КРИСТАЛЛИЗАТОР ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

3
Полезная модель относится к области металлургии, в частности, к непрерывному и полунепрерывному литью заготовок из цветных металлов и сплавов на горизонтальных машинах с объемом тигля не более 12000 см и температурой расплава не более 1500°C.
3
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является графитовый кристаллизатор горизонтальной машины непрерывного литья заготовок прямоугольного сечения из цветных металлов и сплавов с объемом тигля не более 12000 см и температурой расплава не более 1500°C, соединенный с тиглем и состоящий из верхней и нижней охлаждаемых частей (Металлург, 2011, №3, С.37-39).
В процессе кристаллизации непрерывная заготовка начинает уменьшаться в поперечном сечении и под воздействием на нее силы тяжести опирается на нижнюю часть кристаллизатора, вследствие чего образуется зазор между верхней частью заготовки и кристаллизатором. Зазор приводит к снижению теплообмена с охлаждающим устройством, т.е. температура верхней части заготовки на выходе из кристаллизатора выше, чем на нижней. Получаемая таким образом при кристаллизации заготовки неравномерная структура негативно влияет на дальнейшую обработку металла.
Техническим результатом является повышение качества заготовки за счет более равномерной структуры по ее толщине.
3
Технический результат достигается тем, что в графитовом кристаллизаторе горизонтальной машины непрерывного литья заготовок прямоугольного сечения из цветных металлов и сплавов с объемом тигля не более 12000 см и температурой расплава не более 1500°C, соединенном с тиглем и состоящем из верхней и нижней охлаждаемых частей, верхняя и нижняя широкие стенки выполнены конусными, формируя сужающуюся рабочую полость в направлении литья, причем нижняя стенка имеет постоянную конусность по всей длине, а верхняя - состоит из двух участков по длине кристаллизатора, из которых участок со стороны входа металла в кристаллизатор имеет конусность больше, чем нижняя стенка, а суммарная величина сужения участков верхней стенки равна величине сужения нижней стенки, при этом место сопряжения участков верхней стенки соответствует началу образования зазора между заготовкой и боковыми стенками. Конусность нижней стенки составляет 0,85-0,95%, а участка верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор - 0,95-1,05%. Длина участка верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор, на котором заготовка прижимается к боковым стенкам, составляет 0,2-0,5 всей ее длины.
Под конусностью понимают отношение величины сужения рабочей полости, создаваемого стенкой, к ее длине, умноженное на 100%. Поскольку угол конусности является малой величиной, то для упрощения расчетов вместо длины стенки использовали ее горизонтальную проекцию.
На рис.1 представлен общий вид кристаллизатора прямоугольного сечения, соединенного с тиглем (4) и состоящего из верхней (1) и нижней (2) охлаждаемых с помощью охлаждающего устройства (5) частей, образующих рабочую полость (3).
1
1
2
2
1
1
1
2
На рис.2 изображено продольное вертикальное сечение кристаллизатора, в котором нижняя стенка (6) длиной 1, создающая величину сужения b рабочей полости, имеет постоянную конусность b/l·100 по всей длине, а верхняя - состоит из двух участков по длине кристаллизатора. Стенка (7) участка со стороны входа металла в кристаллизатор имеет длину l и создает величину сужения b, а стенка (8) участка со стороны выхода металла из кристаллизатора имеет длину l и создает величину сужения b рабочей полости, причем b/l·100>b/l·100 и b+b=b. Стенки (7) и (8) имеют место сопряжения (9). Направление литья показано стрелкой.
Во время кристаллизации и охлаждения возникающая в кристаллизаторе заготовка подвергается усадке и, образовавшаяся к этому времени твердая оболочка металла начинает отрываться от стенок. Для того, чтобы в кристаллизаторе могло отводиться достаточное количество тепла, необходимого для образования прочной оболочки металла, его изготавливают с конусом, сужающимся в направлении литья.
