КРИСТАЛЛИЗАТОР ДЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ

Полезная модель относится к цветной металлургии, конкретно - к конструкции графитового кристаллизатора, предназначенного для использования в установке горизонтального непрерывного литья (УГНЛ) при получении круглых прутков из оловянноцинковосвинцовых бронз (далее - бронзы ОЦС).
Известно применение графитовых кристаллизаторов различных конструкций при горизонтальном непрерывном литье значительного числа медных сплавов [1-10]. Так, согласно [1] графитовый кристаллизатор для разливки медных сплавов длиной 300 мм одним концом вставлен в плавильную тигельную печь, его другой конец находится в медном водоохлаждаемом кожухе; на установке получают сплошные и полые заготовки диам. 150 мм. Для получения непрерывнолитых заготовок (далее - НЛЗ) круглого, квадратного и шестигранного сечений в боковой стенке миксера установлены легко заменяемые графитовые кристаллизаторы с водяным охлаждением [2]. В [3] подчеркивается, что с применением качающихся индукционных печей и при операциях загрузки шихты и разливке, происходящих непрерывно, замена графитового кристаллизатора производится без опорожнения и охлаждения печи; при этом получают заготовки в два ручья диаметром более 50 мм. При производстве горизонтальным непрерывным литьем прямоугольных заготовок из медных сплавов применяются кристаллизаторы, выполненные из плотного мелкозернистого графита; один конец кристаллизатора вставлен в керамическое гнездо миксера, а другой - охлаждается [4]. Для получения горизонтальным непрерывным литьем заготовок диам. 25...100 мм графитовый кристаллизатор полной длиной 390 мм на длине 180 мм имеет конус (1:15), которым вставляется в коническое отверстие медного водоохлаждаемого кожуха [5, с.24]. На цилиндрический конец кристаллизатора надето упорное кольцо из жаропрочной стали, с помощью которого кристаллизатор соединен с металлоприемником. В машине горизонтального непрерывного литья заготовок из оловяннофосфорной бронзы использован двухконусный графитовый кристаллизатор, входящий в конусную огнеупорную втулку, вмонтированную в футеровку металлоприемника [5, рис.11].
В основополагающей монографии Э.Германна, правда, относящейся к способам вертикального непрерывного литья, приведена конструкция целиком графитового кристаллизатора [10, с.650, рис.1701 и 1702] и отмечено, что для уменьшения износа кристаллизатор снабжается сменной графитовой втулкой. Далее указано, что можно применять металлические кристаллизаторы, но при этом часть кристаллизатора, соприкасающаяся с жидким металлом, должна быть графитовой; кроме того, металлические кристаллизаторы следует смазывать.
Особенности физических свойств и металлургической природы оловянноцинковых и оловянноцинковосвинцовых бронз (широкий температурный интервал кристаллизации, склонность к ликвации, пористости и горячим трещинам, пониженная жидкотекучесть и др.) требуют особо внимательного подхода для создания благоприятных режимов кристаллизации заготовок из них, в том числе в условиях горизонтального непрерывного литья. В [6-8] сообщается, что способ получения горизонтальным непрерывным литьем заготовок из оловянноцинковых бронз с достаточно высокими механическими свойствами позволяет повысить качество заготовок и обеспечивает экономию олова. На упомянутой выше УГНЛ [4] освоено производство НЛЗ из бронзы марки БрОЦС 4-4-2,5. Конусным графитовым кристаллизатором, вставляемым в медный кожух, снабжена УГНЛ для получения заготовок широкого диапазона диаметров, в том числе из бронз ОЦС [5, с.28-31; 9].
Подводя итог проведенному анализу уровня техники, следует констатировать, что в большинстве случаев находят применение графитовые кристаллизаторы как цилиндрической, так и конической формы. Развернутый анализ конструкций кристаллизаторов, включая конусные, приведен в [5, рис.13, 47 и 62, табл.8, 9 и 20]. В их числе рассмотрены кристаллизаторы сборного типа, снабженные либо металлической (из хромированной меди и титана) [5, рис.62 г], либо приставной графитовой [5, рис.62 д] втулками. К кристаллизаторам сборного (составного) типа примыкает конструкция, показанная в [5, рис.47, тип В] и применяемая при получении НЛЗ диам. 50...60 мм.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемой полезной модели выбрана конструкция сборного кристаллизатора, изображенная на рис.62 г [5]. Сборный кристаллизатор состоит из двух основных частей - корпуса и сменной втулки, причем в данном случае не имеет принципиального значения материал втулки (медь, титан, графит и т.д.), важно то, что обе основные части кристаллизатора состыкованы по кольцевой поверхности, и в месте их стыковки не исключено по тем или иным причинам образование незначительного зазора. Конкретный вариант конструкции сборного кристаллизатора - наиболее близкого аналога, применявшегося ранее в производственных условиях заявителя, приведен на фиг.1. Известно, что эта конструкция разработана в ЗАО «КАТЭЛ-Электромеханика», г.Тверь, но более подробной адресной и библиографической ссылок заявитель, к сожалению, предоставить не имеет возможности. На фиг.1, с целью более полного представления о его устройстве, показан кристаллизатор - наиболее близкий аналог в сборке с другими деталями после его монтажа в стенке печи.
