СИСТЕМА ЛИТЬЯ И СПОСОБ РАЗЛИВКИ РАСПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
CASTING SYSTEM AND CASTING METHOD OF MOLTEN NON-FERROUS METALS

Изобретение относится к системе литья для разливки расплавов цветных металлов, в частности меди и медных расплавов, для изготовления плоского проката, состоящей из разливочного устройства (Tundish) с по меньшей мере одной погружной трубой, предпочтительно проходящей наклонно вниз, погруженной в находящуюся в изложнице для тонких плоских слитков плавильную ванну, а также к способу разливки.
2
Уже известны в различных исполнениях погружные заливочные трубы для направления металлических расплавов в изложницу. Погружные заливочные трубы должны обеспечивать равномерное и свободное от турбулентности распределение расплава в изложнице. Кроме того, путем использования погружных труб должен предотвращаться контакт потока расплава под поверхностью ванны с кислородом воздуха. Имеющееся в разливочном устройстве гидростатическое давление при этом используется для того, чтобы придать потоку необходимую скорость. Скорость потока при этом повышается в зависимости от угла разливки. В применяемых на практике погружных заливочных трубах обнаружилось, что при увеличении ускорения расплава в погружных трубах возникает разрежение, вследствие чего возникают турбулентности находящегося в изложнице расплава и вследствие этого появляются колебания зеркала ванны. Кроме того, при литье металла, в частности меди или медных расплавов, возникают многочисленные химические и физические процессы, в частности интенсивное взаимодействие газообразных и твердых составных частей расплава. Эти рамочные условия подвергаются влиянию, в том числе и изменений температуры и давления расплава. Если в погружной заливочной трубе возникает разрежение, то это может приводить к высвобождению находящихся в расплаве газообразных субстанций, таких как водород и SO. Вследствие выделения газов возникает опасность образования пористых участков на стадии затвердевания, что отрицательно сказывается на качестве конечного продукта.
Для предотвращения разрежения в потоках в заливочной трубе в DE 4034652 А1 предлагается уменьшать поперечное сечение проходного отверстия на загрузочном конце заливочной трубы с помощью обжатия по отношению к проходному отверстию выходного конца стока с тем, чтобы создать более высокое давление в потоке расплава по сравнению с атмосферным давлением. Сток металлургического приемника и заливочная труба соединяются между собой через коническую уплотнительную массу.
В DE 19738385 С2 описывается погружная заливочная труба, которая на своем нижнем конце имеет донный элемент и по меньшей мере два боковых выходных отверстия над донным элементом. На внутренней стенке погружной трубы находятся специальные направляющие тела потока.
Погружная заливочная труба с имеющей форму воронки камерой завихрения, устанавливаемой на конце трубы, известна из DE 10113026 А1, при этом на переходе от отрезка трубы к камере завихрения предусматривается контурный край.
Из ЕР 0925132 В1 известна погружная заливочная труба для непрерывной разливки тонких плоских слитков, которая будучи вертикально расположенной трубой с кругообразным поперечным сечением соединена с разливочным ковшом. Заливочная труба имеет на своем нижнем конце выровненную область распределения, так называемый диффузор, который погружается в расплав изложницы. В диффузоре устанавливается сужающееся в направлении потока разделительное тело, благодаря которому образуются два частичных потока. Поперечное сечение диффузора над разделительным телом меньше, чем поперечное сечение верхнего отрезка заливочной трубы. Боковые стенки диффузора расходятся на тот же угол вовне как и боковые стенки разделительного тела вовнутрь. Благодаря предусматриваемым мерам на поверхности ванны должны предотвращаться завихрения и турбулентности. Отрицательным моментом является то, что поток расплава все еще проникает глубоко в ванну кристаллизатора и тем самым внутри ванны изложницы возникает дегазация. Известные из указанного выше уровня техники погружные заливочные трубы предназначены для вертикального литья в частности стальных сплавов для относительно толстых слитков. Поток расплава впрыскивается в ванну кристаллизатора кратчайшим путем в вертикальном направлении и, как правило, лишь незадолго до поступления в ванну кристаллизатора подвергается техническим аэрогидродинамическим влияниям.
