Способ непрерывного литья слитка и плавильно-литейная установка для его осуществления
METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF AN INGOT AND A MELTING AND CASTING INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению литых заготовок из алюминиевых сплавов путем непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор.
Как правило, литая заготовка подвергается в последующем пластической деформации. Однако, во многом эксплуатационные качества конечного изделия определяются свойствами самой литой заготовки. Эти свойства зависят как от химического состава сплава (количество и состав легирующих компонентов), так и от условий литья и кристаллизации (температура поступающего в кристаллизатор расплава, интенсивность охлаждения, скорость вытягивания слитка, внешние воздействия на кристаллизующийся расплав и т.д.).
Плавку и приготовление алюминиевых сплавов можно осуществлять в индукционных печах. Особенность этих печей в наличии циркуляции расплава в ванне печи, которая оказывает положительное воздействие на процесс приготовления. Приготовление и выдержку алюминиевых сплавов осуществляют также в отражательных миксерах сопротивления. Для эффективного перемешивания расплава с легирующими компонентами миксер может быть оснащен магнитогидродинамическим перемешивателем.
Из летки миксера расплав поступает в транспортный желоб для подачи его в литейную машину. Для регулирования подачи расплава в транспортный желоб и поддержания в нем заданного уровня расплава, миксер может быть выполнен поворотным. Перед поступлением в литейную машину расплав проходит через внепечные установки рафинирования с целью очистки его от неметаллических примесей.
Для получения заданных свойств некоторых алюминиевых сплавов необходимо довести температуру расплава до 900°С, в этом случае перед кристаллизацией расплав необходимо дополнительно подогревать.
Большое влияние на качество литой заготовки оказывают условия кристаллизации слитков в литейной машине. В первую очередь к таким условиям относятся интенсивность охлаждения и физическое воздействие на жидкий и кристаллизующийся металл с целью интенсификации процессов теплообмена и массопереноса в затвердевающих слитках.
Известно, что условия с высокими скоростями охлаждения и одновременным воздействием электромагнитного поля на кристаллизующийся слиток возникают при непрерывном литье в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК) [1].
При литье слитков малого поперечного сечения в ЭМК размеры слитка соизмеримы со струей жидкого металла, подаваемого из раздаточного устройства. В этом случае часть жидкого металла над индуктором ЭМК может удерживаться от растекания элементом самой литейной оснастки. Так в [2] рассмотрена конструкция ЭМК для литья слитков малого поперечного сечения. Под действием силы тяжести струя жидкого металла вытекает из литейной оснастки и проходит через индуктор с переменным электрическим током. Магнитное поле индуктора наводит в струе жидкого металла вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем приводят к возникновению объемных электромагнитных сил, удерживающих жидкий металл от растекания. Формируемый магнитным полем столб жидкого металла в начальный момент литья упирается на токопроводящее основание, переходящее в процессе литья в кристаллизующийся слиток. Для охлаждения слитка используется кольцевой охладитель, вода из охладителя поступает на боковую поверхность слитка, жидкометаллическая масса непрерывно затвердевает и отводится вниз. Физико-механические свойства слитка, формируемого в электромагнитном поле, зависят от многих факторов, таких как конструкция кристаллизатора, геометрические размеры отливаемых слитков, состав и свойства сплавов, частота и величина тока индуктора ЭМК, скорость вытягивания слитка и других параметров.
В [3] предложено устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле, содержащее индуктор и раздаточную воронку, находящуюся в зоне действия магнитного поля индуктора, рекомендовано соотношение между диаметрами слитка, индуктора и диаметра нижнего среза раздаточной воронки.
Недостатком данного устройства является низкая его производительность.
c
в
и
в
и
c
С целью повышения энергетической эффективности и производительности установок для литья слитков в электромагнитном поле в [4] предложено уменьшить размер индуктора и установить его на расстоянии до нижнего среза раздаточной воронки не более диаметра слитка, а диаметр выходного отверстия раздаточной воронки определять соотношением D>D<D, где D - диаметр выходного отверстия раздаточной воронки, D - внутренний диаметр индуктора, D - диаметр слитка.
Недостатком предлагаемого устройства является то, что повышение производительности в нем достигается путем увеличения диаметра слитка. Это приводит к неравномерности структуры слитка по сечению и снижению его качества.