Как указывалось выше, собственно кристаллизатор (его формообразующая часть) состоит из графитового кольца 1 и графитовой втулки 2, состыкованных по поверхности 10. Кристаллизатор установлен посредством переходного кольца 3 в футеровке печи 4. Стабильное удержание кристаллизатора на технологической оси осуществляется посредством основания 5, медной водоохлаждаемой рубашки 6 и фланца 7, а также наружного корпуса 8, имеющего каналы 9 для охлаждающей воды. Асбестовые картон и шнур, а также крепежные детали (то есть стандартные изделия) на фиг.1 не показаны.
Конструкция кристаллизатора - наиболее близкого аналога имеет следующие недостатки, установленные практикой его промышленного применения в производственных условиях заявителя.
1. По истечении некоторого времени после начала процесса литья в месте стыковки 10 графитового конца 1 и графитовой втулки 2 образуется незначительный зазор как следствие неточностей сборки, температурных поводок и износа деталей кристаллизатора, вибраций, передаваемых кристаллизующейся заготовке тянущим устройством, а также других факторов, главным из которых является следующий. Известно, что для тянущих устройств характерно наличие обратного хода (так называемой «отдачи»). Более того, в ряде случаев применяют тянущие устройства, в которых обратный ход должен быть предусмотрен согласно технологии. В образовавшийся зазор под действием значительного металлостатического давления затекает расплав металла, что еще больше повышает величину зазора, которая, как показали измерения, проведенные после остановки процесса разливки, может максимально достигать 5 мм. В итоге в районе стыка 10 вследствие близкого расположения этого стыка к хорошо охлажденной медной рубашке 6 возникает зона интенсивного охлаждения, способствующая затвердеванию затекшего металла. Далее происходит распространение затвердевшей корочки вдоль внутренней поверхности графитовой втулки 2 - явление крайне нежелательное, т.к., во-первых, в этом месте пруток имеет жидкую сердцевину, а корочка еще весьма слаба; во-вторых, пруток встречает свойственное сплавам ОЦС повышенное сопротивление пошаговому вытягиванию, причины которого изложены далее.
Наиболее отрицательные последствия этой ситуации для сплавов ОЦС порождена, как отмечено выше, их чрезвычайно широким температурным интервалом кристаллизации, составляющим 80...150°С [11], склонностью к ликвации и, кроме того, наличием в сплаве легкоплавких компонентов - цинка, свинца, олова с их низкими температурами затвердевания. В частности, на стенке графитовой втулки образуются выделения оксида цинка, имеющие высокий коэффициент трения и сильно препятствующие продвижению прутка при его вытягивании.
В результате излишне раннего образования механически слабой тонкой корочки, к тому же находящейся в зоне высоких температур, и соответствующего увеличения протяженности лунки жидкого металла складывается (и реализуется в действительности) тенденция к образованию горячих трещин, усиленная указанными выше особенностями кристаллизации сплавов ОЦС. В конечном итоге вследствие интенсивного трещинообразования дело доходит до частых обрывов заготовки со всеми вытекающими из этого широко известными негативными последствиями. При этом попытки исправить ситуацию путем варьирования величины шага и скорости вытягивания, длительности паузы, а также соотношения этих параметров заканчивались безрезультатно.
2. Другим недостатком кристаллизатора - наиболее близкого аналога, также ухудшающим положение с обрывностью прутка, выполненного из сплавов ОЦС, является образование кольцевого нароста на внутренней стенке графитовой втулки в месте перехода лунки жидкого металла в зону твердо-жидкой фазы. Отрицательным здесь является то, что зона твердо-жидкой фазы для сплавов ОЦС имеет повышенную протяженность, порожденную особенностями их кристаллизации, описанными выше. Причина образования кольцевого нароста - та же, то есть влияние зоны интенсивного охлаждения на затекший в зазор между графитовым кольцом и графитовой втулкой расплав. Дополнительно этому явлению способствует повышенная склонность к ликвации, свойственная сплавам этой группы. Было также замечено, что вредное действие кольцевого нароста, провоцирующего образование горячих трещин, начинает сказываться при его протяженности вдоль оси втулки от 1 до 3 мм. После увеличения его длины до 5 мм и более сопротивление вытягиванию возрастает настолько, что обрыв заготовки практически неизбежен.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение стабильности процесса горизонтального непрерывного литья путем ликвидации обрывности прутка при его вытягивании из кристаллизатора.