В основе изобретения лежит задача создания системы разливки расплавов цветных металлов, в частности меди или медных расплавов, которая обеспечивает беспрепятственное введение расплава в кристаллизатор, а также дегазацию свободной поверхности кристаллизатора, предотвращает возникновение разрежения в погружной трубе и отличается простым конструктивным решением. Кроме того, должен быть создан подходящий способ разливки расплавов цветных металлов.
В соответствии с изобретением эта задача решается благодаря признакам, указанным в пункте 1 патентной формулы. Подходящее выполнение и другие построения являются предметом пунктов 2-14 патентной формулы. Предлагаемый способ указан в пункте 15 патентной формулы и соответствующие выполнения - в пунктах 16 и 17. Система литья выполнена так, что поток металлического расплава, находящийся в разливочном устройстве либо в разливочном желобе, направляется предпочтительно наклонно вниз в расположенный глубже кристаллизатор.
На торце распределительного резервуара в сторону стока устанавливается по меньшей мере одна погружная труба, проходящая наклонно вниз под заданным углом. Для отливки большего по ширине плоского проката, имеющего ширину =и более 1.5 Н, при этом Н - это значение высоты или ширины, в распределительном резервуаре могут устанавливаться также многочисленные идентичные погружные трубы на заданных между собой расстояниях.
Погружная труба состоит из первого отрезка с постепенно сужающейся внутренней стенкой предпочтительно в направлении потока расплава и из второго отрезка, образующего оконечность погружной трубы. Внутренняя стенка первого отрезка не обязательно должна выполняться с сужением и может также принимать иные геометрически подходящие формы. В определенном случае на первом отрезке перед установленным сужением может быть установлен также короткий трубообразный фитинг. Либо он, либо начальная деталь первого отрезка вылиты из огнеупорного бетона и образуют единый комплекс с разливочным устройством. Первый отрезок располагается в направлении от распределительного резервуара до непосредственно поверхности ванны кристаллизатора. Благодаря сужению изменяется поперечное сечение вместе с уменьшением поверхности поперечного сечения. Сужение может выполняться различно. Исходя из кругообразного поперечного сечения в начале этого отрезка, например путем расплющивающегося давления на трубу, возникает преобразование в такую форму поперечного сечения, которая на конце отрезка представляет собой форму удлиненного отверстия. Преобразование возможно осуществлять также таким образом, что форма поперечного сечения на конце отрезка становится эллипсом или весь отрезок выполняется как шестиугольное сужение. Другим вариантом является конусообразное выполнение этого отрезка. К этому отрезку примыкает оконечность погружной трубы, погружаемой в расправленную ванну кристаллизатора. Она на своем свободном конце запирается, например, с помощью закраины, и на своей стенке в направлении внутренней стороны кристаллизатора имеет по меньшей мере одно выпускное отверстие потока, которое обуславливает первое изменение находящегося в рабочем положении под поверхностью ванны потока расправленного металла в кристаллизатор.
Вся погружная труба может изготавливаться из единой трубы, при этом оконечность погружной трубы преобразовывается тем же образом, что и предыдущий отрезок, и имеет на конце эллиптическую или круглую форму поперечного сечения или поперечное сечение в форме удлиненного отверстия. За пределами длины оконечности погружной трубы тем самым форма поперечного сечения изменяется незначительно.
Имеется также возможность изготавливать оконечность погружной трубы в качестве отдельной монтажной детали с почти постоянной или уменьшающейся поверхностью поперечного сечения и ее установки на преобразованном отрезке, например, путем сварки. В этом случае возможно выполнять отрезок конусообразно и устанавливать на нем оконечность погружной трубы в форме удлиненного отверстия, при этом оконечность погружной трубы имеет короткий переходник для перехода от кругообразной формы поперечного сечения к удлиненной форме отверстия. Оконечность погружной трубы, выполненная в виде отдельной монтажной детали, может быть изготовлена из другого жаропрочного материала по сравнению с материалом сужающегося отрезка.
Если оконечность погружной трубы выполняется в поперечном сечении как удлиненное отверстие, то оба противолежащих параллельных отрезка должны иметь расстояние по меньшей мере в одну треть диаметра поперечного сечения в начале выполненного с сужением отрезка погружной трубы.