В [5], с целью равномерного измельчения по сечению слитка структуры, рекомендовано выбирать частоту электромагнитного поля индуктора ЭМК исходя из зависимости, учитывающей радиус слитка и электропроводность его материала.
Данное устройство также имеет низкие производительность и энергоэффективность.
Наиболее близким к предлагаемому способу по сущности является способ непрерывного литья слитка, включающий подачу жидкого металла через литейную оснастку (раздаточную воронку), кристаллизацию с формированием жидкой фазы слитка под воздействием электромагнитного поля и вытягивание слитка [6]. При этом предлагается формировать жидкую фазу слитка при одновременном изменении величины и частоты напряженности пульсирующего магнитного поля равномерной интенсивности по периметру расположенного в переходной области "жидкая - твердая фаза" столба слитка, а скорость вытягивания слитка определять из условия, учитывающего величину, частоту и высоту пульсирующего магнитного поля, диаметра слитка и интенсивности его охлаждения. Изменение этих параметров позволяет формировать переходную зону между жидкой и твердой фазами слитка среднего, верхнего или нижнего уровня кристаллизации слитка. Так при одной и той же интенсивности охлаждения слитка низкая скорость вытягивания слитка позволяет получить верхний уровень кристаллизации, а высокая скорость вытягивания слитка приводит к нижнему уровню кристаллизации. По мнению авторов, в данном устройстве литья слитков, наиболее прогрессивным литьем является литье со скоростью, при которой происходит формирование среднего уровня кристаллизации, когда обеспечивается достаточное охлаждение слитка и происходит формирование устойчивой корочки, исключающей аварийное протекание жидкого металла.
Наиболее близким к заявляемому устройству для непрерывного литья слитка является представленная в [2 с. 8-10, 48-50] плавильно-литейная установка, содержащая миксер с магнитогидродинамическим (МГД) перемешивателем, транспортный желоб с электронагревателями, устройство рафинирования жидкого металла и литейную машину с литейной оснасткой (далее раздаточной воронкой), охладителем и индуктором электромагнитного кристаллизатора. В миксере с использованием МГД перемешивателя осуществляется приготовление расплава, который после из миксера поступает в транспортный желоб и далее через устройство рафинирования - в литейную машину, где происходит кристаллизация слитка.
Поскольку скорость вытягивания слитка оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, определяемого как количество массы металла, отлитого в единицу времени, то работа устройства на среднем уровне кристаллизации не позволяет обеспечить требования производства по производительности. Также к недостаткам следует отнести низкую энергоэффективность, что обусловлено отсутствием связи между потребляемой ЭМК мощностью и скоростью вытягивания.
В основу предлагаемого изобретения положена задача повышения энергоэффективности и производительности при непрерывном литье заготовок определенного качества и сечения (круглого, прямоугольного, крестообразного и т.д.).
Поставленная задача решается тем, что в способе непрерывного литья слитка, включающем подачу жидкого металла из транспортного желоба в электромагнитный кристаллизатор через раздаточную воронку, кристаллизацию с формированием жидкой фазы слитка под воздействием электромагнитного поля индуктора электромагнитного кристаллизатора и вытягивание слитка, согласно изобретению, перед подачей в кристаллизатор в транспортном желобе осуществляют поддержание заданного уровня жидкого металла, его рафинирование и подогрев до температуры литья определенного сплава, а вытягивают слиток посредством одновременного изменения частоты тока и потребляемой мощности индуктора со скоростью
где
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
h - уровень расплава в транспортном желобе, м;
Н - длина съемного насадка в раздаточной воронке, м;
кр
z - расстояние от выходного отверстия насадка до начала кристаллизации слитка, м;
с
Δν - поправка к скорости вытягивания слитка, определяемая экспериментально.
Поставленная задача решается тем, что в плавильно-литейной установке для непрерывного литья слитка, содержащей по меньшей мере один поворотный миксер, транспортный желоб с электронагревателями, устройство рафинирования жидкого металла и литейную машину с раздаточной воронкой, охладителем и индуктором электромагнитного кристаллизатора, согласно изобретению, транспортный желоб содержит устройство подведения электрического тока для дополнительного подогрева и рафинирования жидкого металла, охладитель установлен вокруг слитка с возможностью его перемещения по вертикальной оси, в кристаллизаторе установлен датчик скорости вытягивания слитка, а раздаточная воронка имеет съемный насадок с выходным отверстием, соответствующим сечению получаемого слитка.
