СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ДВУТАВРОВЫХ ЗАГОТОВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF I-BEAM BLANKS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывному литью заготовок и может быть использовано при изготовлении двутавровых заготовок.
Известен способ производства двутавровой балки и литейно-прокатный комплекс для его осуществления. Способ включает изготовление заготовки, ее прокатку в двутавровую балку, обрезку и охлаждение. Возможность снижения суммарной вытяжки при прокатке и затрат на производство обеспечивается за счет того, что исходную фасонную заготовку отливают в центробежной литьевой машине с угловой скоростью вращения охлаждаемого трубчатого кристаллизатора ω=5-:-47 сек-1, в виде двухгребневого полосового профиля с поперечной выпуклостью и регламентированными геометрическими параметрами. Центробежно-литьевая машина имеет охлаждаемый трубчатый кристаллизатор с горизонтальной осью вращения, во внутренней цилиндрической полости которого выполнены литьевые формы в виде продольных каналов с переменной поперечной глубиной, разделенные между собой продольными огнеупорными вставками. Корпус трубчатого кристаллизатора выполнен сборным с возможностью изменения длины заготовки, в его внутреннюю полость помещен промковш. Прокатку производят за 4-:-6 прохода в реверсивной черновой и чистовой универсальных прокатных клетях прокатного стана, с суммарной вытяжкой 1,7-:-3,5 (патент на изобретение РФ №2620212, опубл. 23.05.2017 г.).
Известен способ непрерывного литья двутавровых заготовок, заключающийся в том, что двутавровые заготовки получают на машине непрерывного литья заготовок, рабочая полость кристаллизатора которой имеет в сечении двутавр с заданными размерами (1).
Однако данный способ не позволяет получить двутавровую заготовку высокого качества и имеет низкую производительность. Это связано с тем, что в зоне формирования двутавровой заготовки на участке кристаллизатор - первые секции роликов зоны вторичного охлаждения оболочка двутавра еще не обладает достаточной прочностью и жесткостью, что способствует зарождению и развитию в ней дефектов. Кроме того, из-за неэффективности системы электромагнитного перемешивания жидкого металла в осевых зонах двутавра образуются ликвации. Все это в совокупности снижает качество двутавровых заготовок.
Наиболее близким техническим решением является способ и устройство для непрерывного литья с последующей прокаткой для получения металлических фасонных профилей, в частности двутавровых профилей из стали, который заключается в предварительном формировании фасонного профиля в кристаллизаторе и деформировании его в системе горизонтальных и вертикальных роликов на участке мягкого обжатия под кристаллизатором установки непрерывного литья с последующей прокаткой (патент на изобретение №2283203, опубликовано 01.09.2006. Бюл. №25). Однако при формировании двутавровой заготовки горизонтальными и вертикальными роликами отсутствует по всему периметру двутавра и по его длине постоянный контакт с поверхностями роликов, что, в отличие плоских бойков, не позволяет осуществлять формирование двутавровой заготовки в условиях всестороннего сжатия и исключить образование трещин, а также предотвратить прогорание оболочки двутавра с жидкой фазой и прорывы жидкого металла.
Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния металла двутавровой заготовки в зоне ее формирования методом конечных элементов позволило определить уровень и характер распределения растягивающих напряжений по периметру двутавровой оболочки в зависимости от скорости разливки (1). Установлено, что при скорости разливки двутавровой заготовки 1 м/мин. уровень растягивающих напряжений ниже предела текучести материала заготовки - стали 09Г2. При увеличении скорости разливки уровень растягивающих напряжений возрастает, что может привести к пластической деформации двутавровой оболочки. Таким образом, данный способ непрерывного литья двутавровых заготовок не позволяет повысить в прототипе производительность процесса.
Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно улучшение качества двутавровых заготовок за счет предотвращения образования дефектов и ликвации в двутавровой заготовке и увеличение производительности процесса непрерывного литья.