Находящееся на нижней стороне оконечности погружной трубы выходное отверстие потока расплава выполняется предпочтительно в качестве удлиненного отверстия. Вместо удлиненного отверстия могут быть установлены лежащие непосредственно друг за другом два круглых отверстия. На первом отрезке погружной трубы путем постепенно уменьшающегося поперечного сечения достигается то, что расплав находится в постоянном контакте с внутренней стенкой погружной трубы и в погружной трубе не могут образовываться пузырьки воздуха или пустоты. Длина и степень сужения этого отрезка зависят от свойств металлического расплава и соответствующего угла литья. Погружные трубы имеют постоянную толщину стенки. Поскольку расплав в оконечности погружной трубы не может течь в осевом направлении и свободный конец оконечности погружной трубы заперт, на уровне отверстия либо отверстий для выхода потока происходит первое отведение потока расплава по меньшей мере на 90 градусов по отношению к углу литья. Навязанное потоку расплава изменение направления существенно для того, чтобы обеспечить бережное введение расплава в изложницу. Предпочтительно, чтобы поверхность поперечного сечения отверстия для выхода потока или сумма поверхностей поперечных разрезов отверстий для выхода потока составляла 80-98 процентов поверхности поперечного сечения оконечности погружной трубы. В определенных случаях применения она может быть даже более 100 процентов. Форма поперечного сечения отверстий для выхода потока может быть выполнена различно. Погружная труба в рабочем положении должна быть полностью загружена расплавом и во время процесса плавки расплав не должен иметь возможности отделяться от внутренней стенки погружной трубы. Вследствие этого опасность возникновения разрежения исключается и в расплаве не может произойти никакая нежелательная дегазация. Благодаря предусмотренному отведению либо изменению направления расплава при поступлении в плавильную ванну предотвращается так называемый «впрыск» расплава и тем самым слишком сильное образование пузырьков.
Далее в качестве существенного признака предусмотрено, что под отверстие или отверстия для выхода потока устанавливается на некотором расстоянии покрывающая их закраина. Тем самым достигается второе изменение направления потока расплава. Закраина по своим размерам рассчитана таким образом, что накрывающая поверхность равна или больше выходного отверстия. Закраина устанавливается на определенном расстоянии параллельно или под наклоном к отверстию выходного потока, которое предпочтительно должно составлять по меньшей мере 5 мм. При расположении под наклоном расстояние в наибольшем месте достигает 5 мм. В рабочем положении отверстия выходного потока и закраина находятся полностью под зеркалом плавильной ванны изложницы.
Выходящий из выпускного отверстия расплав вначале поступает на закраину, тормозится ею и отводится еще раз на по меньшей мере 90 градусов и соответственно разделяется в плавильной ванне. Это повторное второе изменение направления обуславливает особо бережное введение расплава в изложницу. Разделение расплава после попадания на закраину на два направленных по сторонам частичных потока способствует перемещению еще остающихся пузырьков к поверхности ванны изложницы. При практических испытаниях выявилось, что путем вышеуказанных мероприятий скорость потока металлического расплава при поступлении в плавильную ванну может быть снижена до значения, равного и менее 0.5 м/с.
В соответствии с предложенной методикой решающее значение имеет то, что увеличивающаяся в зависимости от угла литья скорость потока расплава может быть снижена в погружной трубе и заторможена перед поступлением в плавильную ванну изложницы, и направление потока расплава может быть по меньшей мере дважды изменено по меньшей мере на 90 градусов.
Сочетание этих двухразовых изменений направления расплава до поступления в плавильную ванну приводит к ощутимому уменьшению скорости потока порядка 50 процентов.
Благодаря тому, что сбоку под наклоном к продольной оси изложницы осуществляется поступление расплава, разделенного на два частичных потока, достигается то, что находящийся в области стенки изложницы расплав постоянно входит в контакт с горячим расплавом и вследствие этого не может образовываться затвердевающая пленка. Кроме того, предотвращается непосредственное попадание горячего расплава на стенку изложницы.
Остающиеся еще возможно пузырьки газа могут улетучиваться непосредственно со стенки изложницы.