При этом в транспортном желобе плавильно-литейной установки для дополнительного подогрева и рафинирования жидкого металла может использоваться устройство подведения электрического тока к расплаву с индукционным или кондукционным токоподводом.
Также индуктор электромагнитного кристаллизатора в плавильно-литейной установке может иметь обмотку из W витков, последовательно соединенных и подключенных к источнику однофазного напряжения с возможностью регулирования амплитуды и частоты напряжения.
Также индуктор электромагнитного кристаллизатора в плавильно-литейной установке может иметь обмотку из W витков, которые подключены к источнику многофазного напряжения таким образом, что напряжение каждого витка сдвинуто по фазе от напряжений соседних витков на угол Ψ=360/W электрических градусов, и источник имеет возможность регулирования частоты и электрической мощности нагрузки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена плавильно-литейная установка, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - электромагнитный кристаллизатор; на фиг. 3 показаны индукторы электромагнитного кристаллизатора с различными обмотками: а) - трехфазная обмотка с фазной зоной 120°, в) - двухфазная обмотка с фазной зоной 90°, с) - трехфазная обмотка с фазной зоной 60°; на фиг. 4 а), в), с) представлены векторные диаграммы токов соответствующих обмоток; на фиг. 5 изображены зависимости составляющих электромагнитной силы от частоты тока индуктора.
Плавильно-литейная установка содержит, по крайней мере, одно дозирующее устройство, например, поворотный миксер 1, транспортный желоб 2 и электромагнитный кристаллизатор 3. Температурный режим жидкого металла (расплава) 4 в ванне миксера обеспечивается энергией электронагревателей 5, а управление происходит от сигнала термопары 6. Управление же заданным уровнем расплава в транспортном желобе 2 происходит по сигналу датчика уровня 7 (например, лазерного). Для предварительного нагрева футеровок транспортного желоба и ЭМК до начала заполнения их жидким металлом на транспортном желобе 2 установлены электронагреватели 8. Управление режимом работы нагревателей 8 осуществляется сигналом от термопары 9, установленной непосредственно перед электромагнитным кристаллизатором 3. В транспортном желобе 2 для подведения электрического тока к жидкому металлу с целью дополнительного его подогрева и рафинирования используется устройство 10 с индукционным или кондукционным токоподводом. Для формирования определенной формы сечения литой заготовки используется съемный насадок 11, установленный в раздаточной воронке 12, длиной H и с выходным отверстием, соответствующим сечению получаемого слитка. С целью формирования электромагнитных сил в жидком металле после насадка 11 установлен, по крайней мере, один индуктор 13, подключенный к источнику питания 14. Индуктор охватывает литую заготовку и его сечение соответствует сечению слитка, например, для заготовки круглого сечения используется цилиндрический индуктор. Как правило, индуктор изготавливают из медной трубки и охлаждают его водой.
Для охлаждения жидкого металла и его кристаллизации используется охладитель 15 с отверстиями, обращенными к слитку, расположенный вокруг слитка и имеет возможность перемещения по вертикальной оси. Для измерения скорости вытягивания слитка в непосредственной близости к нему в кристаллизаторе установлен датчик 16 скорости. Для осуществления начала литья и предотвращения неконтролируемого слива металла при аварийном отключении индуктора в ЭМК используется запирающее устройство 17. Отвердевший слиток вытягивается из кристаллизатора посредством роликов 18, приводимых во вращение электроприводом с частотным регулированием.
Осуществление изобретения.
1
1
2
Перед началом литья запирающее устройство 17 в ЭМК находится в нижнем положении и запирает отверстие в насадке 11. Внутренние области транспортного желоба 2 и раздаточной воронки 12 электромагнитного желоба 3 надеваются электронагревателями 8 до температуры, близкой к температуре T расплава поворотного миксера 1. Путем поворота миксера 1 транспортный желоб 2 и раздаточная воронка 12 ЭМК заполняются расплавом до уровня h. Если температура T расплава ниже необходимой температуры Т литья определенного расплава, то происходит его дополнительный подогрев за счет электрического тока в жидком металле при включении устройства 10 токоподвода (например, как в [8]).
c
кр
c
Путем ввода с нижней части кристаллизатора твердой литой заготовки (затравки) запирается нижнее отверстие насадка 11. От источника питания 14 на индуктор 13 подается переменное напряжение. Если индуктор многофазный (m=2,3), то к его обмотке подается соответствующее многофазное напряжение. Под воздействием напряжения в индукторе 13 возникает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. В охладитель 15 под давлением подается вода, и включается электропривод, приводящий в движение ролики 18 вытягивания слитка. Под действием охлаждающей воды, которая поступает на боковую поверхность слитка, жидкометаллическая масса непрерывно затвердевает и отводится вниз со скоростью ν. При начале кристаллизации на расстоянии z=z от конца насадка (z=0), образуется двухфазная область 19, разделяющая движущийся металл заготовки на жидкую часть 20 и отвердевший слиток 21. Форма двухфазной области 19 зависит от эффективности охлаждения и скорости вытягивания слитка ν.
