КРИСТАЛЛИЗАТОР

Полезная модель относится к металлургическому производству и предназначена для получения из различных металлов и сплавов отливок и слитков различного назначения с заданными характеристиками. В частности. Полезная модель рассматривает конструкцию кристаллизатора металлургической центрифугальной установки, используемой для получения различных отливок и слитков с заданной кристаллической структурой и с заданными характеристиками в нестационарном силовом поле центробежных сил,
Известен кристаллизатор, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндрообразный стальной корпус с крышкой с центральным отверстием, с горизонтально ориентированным днищем и боковой стенкой, связанный с вертикальным валом, приводимым во вращение, при этом на внутренней поверхности боковой стенки, днища и крышки смонтирована футеровка, толщина футеровки на боковой стенке выполнена одинаковой толщины по высоте этой стенки, толщина футеровки на крышке и днище больше толщины футеровки на боковой стенке, центральная зона футеровки на днище выполнена утолщенной по отношению к ее периферийной зоне для усиления поверхности футеровки места в зоне встречи ее с расплавом, заливаемым через введенный в центральное отверстие в крышке напротив усиленной поверхности футеровки днища корпуса трубообразный питатель с нагреваемой боковой стенкой для поддержания в изложнице кристаллизатора заданного температурного режима, между стальным листом днища корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал, расположен промежуточный стальной лист с односторонним или двухсторонним слоем футеровки и с выведенными на периферию разнесенными теплорассеивающими пластинами типа аэродинамических лопаток, внутренняя поверхность боковой стенки корпуса представляет собой усеченный конус с меньшим основанием на днище (RU 89527, С22В 9/02, опубл. 10.12.2009).
Данное решение принято в качестве прототипа.
Данный кристаллизатор позволяет осуществлять процесс формирования сплава в центробежном режиме, но после кристаллизации наступает момент изъятия слитка. Если обратиться к форме поперечного сечения кристаллизатора, то можно увидеть, что он выполнен в виде усеченного конуса, мнимой вершиной обращенного в сторону приводного вала. При такой форме слиток так же имеет форму усеченного конуса с центральным отверстием и его большее основание обращено в сторону снимаемой крышки. После снятия крышки слиток необходимо извлечь, но это можно сделать только либо введением в отверстие механизма типа цанги или рычажных упоров, либо путем вворачивания в слиток крюков для строповочных элементов подъемного механизма. В любом случае при горячем слитке проведение этих операций невозможно. А сам процесс выемки слитка относится к категории трудоемких и времезатратных.
Предлагаемая нами полезная модель центробежного кристаллизатора лишена названных недостатков и направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной качеств кристаллизатора и упрощения изъятия слитка.
Указанный технический результат достигается тем, что в кристаллизаторе, содержащем установленный с возможностью вращения связанный с вертикальным валом, приводимым во вращение, цилиндрообразный стальной корпус с крышкой с центральным отверстием, с горизонтально ориентированным днищем и боковой стенкой, при этом на внутренней поверхности боковой стенки, днища и крышки смонтирована футеровка, которая на боковой стенке выполнена одинаковой толщины по высоте этой стенки, толщина футеровки на крышке и днище больше толщины футеровки на боковой стенке, центральная зона футеровки на днище выполнена утолщенной по отношению к ее периферийной зоне для усиления поверхности футеровки в зоне встречи ее с расплавом, заливаемым через введенный в центральное отверстие в крышке напротив усиленной поверхности футеровки днища корпуса трубообразный питатель с нагреваемой боковой стенкой для поддержания в изложнице кристаллизатора заданного температурного режима, между стальным листом днища корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом, расположен промежуточный стальной лист с односторонним или двухсторонним слоем футеровки и с выведенными на периферию разнесенными теплорассеивающими пластинами, между стальным листом крышки корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом, расположен промежуточный стальной лист с односторонним или двухсторонним слоем футеровки и с выведенными на периферию разнесенными теплорассеивающими пластинами, днище выполнено съемным и связано с приводом его перемещения по вертикали от корпуса для обеспечения возможности изъятия слитка и к корпусу, а внутренняя поверхность боковой стенки корпуса представляет собой усеченный конус с большим основанием на днище.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - продольный разрез кристаллизатора в собранном положении;
фиг.2 - то же, что на фиг.2, в процессе извлечения слитка из изложницы;
фиг.3 - перемещение слитка с основания изложницы.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция кристаллизатора, используемого для получения различных слитков и отливок из расплава различных металлов и их сплавов в нестационарном силовом поле центробежных сил (создаваемом вращением кристаллизатора с заданными оборотами), содержит установленный с возможностью вращения цилиндрообразный стальной корпус с крышкой 1 с центральным отверстием 2 (для заливки расплава), с горизонтально ориентированным днищем 3 и боковой стенкой 4, внутренняя поверхность 5 которой представляет собой усеченный конус с большим основанием на днище (для обеспечения изъятия заготовки из кристаллизатора при отодвинутом от корпуса днище).