Предусматриваемые изобретением мероприятия приводят к существенному улучшению качества составляющей структуры производимого полуфабриката. Нежелательные включения пузырьков газа или воздуха предотвращаются. На основе двукратного изменения направления расплава и возникающего вследствие этого существенного снижения скорости потока до введения расплава в изложницу в наибольшей степени предотвращаются повреждения на стенках изложницы.
Суженный отрезок и оконечность погружной трубы состоят предпочтительно из одного и того же жаропрочного материала, они могут однако изготавливаться из различных материалов, например в качестве сочетания керамики и металла. Для начального процесса имеет преимущество то, что погружная труба снабжается дополнительным подогревающим устройством, например электрическим резистентным подогревом.
С помощью предлагаемой системы литья возможно изготовление тонкостенных полос цветных металлов, в частности меди и медных сплавов высокого качества.
При вертикальном расположении погружных труб оконечность погружной трубы имеет по меньшей мере два противостоящих друг другу выпускных отверстия, каждое из которых покрывается расположенной на расстоянии закраиной так, что поток расплава, до введения в ванну изложницы, дважды отводится по меньшей мере на 90 градусов и тем самым его скорость существенно снижается.
Изобретение описывается ниже более подробно. В прилагаемых чертежах показано следующее
Фиг.1 - система литья в упрощенном изображении в продольном сечении,
Фиг.2 - первый вариант выполнения погружной трубы в перспективе,
Фиг.3 - вид «X» в соответствии с Фиг.2 в увеличенном изображении,
Фиг.4 - вид спереди погружной трубы в соответствии с Фиг.2 в увеличенном изображении,
Фиг.5 - второй вариант выполнения погружной трубы в перспективе,
Фиг.6 - оконечность погружной трубы с наклонной закраиной в продольном разрезе,
Фиг.7 - оконечность погружной трубы в качестве отдельной монтажной детали с присоединенной закраиной в перспективе.
На Фиг.1 представлена система литья для литья медной полосы с помощью ленточной разливочной изложницы, которое обозначается также как литье с сопровождающей изложницей. После плавки медь поступает из плавильной печи в разливочное устройство 1, которое в показанном примере оснащено литейным носком 2. В зависимости от ширины подлежащей выплавке ленты в литейном носке 2 устанавливаются рядом друг с другом несколько идентичных погружных труб 6, например 6, 8 или 10, под определенным углом литья примерно в 10 градусов. Расстояния между отдельными погружными трубами могут быть различными. В показанном на Фиг.1 виде видна только погружная труба 6. Погружные трубы 6 вылиты из огнеупорного бетона и вместе с цилиндрическим фитингом 7 (Фиг.2) представляют собой единый комплекс, являющийся составной частью разливочного устройства 1. Изложница 3 располагается между огибающим верхним поясом изложницы 4 и огибающим нижним поясом изложницы 5, каждый из которых нагружается посредством приводных и направляющих роликов. На Фиг.1 показаны только оба направляющих ролика 4а и 5а. Боковые стенки и задняя стенка изложницы, могущие достигать высоты до 70 мм, также не показаны на чертеже. Система литья является составной частью устройства для непрерывного изготовления медных лент. Обозначенная «X» линия обозначает продольную среднюю ось изложницы 3. Находящийся в разливочном устройстве 1 медный расплав течет под подведенным гидростатическим давлением через погружную трубу 6 в изложницу 3. Согласно способу скорость потока медного расплава обусловлена заданным наклоном расположения погружной трубы 6.
Непосредственно после относительно короткого фитинга 7 с круглым поперечным сечением начинается постоянно сужающийся в направлении потока отрезок 8 погружной трубы 6, расположенный, начиная от литейного носка 2, до поверхности ванны изложницы 3. Передняя часть погружной трубы 6, оконечность погружной трубы 9 в рабочем состоянии полностью погружается в плавильную ванну изложницы 3.
