УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ПРЕССОВАНИЯ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ МЕТОДОМ КОНФОРМ

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к обработке металлов совмещенными методами непрерывного литья и прессования, и может быть использована для изготовления сварочной алюминиевой проволоки.
Известно устройство для непрерывного литья и прессования металла методом конформ, включающее печь-миксер с питателем и дозатором, кристаллизатор, выполненный в виде диска с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, имеющий кольцевую канавку на верхней части диска и сопрягающийся с ней неподвижный дугообразный сегмент с матрицей и с выступом, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки (Сергеев, В.М. Непрерывное литье-прессование цветных металлов: проблемы цветной металлургии / В.М. Сергеев, Ю.В. Горохов, В.В. Соболев [и др.] - М: Металлургия, 1990. - 85 с).
Данное устройство позволяет получать пресс-изделия из цветных металлов и сплавов, в том числе сварочную алюминиевую проволоку непрерывным совмещенным процессом литья и прессования методом конформ. Процесс изготовления профилей в данном случае отличается достаточно высокой эффективностью. Однако во время кристаллизации расплавленного металла в кольцевой канавке диска и при последующем прессовании выделяется значительное количество тепла, часть которого необходимо удалить для создания изотермических условий при реализации непрерывного процесса литья и прессования. В противном случае непостоянная температура пресс-изделия на выходе из канала матрицы приводит к разбросу механических свойств и искажению геометрии по длине и поперечному сечению пресс-изделий, что снижает качество продукции. Следует отметить, что при достижении температуры близкой к температуре плавления прессуемого металла происходит разрушение пресс-изделия, что является окончательным браком. Кроме того повышенная температура прессования снижает прочность инструмента, что приводит к его преждевременным поломкам. Одним из эффективных способов решения данной проблемы является принудительное охлаждение, как прессового инструмента, так и самого профиля (Довженко, Н.Н. Прессование алюминиевых сплавов: моделирование и управление тепловыми условиями: монография / Н.Н. Довженко, С.В. Беляев, С.Б. Сидельников [и др.]. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 256 с).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для непрерывного литья и прессования цветных металлов и сплавов методом конформ, включающее печь-миксер с питателем и дозатором, содержащее кристаллизатор, выполненный в виде диска с возможностью вращения в горизонтальной плоскости и с кольцевой канавкой, которая вверху сопряжена с неподвижным дугообразным сегментом (башмаком), заканчивающимся выступом, перекрывающим поперечное сечение канавки, установленную перед выступом пресс-матрицу и коллекторы для охлаждения дна колеса кристаллизатора, внутренней и наружной поверхности колеса-кристаллизатора, а другой установлен на верхней поверхности неподвижного дугообразного сегмента. (Патент (RU) №111784 Российская Федерация, МПК B21C 25/00, B21C 23/08. Устройство для охлаждения установки непрерывного литья-прессования металлов / Горохов Ю.В., Солопко И.В., Нестеров Н.А., заявл. 04.08.2011; опубл. 27.12.2011 г. бюл. №36).
Данное устройство принимаем за прототип.
Известное устройство обеспечивает непрерывность процесса изготовления пресс-изделий из цветных металлов и сплавов, в том числе сварочную алюминиевую проволоку непрерывным совмещенным процессом литья и прессования методом конформ и позволяет за счет принудительного охлаждения управлять тепловыми условиями непрерывного процесса литья-прессования. Однако известное устройство обладает следующими недостатками:
1. Коллекторы для охлаждения являются открытыми, поэтому во время работы интенсивно с их поверхности будет выделяться хладагент в виде пара, кроме того возможно его разбрызгивание по всему оборудованию и нарушение принудительной циркуляции хладагента в охлаждаемых полостях коллекторов, что ухудшает условия управления охлаждением и требует использование технических мер по охране труда - например применение специального оборудования в виде приточно-вытяжной вентиляции.
