ЛИТЕЙНАЯ МАШИНА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ПРИВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КРИСТАЛЛИЗАТОРА

Полезная модель относится к металлургическому производству и предназначена для получения из различных металлов и сплавов различных отливок и слитков с заданными характеристиками. В частности, полезная модель рассматривает конструкцию центрифугальной установки, используемой для получения металлических изделий слитков с заданной кристаллической структурой путем обработки и кристаллизации расплавов в нестационарном силовом поле центробежных сил высокой интенсивности.
Известна вертикальная центробежная машина, содержащая полый корпус с крышкой, выполненной с отверстием в центре, и изложницу, расположенную в полости корпуса на вертикальном валу и привод изложницы, при этом изложница выполнена из металла и имеет полость требуемой формы (SU №780951, B22D 13/04, опубл. 23.11.1980). Эта установка не позволяет получать литейные изделия с заданными характеристиками в широком диапазоне, т.к. срок жизни расплава не достаточен для проведения всего комплекса обработки и кристаллизации расплава в силовом поле центробежных сил, вследствие невозможности регулирования термодинамических характеристик кристаллизатора.
Известна также вертикальная центробежная литейная машина, содержащая полый корпус с крышкой, выполненной с отверстием в центре, и патрубком для ввода расплава в изложницу, расположенную в полости корпуса на вертикальном валу, нагреватель исходного металла, расположенный в отверстии крышки корпуса, и привод изложницы, при этом изложница выполнена из металла и имеет охлаждаемую емкость, ванну для расплавления металла и полость требуемой формы для расплавленного металла, а нагреватель выполнен в таком виде, который обеспечивает непосредственное воздействие высокой температуры на исходный металл в ванне для расплава (RU №2283205, B22D 13/00, опубл. 10.09.2006). Однако данная установка также не позволяет получать литейные изделия с заданными характеристиками в широком диапазоне, т.к. срок жизни расплава не достаточен для проведения всего комплекса обработки и кристаллизации расплава в силовом поле центробежных сил, вследствие невозможности регулирования термодинамических характеристик кристаллизатора.
Из RU №2312156 известен кристаллизатор для получения слитков из алюминиевых сплавов с заданной кристаллической структурой и с заданными характеристиками в поле центробежных сил с использованием кристаллизатора на основе центрифуги, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения.
Недостатками этой установки является отсутствие конструктивного решения, обеспечивающего на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в поле центробежных сил, неоднородность поверхностного слоя слитков, связанная с возможностью взаимодействия кристаллизуемого расплава со стенками корпуса в условиях силового поля центробежных сил, в результате чего снижается качество изделий, быстрый износ корпуса под воздействием расплава в силовом поле, а также узость функциональных возможностей, обусловленная ограничением по скорости вращения.
Известен кристаллизатор, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения, корпус из жаростойкой стали и крышка снабжены двухслойной облицовкой внутренней поверхности, причем один слой облицовки выполнен в виде футеровки шамотом, закрепленной термостойким клеем к стенкам корпуса, а второй слой облицовки выполнен из мелкозернистого графита, закрепленного термостойким клеем на футеровку, при этом подшипники установлены в блоке, выполненном с возможностью подачи охлаждающей жидкости (RU №79563, С22В 9/02, опубл. 10.01.2009 г.).
В этом кристаллизаторе подшипники выполнены в виде конических радиально-упорных подшипников, а привод вращения вала выполнен в виде ведомого шкива гибкой, например, клиноременной передачи. Днище корпуса выполнено с отверстием, в котором закреплена втулка с коническим отверстием для установки вала. Блок подшипников снабжен комбинированными сальниками, представляющими собой графитовый шнур и металлорезиновые манжеты.