На Фиг.2 показан и увеличенном виде первый вариант выполнения погружной трубы 6 в качестве отдельной детали. Погружная труба 6 имеет цилиндрический фитинг 7, к которому примыкает постоянно суживающийся в направлении потока отрезок 8, имеющий непосредственно в начале диаметр D1, идентичный диаметру фитинга 7. К отрезку 8 с длиной L1 примыкает оконечность погружной трубы 9 с длиной L2. Соотношение L1:L2 составляет например 8,3. Фитинг 7, отрезок 8 и оконечность погружной трубы 9 изготовлены из трубообразной заготовки из жаростойкого металла, которая в области отрезка 8 и оконечности погружной трубы 9 постепенно в результате штамповки изменяет форму, при этом отрезок 8 в начале еще имеет круглое поперечное сечение D1, переходящее в результате постепенно увеличивающегося формообразования в плоскости направления потока в определенную форму удлиненного отверстия, которая достигается на конце оконечности погружной трубы 9 (Фиг.4). Благодаря этому формообразованию достигается непрерывное сужение, изменение поперечного сечения с уменьшением поверхности поперечного сечения. Поверхность поперечного сечения на конце оконечности погружной трубы 9 примерно на 1/3 меньше, чем поверхность поперечного сечения с диаметром D1 в начале отрезка 8.
Образованное на конце оконечности погружной трубы 9 удлиненное отверстие 10 закрывается посредством установленной сваркой запорной заглушки 11, либо иным подходящим способом. Как ясно видно на Фиг.3, удлиненное отверстие 10 образовано двумя противолежащими друг другу параллельно пролегающими прямыми отрезками стенки 10а, 10b и двумя полукруглыми отрезками стенки 10c, 10d, при этом расстояние между обоими прямыми отрезками стенки 10а и 10b составляет по меньшей мере одну треть диаметра D1 отрезка 8, в рассматриваемом случае оно составляет около 10 мм.
На прямом отрезке стенки 10 оконечности погружной трубы 9, который в рабочем положении направлен в сторону нижнего пояса изложницы 5, установлено удлиненное выпускное отверстие 12 для выпуска медного расплава. В рамках практических испытаний было установлено, что преимущество проявляется тогда, когда выпускное отверстие составляет предпочтительно 90 процентов - до 98 процентов поверхности поперечного разреза потока на конце оконечности погружной трубы 9. Вместо удлиненного отверстия 12 могут быть установлены непосредственно друг за другом два круглых выпускных отверстия 12а и 12b, как это показано на Фиг.7.
Выпускные отверстия 12, а также 12а и 12b, покрываются проходящей параллельно закраиной 13, при этом "покрытие" в данном случае означает, что закраина 13 в поперечнике равна или больше поперечного сечения удлиненного отверстия 12, либо его диаметра, при расположении выпускных отверстий круглой формы.
В варианте исполнения в соответствии с Фиг.3 закраина 13 своими дистанционными держателями 13 приваривается к оконечности погружной трубы 9. Расстояние между выпускным отверстием 12 и закраиной 13 должно составлять не менее 5 мм.
На Фиг.5 показан еще один вариант погружной трубы 6а с постоянным конусообразным выполнением отрезка 8 и оконечности погружной трубы 9, при этом исходный диаметр D1 путем постоянного уменьшения кругообразной поверхности поперечного сечения до конца оконечности погружной трубы уменьшается до диаметра D2. Круглое отверстие оконечности погружной трубы 9 запирается с помощью заглушки 11. Различие между диаметром D1 и диаметром D2 составляет примерно 45 процентов. Выпускное отверстие для расплава и закраина 13 выполнены аналогично показанному на Фиг.2 варианту выполнения. По сравнению с показанной на Фиг.2 погружной трубой она не имеет особого фитинга. В оконечности погружной трубы 9, показанной на Фиг.6, закраина 13, покрывающая выпускное отверстие 12, установлена наклонно. С помощью дистанционного держателя 13а закраина 13 устанавливается на расстоянии 5 мм от стенки оконечности погружной трубы и располагается наклонно вверх до конца оконечности погружной трубы.
Закраина 13 приваривается к оконечности погружной трубы. В остальном эта оконечность погружной трубы выполняется аналогично показанной на Фиг.2 оконечности погружной трубы.
На Фиг.7 показана оконечность погружной трубы в качестве отдельной детали, которая может быть установлена на конце конусообразно располагающегося отрезка погружной трубы в соответствии с показанным на Фиг.5 выполнением и которая закрепляется на нем путем сварки. Оконечность погружной трубы 9а имеет постоянное поперечное сечение в форме удлиненного отверстия 10, которое заперто заглушкой 11 на конце, обращенном в направлении потока. На противоположном конце оконечность погружной трубы 9а имеет переходник 14, приспособленный для перехода от формы удлиненного отверстия к кругообразной форме с точной посадкой на соответствующий отрезок 6 погружной трубы.