2. Кристаллизатор последовательно проходит различные по интенсивности тепловыделения такие зоны, как зона кристаллизации деформируемого металла, расположенная между дозатором и башмаком; далее - зона контакта по длине башмака и, наконец, зона охлаждения кристаллизатора между неподвижным дугообразным сегментом и дозатором. При этом в месте разлива расплавленного металла кристаллизатор должно иметь требуемую постоянную температуру, обеспечивающую изотермические условия процесса непрерывного литья и прессования. Поэтому в данных зонах необходимо создавать различные условия принудительного охлаждения.
3. У башмака во время непрерывного прессования наиболее интенсивно нагревается выступ, перекрывающий поперечное сечение канавки, который необходимо тоже принудительно охлаждать, что в известном устройстве не предусмотрено.
2
3
2
3
4. На выходе из канала матрицы деформируемый металл находится в непосредственном контакте с хладагентом, что, с одной стороны, позволяет интенсифицировать процесс охлаждения профиля, но, с другой стороны, более активно происходит окисление поверхности профиля. Последнее отрицательно сказывается на качестве сварочной алюминиевой проволоки, получаемой с помощью данного устройства, так как образование тугоплавкого оксида алюминия AlO (температура плавления 2050°C) с большей плотностью, чем у алюминия усложняет сплавление кромок соединения при сварке и способствует загрязнению сварного шва частичками этой пленки, что приводит к дефектам сварных изделий. Кроме того наличие окисной пленки является причиной неравномерного горения дуги, преждевременного износа подающих механизмов и направляющих рукавов, а также вызывают быстрое забивание мундштуков сварочных аппаратов. Поэтому перед сваркой для удаления пленки приходится проводить такую трудоемкую операцию по очистке поверхности сварочной проволоки и нанесению на ее поверхность специального покрытия. Обычно для предотвращения окисления сварочной алюминиевой проволоки и удаления оксида алюминия AlO используют специальные флюсы, например, марки АФ-4А (50% KCl, 28% NaCl, 14% LiCl, 8% NaF) - ГОСТ 9087-81 «Флюсы сварочные плавленые. Технические условия». Все это, в конечном итоге, связано со значительным удорожанием сварочного производства и не всегда обеспечивает достижения требуемого уровня качества продукции.
Основной задачей полезной модели является повышение качества алюминиевой сварочной проволоки.
Для решения поставленной задачи устройство для непрерывного литья и прессования сварочной проволоки методом конформ, включающее печь-миксер с питателем и дозатором, содержащее кристаллизатор, выполненный в виде диска с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, и имеющий кольцевую канавку на верхней части диска и сопрягающийся с ней неподвижный дугообразный сегмент с матрицей и с выступом, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки, а так же коллекторы для охлаждения кристаллизатора и дугообразного сегмента, коллекторы снаружи герметично закрыты кожухами, при этом коллектор кристаллизатора имеет три независимые герметичные секции, снабженные индивидуальными патрубками для подвода и отвода хладагента и расположенными последовательно: в зоне кристаллизации деформируемого металла между дозатором и входом в неподвижный дугообразным сегмент, по длине неподвижного дугообразного сегмента и в зоне охлаждения кристаллизатора между выходом из неподвижного дугообразного сегмента и дозатором, кроме того на наружной поверхности неподвижного дугообразного сегмента на выходе из канала матрицы, соосно по отношению к матрице, расположен полый цилиндр, выступающий над поверхностью кожуха коллектора неподвижного дугообразного сегмента, охватывающий всю его наружную поверхность, снабженный патрубками для подвода хладагента в нижней части выступа, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки, и для отвода хладагента в верхней части неподвижного дугообразного сегмента со стороны подачи деформируемого металла.
Конструктивные особенности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, обеспечивают повышение качества пресс-изделий из цветных металлов и сплавов.