Вращение корпуса осуществляется прикрепленным к нему вертикально смонтированным валом, приводимым во вращение от привода (привод не показан).
На внутренней поверхности боковой стенки, днища и крышки смонтирована футеровка. Футеровки 6 на боковой стенке 4 выполнена одинаковой толщины по высоте этой стенки, а толщина футеровки 7 на крышке и днище больше толщины футеровки 6 на боковой стенке 4.
Между стальным листом днища корпуса 3 и горизонтально ориентированным плоским стальным листом 8, расположен промежуточный стальной лист 9 с разнесенными теплорассеивающими пластинами (типа аэродинамических лопаток 10), с односторонним или двухсторонним слоем футеровки 11. Таким образом, отводимое от днища тепло (нагрев) поступает (передается) наружному слою футеровки 11 на стальном листе 9 и через этот стальной лист выводится в периферийную его зону. Так как кристаллизатор вращается, то происходит конвективное охлаждение стального листа 9. Для усиления охлаждения за счет имеющихся выведенных на периферию разнесенных теплорассеивающих пластин типа аэродинамических лопаток происходит интенсивное охлаждение периферийной части листа 9 и, естественно усиленный теплоотвод из центральной части этого листа от слоя футеровки 11. Аналогичным образом выполнена крышка: между стальным листом крышки корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом, расположен промежуточный стальной лист с односторонним или двухсторонним слоем футеровки и с выведенными на периферию разнесенными теплорассеивающими пластинами.
Днище выполнено съемным и связано с приводом его перемещения по вертикали от корпуса для обеспечения возможности изъятия слитка () фиг.2 и 3 и к корпусу для герметизации футерованного объема. Так как боковая стенка корпуса представляет собой усеченный конус с большим основанием на днище, то по завершении процесса кристаллизации, привод перемещает днище вниз до выхода слитка за габариты боковой стенки корпуса (фиг.2). Затем специализированным механизмом осуществляют смещение слитка с днища на транспортер или свободное место (фиг.3).
