки 11 и заготовки из кристаллизатора. Одновременно с работой кристаллизатора включается подача лент 4 с барабанов 3. Сменная вставка 8 с металлической основой 12 и закрепленным на ней рабочим слоем 13 с низким значением коэффициента теплопроводности быстро разогревается и препятствует отводу тепла от разливаемого металла стенками 7 первой пары. Тензометрический датчик 14 непрерывно регистрирует напряжение деформации заготовки в процессе всей разливки.

Формула изобретения

1. Способ получения непрерывнолитых деформированных заготовок, включающий введение затравки в вертикальный кристаллизатор, состоящий из двух пар противоположно расположенных стенок с расширенной в верхней части рабочей полостью, подачу в него расплава, введение в кристаллизатор двух лент вдоль стенок первой пары, причем ленты выполнены из материала разливаемого металла, формирование затвердевшей корочки заготовки, деформирование и проталкивание затравки и заготовки из кристаллизатора, стенки которого приводят в движение, сообщая одной паре стенок вращательное движение, а другой - возвратно-поступательное движение, отличающийся тем, что в кристаллизатор вводят ленты без их плавления, осуществляют формирование затвердевшей корочки заготовки только на стенках пары, совершающей возвратно-поступательное движение с деформированием заготовки после срастания корочек в расширенной верхней части рабочей полости кристаллизатора при соотношении высоты h от нижней точки срастания корочек до выхода из расширенной рабочей полости к ширине заготовки b вдоль стенок пары, совершающей вращательное движение, равном h/b = 0,2 - 0,5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение сторон получаемой на выходе из кристаллизатора заготовки составляет b/a = 0,5 - 1, где b - ширина заготовки вдоль стенок первой пары, а - ширина заготовки вдоль стенок второй пары.

3. Устройство для получения непрерывнолитых деформированных заготовок, содержащее разливочный ковш с погруженным стаканом, вертикальный кристаллизатор, состоящий из двух пар стенок с продольными водоохлаждаемыми каналами в них, причем стенки первой пары выполнены в верхней части расширенными под углом наклона к вертикали 10^o с возможностью совершать вращательные движения, а стенки второй пары выполнены с возможностью совершать возвратно-поступательные движения, затравку, отличающееся тем, что оно снабжено барабанами для ввода двух лент в вертикальный кристаллизатор и средством для прижатия лент к поверхности стенок, продольные водоохлаждаемые каналы выполнены только в стенках второй пары, а на поверхности стенок первой пары в верхней расширенной части установлены сменные вставки из материала с более высокой температурой плавления, чем разливаемый металл, при этом соотношение коэффициентов теплопроводности металла стенок второй пары λ₂ и материала рабочего слоя сменной вставки λ₁ равняется λ₂/λ₁ = 250 - 300.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сменная вставка состоит из металлической основы и рабочего слоя, в котором установлен тензометрический датчик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3