По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки:
- коллекторы снаружи герметично закрыты кожухами, что обеспечивает безопасные условия работы устройства и стабильную принудительную циркуляцию хладагента в охлаждаемых полостях коллекторов;
- коллектор кристаллизатора имеет, как минимум три независимые герметичные секции, снабженные индивидуальными патрубками для подвода и отвода хладагента и расположенными последовательно, что позволяет более точно управлять тепловыми условиями непрерывного процесса литья и прессования;
- на наружной поверхности неподвижного дугообразного сегмента на выходе из канала матрицы профиля соосно по отношению к матрице расположен полый цилиндр, выступающий над поверхностью кожуха коллектора неподвижного дугообразного сегмента. В полость цилиндра заливается паста из флюса, например, марки АФ-4А, что позволяет непрерывно наносить защитный слой флюса на поверхность проволоки во время прессования, предотвращая окисление и загрязнение ее поверхности. Данная проволока после остывания не требует дополнительной подготовки и сразу может использоваться при пайке.
- коллектор охватывает всю наружную поверхность неподвижного дугообразного сегмента и снабжен патрубками для подвода хладагента в области нижней части выступа, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки, и для отвода хладагента в верхней части неподвижного дугообразного сегмента со стороны подачи деформируемого металла, что обеспечивает эффективное охлаждении всего неподвижного дугообразного сегмента с его выступом.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение устройства для непрерывного литья и прессования сварочной алюминиевой проволоки методом конформ, имеющего указанную выше совокупность отличительных признаков, позволяет повысить качество изготавливаемой сварочной алюминиевой проволоки.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг. 1 показан вид сверху предлагаемого устройства; на фиг. 2 - разрез А-А.
Заявляемое устройство для непрерывного литья и прессования сварочной алюминиевой проволоки методом конформ включает дозатор 1 (печь-миксер с питателем не показаны на чертеже), кристаллизатор 2, выполненный в виде диска с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, имеющим кольцевую канавку 3 на верхней части диска, и сопрягающийся с ней неподвижный дугообразный сегмент (башмак) 4 с матрицей 5 и с выступом 6, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки 3. Кристаллизатор 2 снабжен коллектором 7 для хладагента 8, охватывающим его боковые поверхности и имеет, как минимум три независимые герметичные секции, снабженные индивидуальными патрубками для подвода 9 и отвода 10 хладагента 8 и расположенными последовательно: в зоне кристаллизации деформируемого металла 11 между дозатором 1 и башмаком 4; по длине башмака 4 и в зоне охлаждения кристаллизатора 2 между башмаком 4 и дозатором 1. Вся наружная поверхность башмака 4 с выступом 6, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки 3, снабжена коллектором 12 с патрубками для подвода 13 хладагента 14 в области нижней части выступа 6 и для отвода 15 хладагента 14 в верхней части башмака 4 со стороны подачи деформируемого металла 11. Коллекторы 7 и 12 снаружи герметично закрыты кожухами 16. На выходе из канала матрицы 5 изготовляемой проволоки 17 соосно по отношению к матрице 5 расположен полый цилиндр 18, выступающий над поверхностью кожуха 16 коллектора 12 башмака 4.
Во время работы предлагаемого устройства приводится во вращение кристаллизатор 2 и подается хладагент 8 и 12 в коллекторы 7 и 12 по патрубкам подвода 9 и 13 хладагента 8 и 12 с последующим его отводом через патрубки 10 и 15. Расплавленный металл из печи-миксера с питателем (на чертеже не показаны) поступает в дозатор 1 и далее заливается в кольцевую канавку 3, выполненную на верхней части диска кристаллизатора 2. При этом скорость заливки расплавленного металла в кольцевую канавку 3 для рационального ее заполнения находится в строгом соответствии с частотой вращения кристаллизатора 2. За время движения до башмака 4 расплавленный металл 11 охлаждается, кристаллизируется и принимает форму поперечного сечения канавки 3 и достигает башмака 4, где под действием активных сил контактного трения между стенками кольцевой канавки 3 и деформируемым металлом 11 происходит его выдавливание в проволоку 17 через рабочий канал матрицы 5. Во время выдавливания изготавливаемая проволока 17 сразу поступает из матрицы 5 в полый цилиндр 18, где покрывается флюсом, которым наполнен полый цилиндр 18. Таким образом, в заявляемом устройстве реализуется непрерывный процесс литья и прессования методом конформ с принудительным охлаждением инструмента и изготовление сварочной алюминиевой проволоки с защитным слоем на ее поверхности и без окисной пленки.