Получение различных слитков и отливок металлов и сплавов осуществляется в силовом поле центрифуги, что достигается тем, что во вращающийся с постоянной скоростью кристаллизатор заливается технологически перегретый расплав, распределяющийся по объему изложницы от центра до наружной стенки изложницы, после заполнения расплавом изложницы обеспечивают ее вращением с различными скоростями посредством центрифуги для получения в периферийной части изложницы значения гравитационного коэффициента от 40 до 500 при объемном равномерном охлаждении расплава с заданной скоростью, что совместно с заданной величиной перегрева расплава вместе с футеровкой изложницы или подогревом изложницы кристаллизатора создает условия, при которых процессы кристаллизации в силовом поле завершаются до достижения расплавом температуры ликвидус, т.е. начала естественных процессов кристаллизации. После охлаждения отливки в изложнице кристаллизатора до температуры завершения процессов естественной кристаллизации останавливают вращение центрифуги и охлаждают отливку. Для повышения эффективности процесса дополнительно создаются условия для равномерного преимущественного отвода тепла от внешней стенки, что достигается выполнением футеровки на боковой стенке кристаллизатора толщиной меньшей толщины остальной футеровки. Следовательно, большая часть тепла будет исходить через боковую стенку, что является дополнительным поводом (дополнительно к силовому воздействию градиентного силового поля центробежных сил) для старта процессов кристаллизации. Отвод тепла от днища 3 к непосредственно связанному с ним листу 9 затруднено тем, что между стальным листом днища корпуса 3 и горизонтально ориентированным плоским стальным листом 8, расположен промежуточный стальной лист с разнесенными теплорассеивающими пластинами (аэродинамическими лопатками 10), с односторонним или двухсторонним слоем футеровки 11. При этом в зоне теплового контакта днища 3, через стальной лист 9, с листом 8 выполнены выступы на периферии листа 9 в том или ином виде (аэродинамические лопатки), создающие в процессе вращения условия для энергичного отбора тепла и его рассеивания. Таким образом, улучшаются процессы охлаждения корпуса кристаллизатора за счет дополнительного обдува его аэродинамическими лопатками 10. Такие лопатки так же могут быть выполнены и на листе 8. В связи с этим непосредственно к вертикальному валу перемещения днища или к валу привода передается только допустимое остаточное тепло.
Особенностью используемого процесса кристаллизации является то, что необходимо при заливе расплава в кристаллизатор исключить резкое охлаждение переливаемого раствора за счет контакта с атмосферой и разбрызгивания при ударе в футеровку. В связи с этим в данном кристаллизаторе центральная зона футеровки на днище выполнена утолщенной 12 по отношению к ее периферийной зоне для усиления поверхности футеровки в зоне встречи ее с расплавом, а расплав заливается через введенный в центральное отверстие в крышке напротив усиленной поверхности футеровки днища корпуса трубообразный питатель 13 с нагреваемой боковой стенкой 14 для поддержания в изложнице кристаллизатора заданного температурного режима. Такой трубообразный питатель 13 с подогревом используется в качестве питателя-тенн, имеющего тен-элементы в стенке, обеспечивающие подогрев расплава при его заливке. При этом питатель 13 вводится в полость кристаллизатора, формируя небольшой проход между днищем и стенкой питателя, через который расплав плавно вводится в изложницу.
Опытный и испытанный авторами вариант лабораторного кристаллизатора был изготовлен из конструкционной стали толщиной 8 мм и имеет диаметр 300 мм на 60 мм Внутренняя поверхность выложена футеровкой (верхняя панель и нижняя изложницы толщиной 25 мм, внешняя стенка толщиной 20 мм) сформированной из смеси шамотной крошки, огнеупорной глины и графита в пропорции 7/3/2, что позволяет придать кристаллизатору нужные термодинамические характеристики. Выполнена серия плавок как алюминиевых сплавов с рабочими температурами до 1050°С, так различной стали и чугуна с температурами до 1600°С.
Настоящая полезная модель промышленно применима, реализована и показала высокую эксплуатационную надежность как самого кристаллизатора, так и его привода, в который исключена избыточная передача тепла от расплава при кристаллизации. Полностью обеспечены условия равномерного теплоотвода через боковую стенку, что позволило исключить внесение погрешностей в сам процесс кристаллизации и формирования плоского фронта кристаллизации. Дополнительно конструктив кристаллизатора может содержать различное метрологическое оборудование (датчики и системы передачи данных). Кристаллизатор может содержать съемные подкалиберные вставки-формы 15 для получения отливок заданной конфигурации. Может содержать нагреватель-питатель, который создает и поддерживает заданный температурный режим в полости изложницы кристаллизатора. Он также подает расплав в полость изложницы кристаллизатора без потери тепла расплава при его заливке и заполнении изложницы. Полость изложницы в процессе заливки расплава и кристаллизации может заполняться инертным газом (аргон, азот, углекислый газ) или вакуумироваться.