Поставленная задача достигается тем, что в способе непрерывного литья двутавровых заготовок подвижными профилированными стенками-бойками и боковыми стенками разъемной части кристаллизатора формируют из двутавровой оболочки с жидкой фазой двутавровую заготовку, причем двутавровый профиль формируют путем смыкания двух противоположных стенок оболочки до их полного соприкосновения и обеспечивают при этом приложение сил подпора на наружные поверхности других стенок оболочки, одновременно вытягивают оболочку с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора и продвигают ее через разъемную часть сборного кристаллизатора.
В предлагаемом способе в неразъемном кристаллизаторе образуется двутавровая оболочка с жидкой фазой, которая стенками-бойками и боковыми стенками вытягивается из неразъемного кристаллизатора и подается в разъемную часть сборного кристаллизатора. В разъемной части кристаллизатора профилированными бойками из оболочки с жидкой фазой формируют двутавровую заготовку, обеспечивая при этом приложение сил подпора на наружные поверхности полок двутавра. При этом происходит циклическое сближение стенок оболочки и вытеснение расплава металла из конуса жидкой фазы, то есть осуществляется интенсивное механическое перемешивание жидкого металла. Это исключает образование ликвации и способствует удалению неметаллических включений из осевой зоны двутавровой заготовки, что способствует улучшению ее качества. Следует отметить, что в процессе формирования двутавровой заготовки обеспечивается по всему ее периметру постоянный контакт с водоохлаждаемыми бойками и боковыми стенками кристаллизатора, что предотвращает прогорание оболочки и прорывы жидкого металла. Кроме того, формирование двутавра путем гибки стенок оболочки с жидкой фазой осуществляется в условиях близких к всестороннему сжатию, поскольку на контактных поверхностях двутавра с бойками и боковыми стенками разъемного кристаллизатора имеют место сжимающие напряжения, что предотвращает образование дефектов в двутавровой заготовке. Все это в совокупности способствует улучшению качества двутавровых заготовок.
Благоприятная схема формирования двутавра в процессе кристаллизации и исключение прорывов жидкого металла позволяют увеличить скорость вытягивания оболочки из неразъемного кристаллизатора и продвижение ее вдоль разъемной части сборного кристаллизатора, то есть повысить производительность процесса непрерывного литья.
В предлагаемом устройстве расстояние между внутренними поверхностями боковых стенок разъемной части сборного кристаллизатора остается неизменным, что при формировании двутавра стенками бойками из оболочки с жидкой фазой обеспечивает возникновение распорных сил на контактных поверхностях полок двутавра с боковыми стенками. Эти боковые стенки в совокупности с подвижными стенками-бойками образуют замкнутую полость переменного сечения, что позволяет циклически в условиях всестороннего сжатия путем гибки формировать из оболочки с жидкой фазой двутавровую заготовку. Кроме того, вытягивание оболочки с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора и продвижение заготовки через разъемную часть сборного кристаллизатора осуществляется синхронно работающими поверхностями бойков и боковых стенок разъемной части, что исключает образование растягивающих напряжений в двутавровой оболочке при ее циклическом формировании и, соответственно, трещин, что улучшает качество заготовок и обеспечивает повышение производительности процесса.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от прототипа, поэтому можно предположить, что оно соответствует критерию «новизна».
При проведении патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтом заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень»
На фиг. 1 изображено заявляемое устройство для непрерывного литья двутавровых заготовок, а на фиг. 2-4 показан способ непрерывного литья.
Устройство включает водоохлаждаемый кристаллизатор 1, который имеет постоянный контакт со стенками- бойками 8 и 9 и прижимается к ним с помощью специального пружинного механизма. Стенки-бойки 8 и 9 крепятся соответственно на суппортах 2 и 3. Каждый суппорт установлен на двух эксцентриковых валах: второй на валах 4 и 5, третий на валах 6 и 7. Эксцентриковые валы 4, 5, 6 и являются приводными. Боковые стенки разъемной части сборного кристаллизатора 10 и 11 крепятся к торцам кристаллизатора 1. Рабочие поверхности боковых стенок 10 и 11 образуют в совокупности со стенками-бойками 8 и 9 разъемную часть сборного кристаллизатора, полость которой является продолжением полости кристаллизатора 1. Вытягивание двутавровой полосы 16 из кристаллизатора 1 осуществляется с помощью тянущих роликов 18.
