КРИСТАЛЛИЗАТОР

Полезная модель относится к металлургическому производству и предназначена для получения из алюминиевых сплавов предпрокатных слитков с заданными характеристиками.
Известны способы и устройства для кристаллизации алюминиевых сплавов: RU №№1082310, 1088653, 2039830, 2055682, 53193, 2299924, 2312156.
Известен кристаллизатор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное в нем перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей, и привод вала, причем корпус снабжен установленной с зазором вокруг вала с лопастями цилиндроконической обечайкой, коническая суживающаяся книзу часть которой расположена над днищем, а каждая лопасть перемешивающего устройства состоит из двух изогнутых в виде части параболоида пластин, укрепленных вертикально и противоположно одна другой так, что их нижние кромки расположены на одной линии, при этом площадь одной пластины превышает площадь другой и каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40 50°С, а вал перемешивающего устройства установлен с возможностью вращения, причем нижние лопасти имеют участки, расположенные вне конической части обечайки, и выполнены так, что форма их нижних кромок аналогична форме днища корпуса (RU №2039830).
Недостатками известного технического решения является низкое качество слитков, связанное с неизбежно получаемым поликристаллическим строении, практически не имеющим доминирующей кристаллографической ориентации, а также сложность конструкции, связанная с необходимостью перемешивающего устройства.
Наиболее близким к заявленному является техническое решение по RU №2312156, предполагающее решение задачи получения слитков из алюминиевых сплавов с заданной кристаллической структурой и с заданными характеристиками в гравитационном поле с использованием кристаллизатора на основе центрифуги, т.е. содержащее установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения,
Недостатками известного технического решения является отсутствие конструктивного решения, обеспечивающего на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в гравитационном поле, неоднородность поверхностного слоя слитков, связанная с возможностью взаимодействия кристаллизуемого расплава со стенками корпуса в условиях гравитационного поля, в результате чего снижается качество слитка, быстрый износ корпуса под воздействием расплава в гравитационном поле, а также узость функциональных возможностей, обусловленная ограничением по скорости вращения.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного кристаллизатора и расширение арсенала кристаллизаторов для алюминиевых сплавов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в том, что обеспечено практическое изготовление слитков из алюминиевых сплавов в гравитационном поле, повышено качество слитков благодаря исключению температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечена сохранность корпуса благодаря защите от высокотемпературного расплава, а также расширены функциональные возможности получения сплавов различной структуры благодаря расширению диапазона скоростей подшипников.
Сущность полезной модели состоит в том, что кристаллизатор содержит установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным
приводом вращения, при этом корпус и крышка снабжены двухслойной облицовкой внутренней поверхности, причем один слой облицовки выполнен в виде футеровки шамотом, закрепленной термостойким клеем к стенкам корпуса, а второй слой облицовки выполнен из мелкозернистого графита, закрепленного термостойким клеем на футеровку, при этом подшипники установлены в блоке, выполненном с возможностью подачи охлаждающей жидкости.
Предпочтительно, подшипники выполнены в виде конических радиально-упорных подшипников, а привод вращения вала выполнен в виде ведомого шкива гибкой, например, клиноременной передачи; крышка снабжена кольцевым выступом для размещения в кольцевом пазу, дополнительно выполненном на фланце корпуса; днище корпуса выполнено с отверстием, в котором закреплена втулка с коническим отверстием для установки вала; блок подшипников снабжен комбинированными сальниками представляющие собой графитовый шнур и металлорезиновые манжеты; корпус выполнен из жаростойкой стали; слой облицовки в виде графита выполнен из мелкозернистого графита с толщиной, составляющей половину толщины облицовки в виде футеровки шамотом; слой шамота выполнен толщиной 30 мм, а слой графита - толщиной 15 мм; кристаллизатор снабжен средствами контроля температуры корпуса и температуры кристаллизуемого расплава.
На чертеже изображена конструктивная схема кристаллизатора.
Кристаллизатор состоит из емкости для кристаллизации расплава в виде цилиндрического корпуса 1 с размерами, например: диаметр 1000 мм, высота 400 мм, толщина стенки 25 мм. В нижней части корпуса 1 вварено днище 2 толщиной 25 мм из жаростойкой стали 12Х18Н10Т. Высота корпуса 1 равна, например, 400 мм. Верхняя часть корпуса 1 снабжена фланцем 19, в котором сделаны восемь резьбовых отверстий 3 с резьбой М14 для крепления крышки 4 толщиной равной, например, 15 мм. Фланец 19 имеет кольцевой паз (выточку) 5, а в крышке 4 выполнен кольцевой выступ 6, который при закручивании болтов 7 входит в паз 5 и тем самым придает необходимую жесткость верхней части корпуса 1 кристаллизатора.