Недостатком данного решения является то, что в данном кристаллизаторе не решена задача исключения нагрева приводной оси и блока подшипников. Введение приводного вала в область заполнения расплавом приводит к непосредственному нагреву вала и передачи нагрева подшипникам и шкиву, осуществляющему вращение вала. Если учесть, что расплав подается в кристаллизатор при температуре (в зависимости от базового металла) примерно от 700°С и до 2000°С, то трудно представить себе какой должна быть система охлаждения приводного вала с тем, чтобы обеспечить нормальную работу блока подшипников и привода. При заливке расплава в изложницу этого кристаллизатора очень трудно (или невозможно) избежать контакта струи расплава с металлическими элементами крепления вала привода к корпусу ротора кристаллизатора, что инициирует сразу несколько негативных момента: 1) внесение температурной неоднородности в струю расплава за счет точечного отбора тепла в точках соприкосновения деталей крепления оси привода и струи заливаемого расплава в процессе его заливки в изложницу кристаллизатора; 2) возможно в отдельных случаях химическое воздействие металла крепления на химию расплава; 3) наличие мощного (возможно, разупрочняющего) воздействия на элементы крепления вала привода к донной части ротора кристаллизатора струи расплава при работе с металлами и сплавами имеющие высокие значения температуры ликвидус. Кроме того технологически обоснованная конусность стенки изложницы кристаллизатора выполненная в слое футеровки приводит к нежелательной градиентности термодинамических параметров по высоте изложницы, что приводит к неравномерному теплоотводу от расплава и изменяет конфигурацию фронта кристаллизации (в верхней части корпуса теплоотвод осуществляется быстрее, чем в нижней части). Заявленная структура и примененные материалы футеровки являются приемлемыми лишь для некоторых сплавов (сплавы алюминия). Контакт заявленного графита для некоторых расплавов следует считать неприемлемым т. как приведет к его насыщению углеродом. Далее, наличие в изложнице ротора кристаллизатора элементов крепления ротора к валу привода резко снижает возможности предварительного нагрева внутреннего объема изложницы и вообще исключает длительное нахождение расплава в кристаллизаторе то есть при температурах выше температуры ликвидус. Создание в боковой стенке условий преимущественного теплостока, необходимого для создания дополнительного повода начала кристаллизации, вообще не предусмотрено, кроме неверно выполненной конусности футеровки. Все это, вместе взятое резко, ограничивает возможности использования данного кристаллизатора
Для всех названных уже известных решений центробежных машин характерно наличие одних и тех же недостатков резко ограничивающих их возможности обычным центробежным литьем, делающих невозможным комплексную обработку расплавов металлов и сплавов в нестационарном словом поле центробежных сил высокой интенсивности:
а) на этапе существования жидкой фазы из-за малого времени существования жидкой фазы металла в изложнице центробежного кристаллизатора.
б) невозможности регулирования скорости объемного охлаждения расплава в изложнице кристаллизатора вследствие отсутствия в машине механизма регулирования термодинамических характеристик кристаллизатора,
в) не достаточная защищенность механизма привода от длительного воздействия температуры расплава в изложнице кристаллизатора.
г) нет механизма регулирования скорости протекания процесса кристаллизации до достижения остывающего расплава температуры ликвидус из за отсутствия возможности адекватного регулирования термодинамических характеристик кристаллизатора и адекватного изменения потребного значения интенсивности силового поля центробежных сил, а также отсутствие конструктивных мер по калибровке заданной температуры расплава перед началом процесса кристаллизации.
д) ограниченность достижимых значений интенсивности силового поля центробежных сил в следствии применения в кристаллизаторах т. называемых жестких роторов. В то время как для достижения высоких значений силового поля рабочие обороты кристаллизатора должны быть рассчитаны на преодоление не только первой критической скорости оборотов ротора, но и второй. (те требует применения так называемых мягких роторов)
е) невозможность осуществления поскристаллизационной обработки (гомогенизация, старение, отжиг и т.п.) отливок и слитков в нестационарном силовом поле центробежных сил, вследствие невозможности проведения подобных процессов в силу: б); в); г).