Сущность способа получения заключается в следующем (Фиг. 2-4). Жидкий металл 12 заливается в водоохлаждаемый кристаллизатор 1, совершающий возвратно-поступательные вертикальные перемещения с частотой, равной угловой скорости эксцентриковых валов. За счет отвода тепла стенками кристаллизатора 1 образуется двутавровая оболочка 13 затвердевшего металла с жидкой фазой 12, которая поступает в стенки-бойки 8 и 9 разъемной части сборного кристаллизатора. Стенки-бойки 8 и 9 формируют из оболочки 13 с жидкой фазой 12 двутавровую заготовку 17 и одновременно совместно с боковыми стенками 10 11 вытягивают оболочку 13 из кристаллизатора 1 и продвигают ее через разъемную часть сборного кристаллизатора. При формировании двутавровой заготовки 17 путем циклического воздействия профилированными стенками-бойками 8 и 9 на две стенки оболочки 13 происходит гибка этих стенок и образование полок 16 двутавра при одновременном наличии распорных сил на контактных поверхностях полок 16 с боковыми стенками 10 и 11. По мере прохождения оболочки 13 с жидкой фазой 12 через рабочие поверхности бойков 8 и 9 происходит циклическое сближение стенок оболочки 13 и вытеснение жидкого металла 12 из конуса жидкой фазы, то есть механическое перемешивание жидкого металла. Далее происходит смыкание стенок 13 оболочки и вытеснение жидкой фазы 12 с образованием стенки 17 двутавра. Причем, формирование двутавровой заготовки 17 из 13 при наличии жидкой фазы осуществляется в условиях близких к всестороннему сжатию, поскольку со стороны стенок-бойков 8 и 9 и стенок 10 и 11 на оболочку 13 воздействуют сжимающие напряжения и одновременно при этом оболочка испытывает гидростатическое давление жидкой фазы, что исключает возникновение трещин в оболочке и способствует улучшению качества двутавровых заготовок.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Привод сообщает синхронное вращение эксцентриковым валам 4, 5, 6 и 7. При вращении эксцентриковых валов установленные на них суппорты 2 и 3 с закрепленными на них стенками-бойками 8 и 9 совершают одновременно в одной плоскости синхронные перемещения по замкнутой траектории с радиусом, равным эксцентриситету эксцентриковых валов. Такая кинематика движения стенок-бойков 8 и 9 разъемной части сборного кристаллизатора обеспечивает возвратно-поступательные вертикальные перемещения кристаллизатора 1 с боковыми стенками 10 и 11, циклическое формирование двутавра из оболочки 13 с жидкой фазой 12 с одновременным вытягиванием оболочки из кристаллизатора 1 и продвижение ее через разъемную часть сборного кристаллизатора. На холостом ходу вытягивание оболочки 13 из кристаллизатора 1 осуществляется роликами 18 тянущего механизма.
Пример. В устройстве непрерывного литья получают двутавровую заготовку из стали 09Г2 высотой 400 мм, с шириной полок 200 мм и толщиной стенки 25 мм. Длина рабочей части неразъемного кристаллизатора 700 мм. Толщина двутавровой оболочки на выходе из неразъемного кристаллизатора 15 мм. Скорость вращения эксцентриковых валов 90 об/мин, скорость выхода двутавровой заготовки из сборного кристаллизатора 3 м/мин.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет улучшить качество двутавровых заготовок за счет предотвращения образования дефектов и ликвации в двутавровой заготовке и увеличить производительность процесса непрерывного литья за счет увеличения скорости вытягивания оболочки.
Литература.
1. Комратов Ю.С., Лехов О.С.Совершенствование производства проката в условиях НТМК. Екатеринбург: Изд-во «Банк культурной информации», 2002. - 384 с.