При наличии электрического тока в единице расплава выделяется в единицу времени энергия:
где  и  - векторы, плотности тока и напряженности электрического поля, соответственно;
и  - векторы скорости расплава и действующей на него электромагнитной силы, соответственно;
2
- модуль плотности тока, А/м;
σ - удельная электропроводность расплава, 1/Ом*м.
Первое слагаемое в правой части (1) определяет тепловую энергию, а второе - определяет механическую работу, совершаемую в расплаве при протекании электрического тока.
На расположенную в расплаве частицу действует Архимедова сила:
2
где  - ускорение свободного падения, м/с;
3
γ - плотность расплава, кг/м;
1
1
γ и V - плотность и объем частицы, соответственно.
Кроме силы (2) на частицу действует дополнительная сила, вызванная протеканием по расплаву электрического тока
где k - эмпирический коэффициент, равный 0,75.
Здесь знак "минус" указывает на то, что электромагнитная сила  направлена к центру проводника, а сила, выталкивающая частицу на поверхность, направлена противоположно.
Таким образом, пропускание по расплаву электрического тока способствует его дополнительному нагреву, выталкиванию из него неметаллических включений и газовых пузырьков, т.е. рафинированию жидкого металла.
При взаимодействии магнитного поля индуктора ЭМК с индуцированными токами в каждом элементарном объеме жидкого металла возникает электродинамическая сила, комплексный вектор средней за период объемной плотности которой определяется из выражения [2]
2
где  - сопряженный комплекс вектора плотности тока, А/м;
- комплексный вектор магнитной индукции, Тл;
- векторное произведение векторов;
и  - единичные векторы цилиндрической системы координат.
Удержание металла от растекания обеспечивается радиальной составляющей объемной плотности силы,
а составляющая силы  создает тяговое усилие на перемещение расплава по оси слитка, и его перемешивание.
где  и  - скалярные произведения величин.
Здесь  и  - составляющие векторов плотности тока и магнитной индукции по осям координат.
эм
Электромагнитное давление Р, сжимающее жидкую фазу слитка в радиальном направлении, определяется составляющей  а именно
Проинтегрировав удельные электромагнитные силы по всему объему слитка, где действует электромагнитное поле индуктора, получим интегральные тангенциальную и радиальную силы, действующие на металл в слитке, Н
На фиг. 5 представлены зависимости этих сил, полученные расчетным путем. Из представленных зависимостей следует, что эффективное перемешивание жидкого металла происходит при более низкой частоте тока индуктора (ƒ<1 кГц), а существенное электромагнитное давление возникает при более высоких частотах. Это обстоятельство необходимо учитывать при управлении режимами работы ЭМК.
Обмотка индуктора ЭМК может быть выполнена из W витков (фиг. 3), которые могут быть соединены последовательно и подключены к источнику однофазного напряжения частотой ƒ. Такой индуктор создает пульсирующее магнитное поле, в области которого преобладает  составляющая магнитной индукции. Радиальная составляющая присутствует только на краях индуктора. Обмотка индуктора с числом витков, например W=3.4.6 (фиг. 3) может быть подключена к источнику многофазного (m=2,3) напряжения частотой ƒ. В этом случае в области индуктора радиальная составляющая магнитной индукции «бежит» в направлении оси z, то есть индуктор создает бегущее магнитное поле. Такой индуктор осуществляет как перемешивание жидкого металла, так и радиальное давление на его поверхность.
Рассмотрим физические процессы в жидкой фазе слитка, с учетом действующих на него сил.
Допустим, что струя жидкого металла истекает под действием силы тяжести. На выходе из отверстия насадка (z=0) скорость расплава равна  м/с. С ростом z скорость жидкого металла ν(z) возрастает, а радиус струи r(z) уменьшается [7].
