Кристаллизатор для получения отливки металла

Полезная модель относится к металлургии, преимущественно к устройствам для вакуумной отливки высокореакционных металлов типа титана, алюминия, железа, никеля и других.
Известно устройство для литья металла (патент СН №602235, В22D 41/00, опубл. 31.07.1978 г.). Устройство для литья металла представляет собой тигель, в котором поверхность дна его полости выполнена с наклоном в направлении от дна канала к сливному отверстию, и между устьем канала и сливным отверстием полость тигля разделяется перегородкой, которая имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, расположенное в самой низкой части перегородки.
Недостатком известного устройства является присутствие окисленного расплава в зоне вокруг заглушки, что не позволяет очистить расплав, так как присутствует окислительная атмосфера.
Известна вакуумная дуговая электрическая печь (Волохонский Л.А. / Вакуумные дуговые печи. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 9, рис. 1.1а) для выплавки слитков титановых сплавов, содержащая глухой кристаллизатор, установленный на поддон, расходуемый электрод, который при расплавлении формируется на дне кристаллизатора в слиток за счет охлаждения поддона внешней охлаждающей средой. Кроме поддона охлаждению внешней средой подвержена боковая поверхность кристаллизатора, содержащая корпус и образующая кольцевой зазор. В целом корпус и поддон образуют холодильник кристаллизатора, содержащий патрубки подвода охлаждающей среды, отвода нагретой среды, а также патрубки, соединяющие поддон с основной холодильной системой печи, расположенной на боковой поверхности кристаллизатора.
Недостатком известной конструкции вакуумной дуговой электропечи является пониженная эффективность работы, связанная с малой интенсивностью охлаждения, вследствие того, что в существующей системе охлаждения кристаллизатора трудно организовать требуемую по условиям оптимальной работы толщину кольцевого зазора, эквидистантно отстоящего от внешней границы боковой поверхности кристаллизатора, поскольку обечайка кожуха изготавливается из сплошного листа тонкой листовой стали, обладающей малой жесткостью - большой гибкостью. Вследствие этого, с одной стороны, необходимо создавать гарантированную толщину кольцевого зазора повышенного значения, требующего для создания циркуляции охлаждающей среды прокачки повышенного расхода воды. С другой стороны, малая толщина кольцевого зазора приводит к росту гидравлических сопротивлений, делающих экономически невыгодным его осуществление.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является кристаллизатор для получения отливки металла, содержащий охлаждаемую водой постоянную форму и пустотелый охлаждаемый водой стержень, установленный внутри формы с образованием зазора для заливки жидкого металла, при этом дно формы выполнено в виде плиты [RU 2541267 С2 B22D 25/00, опубл. 10.02.2015 Бюл. №4]. Устройство предназначено для литья гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания из модифицированного или легированного чугуна. Устройство снабжено печью, соединенной с формой посредством встроенного в стенку формы металлопровода с затвором для заливки металла сверху, неотъемной крышкой с закрепленным на ней охлаждаемым водой стержнем, в плите встроен электромагнит, связанный штоком с двухсторонним поршнем привода для извлечения отливки вниз, причем в стержне установлен нагреватель, а в дне выполнены каналы для создания разрежения в форме. Металлопровод снабжен электронагревателем и автоматически управляемым логометром. Другим вариантом устройства является то, что оно снабжено канальной печью, соединенной с формой посредством металлопровода для заполнения формы сифоном под низким давлением, крышкой со встроенным электромагнитом для извлечения отливки из формы вверх и станиной с закрепленным на ней охлаждаемым стержнем. При этом дно формы представляет собой толстое кольцо, внутренний и внешний диаметры которого соответствуют размерам отливки, снабжено толкателями и выполнено с возможностью перемещения для извлечения отливки вверх, а в крышке выполнены каналы для создания разрежения в форме. Металлопровод снабжен электронагревателем и автоматически управляемым логометром.
Недостатком этой конструкции кристаллизатора является снижение качества отливки из-за одновременного охлаждения всего объема отливки, в результате чего осуществляется усадки металла при остывании, возникновение внутренних напряжений и неоднородности структуры металла.
Задачей полезной модели является повышение качества отливки. Техническим результатом является обеспечение возможности послойного регламентированного охлаждения металла после отливки и обеспечение за счет этого уменьшения ликвации, образования в каждом слое одинаковой структуры металла, снижения его усадки и уменьшения остаточных напряжений.