Пример. С помощью лабораторной установки для непрерывного литья и прессования сварочной алюминиевой проволоки методом конформ, включающей следующие устройства:
- печь-миксер с питателем и дозатором;
- горизонтальный карусельный кристаллизатор диаметром 360 мм с кольцевой канавкой размерами 10×14 мм на верхней части диска, в которой установлены сопрягающийся с ней башмак с матрицей с рабочим отверстием диаметром 6,0 мм. Кристаллизатор был снабжен коллектором для воды, охватывающим его боковые поверхности и имел три независимые герметичные секции, снабженные индивидуальными патрубками для подвода и отвода воды и расположенными последовательно: в зоне кристаллизации деформируемого металла между дозатором и башмаком; по длине башмака и в зоне охлаждения кристаллизатора между башмаком и дозатором. Вся наружная поверхность башмака с выступом, перекрывающим поперечное сечение кольцевой канавки, была снабжена коллектором с патрубками для подвода воды в области нижней части выступа и для отвода воды в верхней части башмака со стороны подачи деформируемого металла. Все коллекторы были снаружи герметично закрыты кожухами. На выходе из канала матрицы изготовляемой проволоки соосно по отношению к матрице расположен полый цилиндр с внутренним диаметром 25 мм, выступающий над поверхностью кожуха коллектора башмака на 50 мм. Перед прессованием рабочее отверстие матрицы закрыли твердым слоем из флюса марки АФ-4А (50% KCl, 28% NaCl, 14% LiCl, 8% NaF), а затем залили водный раствор пасты данного флюса в полый цилиндр. Изготавливали алюминиевую сварочную проволоку диаметром 6,0 мм из алюминиевого сплава СвАК12. Вначале подавали воду в коллекторы кристаллизатора и башмака. Затем расплавленный металл, нагретый до температуры 680°C из печи-миксера с питателем через дозатор непрерывно подавали в кольцевую канавку, выполненную на верхней части диска кристаллизатора, который вращался с частотой 2,0 об/мин. За время движения до башмака расплавленный металл полностью кристаллизовался и охлаждался до температуры 550°C. Далее по ходу вращения кристаллизатора деформируемый металл под действием активных сил контактного трения выдавливался в проволоку диаметром 6,0 мм через рабочий канал вертикальной матрицы с вытяжкой λ=3,54. Изготавливаемая проволока, проходя через пасту флюса в полом цилиндре, расположенным на выходе проволоки из канала матрицы и соосно по отношению к матрице, приобретала защитный слой на ее поверхности, который предотвращал образование окиси на ее поверхности.
Для сравнения заявляемого устройства с прототипом изготовление проволоки проводили с коллекторами без кожуха и убрав пасту флюса из полого цилиндра. После подачи воды в коллекторы начиналось интенсивное закипание воды в охлаждаемых полостях и ее разбрызгивание по всему рабочему пространству, что могло привести попаданию воды в жидкий металл и являлось злостным нарушением техники безопасности. Кроме того на поверхности проволоки интенсивно образовывалась окисная пленка, т.е. требовалась последующая зачистка ее поверхности.
Следует отметить, что полученную сварочную проволоку, изготовленной с использованием предлагаемого устройства, применяли для опытной сварки кромок листов из алюминиевого сплава АК12. При этом:
- сварку можно было выполнять на предельных (форсированных) режимах, с достаточной стабильностью горения дуги, что позволило на 10-40% интенсифицировать процесс сварки без ухудшения качества сварных соединений;
- прохождение сварочной проволоки по каналу горелки проходило равномерно, без залипания в наконечнике;
- наблюдалось «мягкое» горение дуги, что снизило разбрызгивание;
- получалось ровное формирование шва с блестящей поверхностью, отсутствием пор и др. дефектов шва.
Таким образом, использование заявляемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить качество алюминиевой сварочной проволоки.