Все названные недостатки предшествующих полезных образцов устранены в предлагаемой полезной модели.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности установки центрофугального кристаллизатора за счет отвода тепла от элементов привода и обеспечения возможности достижения оборотов ращения, соответствующих созданию гравитационного поля с коэффициентом гравитации до 500. Технический результат так же заключается в возможности регулирования термодинамических характеристик кристаллизатора комплексным использованием футеровки и регулируемым автоматикой машины нагревателем, возможностью калибровки поступившего в кристаллизатор расплава по температуре и возможностью поддержания заданной температуры в полости изложницы кристаллизатора технологически необходимое время. В повышении эксплуатационной надежности установки центрофугального кристаллизатора за счет обеспечения возможности достижения высоких потребных оборотов вращения применением системы стабилизации ротора, сглаживания прецессионных возмущений в процессе заливки расплава, преодоления интенсивных возмущений при проходе ротором в процессе разгонов и торможений первых и вторых критических скоростей оборотов, соответствующих созданию в изложнице нестационарного силового поля центробежных сил с гравитационным коэффициентом до 500 и выше.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой литейной установке с вертикальным приводом центробежного кристаллизатора, содержащей установленный с возможностью вращения кристаллизатор цилиндрической формы, стальной, футерованный внутри корпус которого сверху закрыт съемной крышкой с центральным отверстием в котором размещен подогреваемый питатель - тэн (термо электрический нагреватель) для заливки расплава и поддержания заданной температуры в изложнице кристаллизатора, а горизонтально ориентированное днище, через систему теплоизоляции и принудительного теплоотбора и рассеивания тепла связано с вертикальным валом, приводимым во вращение от привода. Привод включает в себя суммирующий редуктор, выходной вал которого связан с вертикальным валом кристаллизатора, а четыре (отстоят друг от друга на 90°) входных вала связаны каждый с соответствующим электродвигателем. Привод размещен на горизонтально ориентированной раме. Рама в свою очередь опирается на амортизационное устройство, а вдоль оси вращения вертикального вала кристаллизатора смонтирована карданная передача (или шаровая опора), один элемент которой связан с рамой, на которой размещен привод, а другой - с основанием машины. Жесткая кинематическая связь разнесенных на 90° в пространстве электродвигателей с ротором кристаллизатора вовлекает гироскопические моменты роторов электродвигателей привода в систему стабилизации и гашения возмущений, дополнительно к работе системы амортизации.
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;
фиг.2 - литейная машина с вертикальным валом привода центробежного кристаллизатора.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция литейной машины с вертикальным валом привода центробежного кристаллизатора включающей центробежный кристаллизатор, систему привода и систему гиростабилизации с гасителями возмущений., используемой 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 цилиндрический стальной корпус с крышкой 1 с центральным отверстием 2 (для заливки расплава), с горизонтально ориентированным днищем 3 и боковой стенкой 4, внутренняя поверхность которой представляет собой усеченный конус с меньшим основанием на днище (для обеспечения изъятия заготовки из кристаллизатора при снятой крышке).
Вращение корпуса осуществляется прикрепленным к нему вертикально смонтированным валом 5, приводимым во вращение от привода. 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 3 корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом 8, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал 5, расположен промежуточный стальной лист 9 с разнесенными теплорассеивающими пластинами (аэродинамическими лопатками) 10, с односторонним или двухсторонним слоем футеровки 11.
Получение различных слитков и отливок металлов и сплавов, осуществляется в силовом поле центрифуги, что достигается тем, что во вращающийся с заданной скоростью кристаллизатор заливается технологически перегретый расплав, распределяющийся по объему 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 и подогревом изложницы кристаллизатора, создает условия при которых происходит обработка силовым полем центробежных сил расплава с последующей направленной кристаллизацией. При этом 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 солидус, т.е. завершения процессов естественной кристаллизации в изложнице с отливками в зависимости от задач поддерживается нужные значения температуры и величины силового поля в течении необходимого для посткристаллизационной обработки отлитого металлического материала. 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 валом привода листу 9 затруднено тем, что между стальным листом днища 3 корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом 9, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал расположен промежуточный стальной лист 9 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, на последнем выполнены выступы 10 листа 9 в том или ином виде (аэродинамические лопатки), создающие в процессе вращения условия для энергичного отбора тепла и его рассеивания. Кроме того, улучшаются процессы охлаждения корпуса кристаллизатора за счет дополнительного обдува его аэродинамическими лопатками 10. Таким образом, непосредственно к вертикальному валу, передается только допустимое остаточное тепло. Расплав в изложницу кристаллизатора подается через нагреваемый питатель-тэн, поддерживающий в изложнице кристаллизатора заданный температурный режим.