Поставленная задача достигается тем, что в кристаллизаторе для получения отливки металла, содержащем охлаждаемую водой постоянную форму и полый охлаждаемый водой стержень, установленный внутри формы с образованием зазора для заливки жидкого металла, при этом дно формы выполнено в виде плиты, на входе и на выходе охлаждающей воды установлены автоматические регуляторы расхода воды, охлаждаемые водой, камеры в форме и в стержне на входе и на выходе потока воды соединены между собой и снабжены датчиком уровня и скорости подъема воды, а подача воды в форму и в полый стержень осуществляется через трубчатые каналы, высота которых больше или равна высоте получаемой отливки.
Так как на входе и на выходе потока охлаждающей воды стоят автоматические регуляторы расхода воды, а охлаждаемые водой камеры соединены между собой, то это позволяет создавать на выходе меньший расход воды, чем на входе, и за счет этого обеспечивать заполнение охлаждаемой жидкостью камеры в форме и в стрежне постепенно и на одинаковом уровне. Это обеспечивает на одном и том же уровне охлаждение металла с внутренней и внешней стороны. Так как трубчатые каналы имеют высоту большую или равную высоте получаемой отливки, то это обеспечивает надежную смену отработанной воды и поддержание ее температуры в форме на постоянном уровне. Датчик уровня воды позволяет контролировать скорость заполнения водой формы и стерня, а, следовательно, скорость послойного охлаждения металла. Тем самым создается возможность послойного регламентированного охлаждения металла после отливки, уменьшения ликвации, образования в каждом слое одинаковой структуры металла, снижения его усадки и уменьшения остаточных напряжений. Это обеспечивает решение поставленной задачи повышения качества отливки.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунком, где на фиг. 1 изображена конструкция устройства.
На фиг. 1 используются следующие обозначения:
1. Основание.
2. Крышка.
3. Полый стержень.
4. Наружная стенка формы.
5. Кожух.
6. Шпильки.
7. Отверстие для подачи воды.
8. Полость основания.
9. Трубчатые каналы.
10. Отверстие для отвода воды.
11. Регуляторы расхода воды.
12. Водоохлаждаемые полости.
13. Воронка.
14. Затвердевшая часть отливки.
15. Жидкий металл.
16. Переходная зона.
17. Датчик уровня и скорости подъема воды.
На основании 1 с помощью крышки 2 и шпилек 6 закреплены полый стержень 3, наружная стенка формы 4 и кожух 5. Наружная стенка формы 4 и кожух 5 образуют водоохлаждаемую полость формы 12, а между наружной стенкой формы 4 и полым стержнем 3 образуется полость для заливки через воронку 13 жидкого металла, который может находиться внутри формы в жидком 14, в твердом 15 и в переходном 16 состояниях. В основании 1 имеется канал 7 для подвода охлаждающей воды и полость 8 для охлаждающей воды, которая по трубчатым каналам 9 может поступать в охлаждаемые полости формы и полого стержня 12. Канал 10 основания 1 предназначен для отвода отработанной воды из полостей 12. На входе и выходе воды установлены автоматические регуляторы 11 расхода воды. В охлаждаемой полости 12 установлен датчик 17 уровня и скорости подъема воды.
После заливки через воронку 13 в форму жидкого металла включаются автоматические регуляторы расхода воды 11, и вода через канал 7 и полость 8 основания поступает по трубчатым каналам 9 в водоохлаждаемые полости формы и полого стержня 12. Регуляторы автоматического расхода воды 11 настроены так, что расход воды на входе превышает расход воды на выходе, в результате чего уровень воды в водоохлаждаемых полостях формы и полого стержня 12 постепенно поднимается. Вытесняемый из полости 12 воздух удаляется через специальные отверстия в крышке 2. Уровень и скорость подъема воды в полостях 12 фиксируется специальным датчиком 17, который связан с регуляторами расхода воды 11. Так как длина h трубчатых каналов 9 больше или равна высоте Н получаемой отливки, то на всем протяжении охлаждения отливки отработанная вода из полстей 12 постоянно удаляется, а на смену ей поступает свежая вода. Это обеспечивает поддержание на постоянном уровне температуры охлаждающей воды.
По мере подъема в полостях 12 формы и стержня охлаждающей воды металл отливки в нижней части формы 14 постепенно твердеет, а в переходной зоне 16 между твердым 14 и жидким 15 металлом осуществляется его кристаллизация. Толщина переходного слоя 16 зависит от скорости подъема воды в полостях 12 и задается датчиком уровня и скорости подъема воды 17. Чем меньше скорость подъема охлаждающей воды в полостях 12, тем тоньше образуется переходный слой кристаллизации 16, тем выше получается качество отливки - повышается точность отливки за счет уменьшения усадки металла при охлаждении, получается более равномерная и более мелкозернистая структура металла, снижаются остаточные напряжения в отливке, повышаются ее механические свойства.
Таким образом, решается поставленная задача повышения качества отливки металла.