Внутренняя поверхность корпуса 1 и днища 2 имеют двухслойную облицовку внутренней поверхности, т.е. футерованы слоем 8 легковесного шамота толщиной, например, 30 мм. Шамот - огнеупорная глина (или каолин), обожженная до потери пластичности и удаления химически связанной воды. Слой 8 шамота крепится слоем 9 термостойкого клея. После высыхания клея поверхности слоя 9 предварительно протачиваются для устранения радиального и торцевого биения с целью исключить дисбаланс всей конструкции. На проточенную поверхность, с помощью термостойкого клея крепится второй слой 10 футеровки из мелкозернистого графита марки МГП-7 толщиной, например, 15 мм. После высыхания клея поверхность слоя 10 окончательно протачиваются с условием получением уклона в 3 градуса на боковой поверхности и 1 градус на днище 2.
В днище 2 корпуса 1 вварена втулка 20 с коническим отверстием (не обозначено), в которое входит вал 11 кристаллизатора, являющийся, по сути, осью вращения. Корпус 1 фиксируется на валу 11 гайкой (не изображена) с возможностью совместного с валом 11 вращения. Вал 11 установлен в подшипниках для чего вертикально входит в блок 12 подшипников в котором находятся два конических радиально-упорных подшипника 13. В верхней и нижней части блока 12 подшипников установлены комбинированные сальники 14 представляющие собой графитовый шнур 15 и металлорезиновые (резинометаллические) манжеты 16, предназначенные для герметизации блока 12 подшипников в котором циркулирует охлаждающая жидкость, например, высокотемпературное масло. Масло в свою очередь поступает в бак (не изображен), который сделан из алюминия. При прокачке масла бак забирает тепло нагретого масла, охлаждая его. Циркуляция масла происходит с помощью насоса (не изображен), установленного в этом баке.
В нижней части вала 11 установлен ведомый шкив 18, на который через гибкую клиноременную передачу (не изображена) передается вращение, например, от двигателя постоянного тока мощностью 12 КВт (не изображен). Контроль и управление кристаллизатором осуществляются с пульта (не изображен), позволяющего изменять и контролировать обороты
кристаллизатора, контролировать температуру корпуса 1 перед заливкой расплава и температуру самого расплава с момента заливки до момента извлечения готового слитка.
Кристаллизатор работает следующим образом.
В предварительно прогретый кристаллизатор, вращающийся с определенной скоростью, необходимой для ориентации расплава по наружному диаметру днища 2, через отверстие в крышке 4 заливается расплав алюминия с температурой порядка 750-900С. Облицовка из слоев 8, 10 не допускает резкого нагрева и температурной деформации корпуса 1. Сразу после окончания процесса заливки обороты вала 11 с корпусом 1 кристаллизатора повышаются до значения, соответствующего значению перегрузки в расплаве в диапазоне 120-250G под действием центробежной силы.
При прокачке масла через блок 12 отбирается тепло, охлаждая корпус 1 с расплавом. Подача охлаждающей жидкости в блок 12 позволяет подшипникам 13 работать в таком широком диапазоне угловых скоростей. Таким образом, кристаллизацию расплава сопровождает мощное гравитационное поле. Влияние гравитационного поля на кристаллизующийся расплав аналогично созданию соответствующих полей переохлаждений в нем. Воздействие гравитационного поля интенсифицирует диффузионные процессы в расплаве алюминиевого сплава, что приводит к получению твердых растворов типа внедрения-замещения с минимальным выделением эвтектики.
В результате слиток даже при несколько поликристаллическом строении имеет доминирующую кристаллографическую ориентацию в заданном направлении, составляющую не менее 80-85% от всех возможных ориентировок. Время жизни расплава, равно 12-15 с/кг. Слои 8-10 выполнены из пассивных аморфных материалов и обеспечивают сохранность корпуса 1 от схватывания с алюминием при воздействии гравитационного поля, защищают расплав и затем слиток от попадания примесей из кристаллической решетки материала корпуса 1.
После кристаллизации расплава (перехода в твердое состояние) обороты вала 11 кристаллизатора поддерживаются определенное время необходимое для достижения слитком заданного значения температуры и затем снижаются до полной остановки корпуса 1 кристаллизатора.
В корпусе 1 получается слиток кольцевой формы, который при достижении корпусом 1 кристаллизатора определенной температуры извлекается после открывания крышки 4 с помощью специального приспособления. Соотношение «К» наружного диаметра слитка к его высоте находится в диапазоне от 2,5 до 10, а толщина стенки слитка определяется, предпочтительно, как произведение К×20.
В результате обеспечивается наилучшее сочетание прочности и пластичности получаемого сплава: предел прочности 320-330 мПа при относительном удлинении 30-40%. Получаемый материал может быть использован в качестве конструкционного материала для автомобильной промышленности.
Таким образом, создан эффективный кристаллизатор, обеспечивающий на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в гравитационном поле, и расширен арсенал кристаллизаторов для алюминиевых сплавов.
При этом повышено качество слитков благодаря исключению температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, и исключению взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечено расширение функциональных возможностей благодаря расширению диапазона скоростей подшипников.