Литейная машина с вертикальным валом 5 привода центробежного кристаллизатора согласно нестоящей полезной модели (фиг.2) содержит установленный с возможностью вращения стальной кристаллизатор с изложницей, футерованной внутри, корпус которого сверху закрыт съемной крышкой 2 с центральным отверстием, в котором расположен вводимый в полость корпуса через центральное отверстие в крышке нагреваемый питатель-тэн 12 для нагрева питателя и объема изложницы и служащим для заливки расплава. Над кристаллизатором размещена чаща 13 для подачи расплава в изложницу через питатель-тэн 12. Горизонтально ориентированное днище кристаллизатора связано с вертикальным валом, приводимым во вращение от привода. Привод включает в себя суммирующий редуктор 14, выходной вал которого связан с вертикальным валом 5 кристаллизатора (напрямую), а четыре входных вала связаны каждый с соответствующим электродвигателем 15 (связь через муфту). Синхронность работы электродвигателей определяется конструкцией редуктора и схемотехникой электронной синхронизации по потребляемому току. Привод размещен на горизонтально ориентированной раме 16, смонтированной на опорах 17, закрепленных на основании или на отдельной раме 18, закрепляемой на основании. Между рамой 16, на которой размещен привод, и каждой опорой установлен амортизационный элемент 19 или амортизационное устройство (система или комплекс амортизационных элементов). На фиг.2 опоры выполнены в виде труб, однако, в действительности опоры могут иметь различную конструкцию. Таким образом, привод размещается на платформе, колебания которой и смещения будут поглощаться амортизационными элементами. Возникающий дисбаланс ротора на этапах заливки расплава, в процессе заполнения литейных форм, прецессионные возмущения в процессе изменения скорости оборотов ротора и резонансные возмущения, возникающие при прохождением ротора, в процессе разгона и торможения, критических скоростей оборотов ротора (кристаллизатора) первого и второго рода, передается на привод и компенсируется работой амортизационной системы. Кинематически и конструкционно связанные с ротором 4 разнесенных в пространстве на 90° в одной плоскости электродвигатели 15 привода образуют своими гироскопическими моментами стабилизационную гироплатформу, оказывающую дополнительное стабилизирующее воздействие на ротор машины. Платформа с установленным суммирующим редуктором и электродвигателями привода опирается точкой, совпадающей с продолжением оси вала привода 5 на шаровую опору 20, установленную на раме 18, однако при необходимости для синхронизации работы амортизационных элементов, между шаровой опорой 20 и точкой на плите 16, совпадающей с продолжением оси вала 5, может быть смонтирована карданная передача (шаровая передача) 21, один шарнир которой связан с рамой 16, на которой размещен привод, а другой - с шаровой опорой на раме 16, закрепляемой на основании.
Настоящая полезная модель промышленно применима, реализована и показала высокую эксплуатационную надежность как самого кристаллизатора, так и его привода, в котором 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. Примененная система привода и стабилизации ротора машины позволяет применять ее во всем эксплуатационном диапазоне оборотов ротора и устойчивого перехода через скорости оборотов соответствующим первой и второй критической скорости оборотов ротора машины. Дополнительно конструктив машины содержит различное метрологическое оборудование (датчики и системы передачи данных). Машина содержит питатель-тэн 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. В машине предусмотрена подача в полость изложницы в процессе заливки расплава и кристаллизации инертного газа (аргон, азот, углекислый газ) или полость изложницы может вакумироваться.