В единице объема струи жидкого металла на расстоянии z от отверстия должен выполняться баланс давлений:
2
- давление динамического напора, Н/м;
2
ρgz(h+H+z) - гидростатическое давление, Н/м;
2
- давление сил поверхностного натяжения, Н/м;
3
ρ - плотность расплава, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
r(z) - радиус струи на расстоянии z от выходного отверстия насадка, м.
c
При скорости ν=0 (начало литья) давление динамического напора отсутствует, и электромагнитное давление должно уравновешивать гидростатическое давление жидкой фазы, то есть
m
max
кр
В этот момент индуктор электромагнитного кристаллизатора должен создавать максимальную радиальную составляющую электромагнитной силы и потреблять максимальный ток I=I тем больше, чем больше z.
эм
эм
Допустим, что индуктор выключен или отсутствует (Р=0), и жидкий металл свободно истекает из отверстия насадка 11 под действием силы тяжести. Пренебрегая силами поверхностного натяжения (σ=0) и учитывая, что Р=0, из (10) можно определить скорость жидкого металла, при которой давление в объеме струи будет отсутствовать, и струя будет сохранять свою форму без электромагнитного давления, получим
c
Величина Δν вводится для поправки скорости вытягивания слитка от факторов, которые не были учтены при выводе формулы (12).
кр
c
c
кр
кр
и
Допустим, что при z=z происходит кристаллизация металлического расплава, и твердая часть слитка 21 посредством роликов 18 вытягивается вниз со скоростью ν=ν(z). В этом случае все процессы в жидкой части слитка (z<z) происходят аналогично процессам, протекающим в свободно падающей струе жидкости в поле тяжести. В связи с этим струя сохраняет свою форму без электромагнитного давления за счет сил поверхностного натяжения, а значит и без потребления электрической энергии индуктором (I=0).
с
кр
max
с
с
Таким образом, при изменении скорости вытягивания от 0 до ν(z) величина электрического тока индуктора может изменяться от I до 0, при этом с ростом скорости вытягивания слитка потребление энергии уменьшается. Скорость вытягивания слитка ν существенно определяет и производительность заявляемой установки. Если, например, литая заготовка имеет круглое сечение радиусом r, то количество продукции в единицу времени определяется как
При увеличении скорости вытягивания слитка ν, повышается производительность литейной установки, одновременно уменьшается и количество электроэнергии, затрачиваемой на создание электромагнитного давления, необходимого для удержания формы жидкой фазы. В связи с этим следует отметить, что количество электроэнергии, затрачиваемой на единицу продукции уменьшается, следовательно, энергоэффективность литья возрастает.
Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что для измельчения структуры литой заготовки и улучшения ее физико-механических свойств необходимо перемешивать жидкую фазу слитка на границе кристаллизации в течение всего процесса литья, что и позволяет осуществить заявляемая установка. Для этого достаточно использовать индуктор с бегущим магнитным полем. В соответствии с фиг. 5 такой индуктор создаст, как радиальную составляющую силы, обеспечивающий электромагнитное давление на боковую поверхность слитка, так и тангенциальную составляющую силы, обеспечивающую перемешивание расплава вблизи фронта кристаллизации. Для усиления перемешивания необходимо переходить к более низким частотам питающего индуктор напряжения. В этом случае радиальное давление ослабевает. Такой режим целесообразно использовать, если скорость вытягивания слитка близка к величине, определяемой выражением (12).
Выбор числа витков обмотки индуктора определяется диаметром слитка и типом источника питания.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить как производительность плавильно-литейной установки, так и ее энергоэффективность при непрерывном литье, при этом также обеспечить и необходимое качество продукции, т.е. полученного слитка.
Источники информации
1. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З.Н. Гецелев [и др.], <Металлургия>, 1983. - 152 с.
2. Современные электротехнологии для производства высококачественных алюминиевых сплавов, /монография/ Первухин М.В., Тимофеев В.Н. - Красноярск, СФУ, 2015. - 156 с.
3. Патент на полезную модель RU №48836. Опубл. 10.11.2005.
4. Патент на полезную модель RU №86511. Опубл. 10.09.2009.
5. Патент на изобретение RU №2477193. Опубл. 27.08.2012.
6. Патент на изобретение RU №2395364. Опубл. 27.07.2010.
7. https://studref.com/475066/bzhd/primery_ispolzovaniya_uravneniya_bernulli/.
8. Патент на полезную модель RU №192356. Опубл. 13.09.2019.