В процессе кристаллизации металла сначала образуется оболочка с жидкой сердцевиной. Заготовка деформируется под действием силы тяжести и прижимается к боковым стенкам, а между заготовкой и верхней стенкой образуется зазор, ухудшающий теплообмен. По мере увеличения толщины оболочки происходит ее усадка, и образуется зазор между заготовкой и боковыми стенками. При этом интенсивность образования зазора между заготовкой и верхней стенкой уменьшается. Поэтому верхнюю стенку изготавливают из двух участков, сопряженных в месте начала образования зазора между заготовкой и боковыми стенками, а на участке, где заготовка прижимается к боковым стенкам, для уменьшения зазора между заготовкой и верхней стенкой, последнюю изготавливают с конусностью большей, чем нижнюю стенку. Каждый участок верхней стенки образует сужение рабочей полости кристаллизатора, причем сумма величин сужений должна равняться величине сужения нижней стенки. В этом случае обеспечивается наибольший контакт заготовки со стенками кристаллизатора. Именно выполнение всех признаков в совокупности обеспечивает формирование однородной структуры по толщине заготовки, т.е. повышение ее качества, а, следовательно, достижение технического результата.
Экспериментально установлено, что наиболее рациональными значениями конусности нижней стенки является 0,85-0,95%. Для наиболее близкого контакта между заготовкой и верхней стенкой конусность участка со стороны входа металла в кристаллизатор должна быть 0,95-1,05%, а длина должна составлять 0,2-0,5 всей ее длины.
Если конусность участка верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор будет меньше или равна конусности нижней стенки или сумма величин сужений на верхней стенке окажется меньше, чем на нижней, то это является причиной образования зазора между оболочкой металла и кристаллизатором, что ведет к неравномерной теплоотдаче по поверхности заготовки. Если сумма величин сужений на верхней стенке окажется больше, чем на нижней, то из-за уменьшения рабочей полости повышается усилие вытяжки непрерывной заготовки. Это приводит к возникновению внутренних напряжений в кристаллизующемся металле, способствующих образованию трещин в заготовке.
Верхнюю и нижнюю части кристаллизатора с требуемой конусностью верхней и нижней стенок изготавливают фрезерованием.
Длину участка верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор, на котором заготовка прижимается к боковым стенкам, определяют опытным путем по следам контакта, оставленным заготовкой на стенках, которые видны на отработанном кристаллизаторе.
Показателем, характеризующим равномерность кристаллизации заготовки по ее толщине, является температура сверху и снизу заготовки на выходе из кристаллизатора, которую измеряли контактными термометрами, расположенными по середине заготовки. Точность измерения контактного термометра составляет ±1°C.
Пример.
3
1
1
2
2
На горизонтальной машине непрерывного литья заготовок с объемом тигля 12000 см отливали серебро с температурой расплава 1020°C в заготовку сечением 20×200 мм. Нижняя стенка длиной l=500 мм создавала величину сужения рабочей полости b=4,5 мм, т.е. была выполнена с конусностью 0,9%. Участок верхней стенки со стороны входа металла в кристаллизатор имел длину l=0,3·1=150 мм и создавал величину сужения b=1,5 мм, т.е. был выполнен с конусностью 1,0%. Участок верхней стенки со стороны выхода металла из кристаллизатора имел длину l=0,7·1=350 мм и создавал величину сужения b=3,0 мм, т.е. был выполнен с конусностью 0,857%. Температуру заготовки на выходе из кристаллизатора измеряли контактными термометрами сверху и снизу, установленными по середине заготовки. Температура заготовки сверху на выходе из графитового кристаллизатора составила 180°C, а снизу - 178°C. Металлографический анализ пробы, отобранной от заготовки, показал практически равномерную структуру по ее толщине.
3
Следовательно, графитовый кристаллизатор горизонтальной машины непрерывного литья заготовок прямоугольного сечения из цветных металлов и сплавов с объемом тигля не более 12000 см и температурой расплава не более 1500°C, соединенный с тиглем и состоящий из верхней и нижней охлаждаемых частей, в котором верхняя и нижняя широкие стенки выполнены конусными, формируя сужающуюся рабочую полость в направлении литья, причем нижняя стенка имеет постоянную конусность по всей длине, а верхняя - состоит из двух участков по длине кристаллизатора, из которых участок со стороны входа металла в кристаллизатор имеет конусность больше, чем нижняя стенка, а суммарная величина сужения участков верхней стенки равна величине сужения нижней стенки, при этом место сопряжения участков верхней стенки соответствует началу образования зазора между заготовкой и боковыми стенками, обеспечивает повышение качества заготовки за счет более равномерной структуры по ее толщине.