На нижней стороне оконечности погружной трубы 9а находятся два расположенных друг за другом выпускных отверстия 12а и 12b, которые покрываются проходящей параллельно закраиной 13, 13а. Закраина 13 устанавливается на оконечности погружной трубы 9а, которая может быть изготовлена следующим образом.
Оконечность трубы, имеющая изначально кругообразное поперечное сечение, преобразуется на прессовом штампе путем "плоской штамповки" с целью получения желаемого поперечного сечения в форме "удлиненного отверстия", при этом короткий отрезок 14 круглой формы переходит в форму удлиненного отверстия. Вслед за этим на расстоянии, соответствующем длине закраины от конца трубы, выполнен разделяющий прорез в поперечном направлении, не разделяющий трубу полностью, а также продольный прорез до стыка поперечного прореза. Оконечность трубы теперь имеет закраину в продольном направлении. После этого проделываются сверления 12а и 12b для выпускных отверстий расплава. Удлиненное отверстие 10 на конце оконечности трубы запирается посредством запирающей насадки 11. После этого выдающаяся вперед закраина отклоняется в направлении установленных выпускных отверстий таким образом, что она покрывает выпускные отверстия 12а и 12b на предусматриваемом отрезке. Закраина 13 имеет длину около 80 мм и приваривается на соседнем отрезке стенки оконечности погружной трубы 9а своим концом, направленным противоположно направлению потока.
Чтобы избежать прогибания погружной трубы в рабочем состоянии, она может снабжаться дополнительной стабилизацией, например одним или несколькими ребрами жесткости.
Соответствующее изобретению выполнение погружной трубы при практическом использовании весьма благоприятно сказывается на наклонном протекании потока медного расплава от разливочного устройства в изложницу. Обусловленное посредством наклонного расположения погружной трубы увеличение скорости потока расплава уменьшается благодаря двукратному изменению направления потока таким образом, что обеспечивает бережное введение в ванну изложницы.
Непрерывное сужение, в особенности отрезка 8, с изменением поперечного сечения и уменьшением поверхности поперечного сечения приводит к тому, что расплав прилегает к внутренней стенке погружной трубы и в погружной трубе не могут возникать пузырьки воздуха или пустоты. Это справедливо также и в отношении оконечности погружной трубы 9, 9а, что обусловлено предпринятым изменением формы поперечного сечения (круг/удлиненное отверстие) или продолжающимся непрерывным сужением. Поскольку конец оконечности погружной трубы 9, 9а заперт, расплав принуждается к отводу по меньшей мере на 90 градусов, что приводит к первому снижению скорости потока.
Существенно, что посредством установки выпускного отверстия или выпускных отверстий на нижней стороне оконечности погружной трубы 9 достигается первое изменение направления потока расплава на по меньшей мере 90 градусов, а дополнительно, благодаря установке закраины 13 под выпускными отверстиями, достигается второе изменение направления или отвод потока расплава в боковом направлении в сочетании с дальнейшим снижением скорости потока. Поток расплава вводится в плавильную ванну по обе стороны закраины 13 равномерно и со значительно сниженной скоростью потока под зеркало ванны изложницы. Скорость потока расплава тем самым может снижаться до значения, равного или меньшего 0,5 м/с, и он не врывается с большой скоростью, как это бывает в обычных погружных трубах, в изложницу. Тем самым существенно снижается образование пузырьков и еще имеющиеся пузырьки на боковых стенках изложницы улетучиваются, тем самым предотвращается образование воздушных или газовых включений в слиток. Далее предотвращается нежелательное впрыскивание расплава глубоко в изложницу. Поток расплава впрыскивается непосредственно под поверхность плавильной ванны и может проходить там дегазацию, так что во время процесса отвердевания может образовываться гладкая поверхность. В области поверхности ванны не имеет места никакого завихрения. Проводимое таким образом введение расплава в изложницу исключает также опасность повреждения стенок изложницы.