Поставленная задача решается тем, что в известном кристаллизаторе, содержащем установленное в футеровке печи графитовое кольцо, имеющее уступ на внутренней поверхности и закрепленную в графитовом кольце укороченную на длину графитового кольца графитовую втулку с гладкими внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями и внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру графитового кольца, опирающуюся торцом на уступ внутренней поверхности графитового кольца, согласно предлагаемому техническому решению графитовая втулка выполнена длиной, увеличенной на длину графитового кольца, наружная поверхность графитовой втулки снабжена уступом, которым графитовая втулка опирается на уступ внутренней поверхности графитового кольца.
Рассмотренные выше недостатки кристаллизатора - наиболее близкого аналога проявляются, как правило, при горизонтальном непрерывном литье заготовок сплавов ОЦС повышенных диаметров - от 70 до 120 мм и существенно ослаблены при получении НЛЗ диам. 22...70 мм; это зафиксировано в производстве заявителя. Здесь, очевидно, сказывается отрицательное влияние роста условного периметра
γ=S/П, где S - площадь поперечного сечения прутка, П - его периметр. Поскольку определяет для конкретного сплава при заданных условиях (температуре литья, температуре начала и конца кристаллизации) количество тепла, отдаваемое кристаллизатору, а по периметру идет процесс теплообмена для данного сечения, то при возрастании (с ростом диаметра НЛЗ) условного периметра соответственно увеличенная масса расплава в кристаллизаторе имеет повышенное теплосодержание, вследствие этого процесс затвердевания пролонгируется, и в этих условиях все известные недостатки сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации усугубляют положение. О влиянии роста условного периметра легко
2
убедиться при рассмотрении ситуации с прутками, например, следующих трех диаметров: 80, 90 и 100 мм. Если площади их поперечного сечения составляют соответственно 5024; 6358,5 и 7850 мм, а периметры - 251,2; 282,6 и 314 мм, то условные периметры равны 20; 22,5 и 25.
В предлагаемом техническом решении (фиг.2) внутренняя поверхность графитовой втулки 13 выполнена гладкой на всем ее протяжении вдоль технологической оси литья, чем исключается проявление всех тех отрицательных явлений, которые рассмотрены в разделе «Критика наиболее близкого аналога». В заявляемой полезной модели (фиг.2) стык 11 между графитовым кольцом 12 и графитовой втулкой 13 вынесен на внешнюю поверхность графитовой втулки, а именно: наружная поверхность графитовой втулки 13 снабжена уступом 14, которым она опирается на уступ 15 внутренней поверхности графитового кольца 12 - согласно формуле полезной модели. На фиг.2 использованы те же обозначения, что и на фиг.1, за исключением поверхности стыка 11, графитового кольца 12 и графитовой втулки 13, конфигурация которых изменена по сравнению с одноименными элементами, показанными на фиг.1 и относящимися к наиболее близкому аналогу.
Особенности затвердевания заготовки при горизонтальном непрерывном литье подробно рассмотрены в монографии [5, с.53-76], и их дополнительный комментарий представляется излишним. Что касается технологии производства НЛЗ из бронз ОЦС с целью их последующей механической обработки [5], то следует остановиться именно на режиме охлаждения заготовки диам. 50...120 мм из рассмотренных в [5] бронз марок БрОЦС 6-6-3, БрОЦС 5-5-5, БрОЦС 3-12-5, БрОЦСН 3-7-5-1. В [5, с.90-93] при анализе механизма влияния режима охлаждения на стабильность процесса получения НЛЗ приведена иллюстрация [5, рис.45], показывающая, что на заготовке, оставшейся в кристаллизаторе после обрыва, имеется светлый поясок, вызвавший ее заклинивание в кристаллизаторе. При этом указано, что в настылях, оставшихся на стенке графитовой втулки при разливке бронзы марки БрОЦС 6-6-3, содержится 15% Sn, 7,7% Zn, 5% Pb, то есть содержание легкоплавких элементов в 2-3 раза выше, чем в среднеплавочной пробе. На повышенное содержание легирующих (до 16% Sn и 0,8% Р) обращается внимание также в [10, с.651]. Это приводит авторов [5, с.90] к выводу: причиной заклинивания заготовки в кристаллизаторе является появление настыли из легкоплавких компонентов, образующейся в результате обратной ликвации (для бронзы ОЦС это, очевидно, эвтектоид α+δ). На образование приблизительно в 20 мм от фронта кристаллизации кольцевых наплывов, очень прочно приставших к стенке графитового кристаллизатора при литье бронзы с 10...10,5% Sn и 0,5% Р, указывается также в [10, с.651]. Эти факты полностью согласуются с результатами химанализа кольцевого нароста, выполненного заявителем.
Далее, на основе анализа механизма образования ликвационных колец, авторы [5, с.93] заключают, что степень ликвационных выделений находится в прямой зависимости от интенсивности охлаждения: при мягком охлаждении температура графитовой стенки кристаллизатора выше температуры плавления цинка (419,5°С), свинца (327°С) и олова (232°С). При такой температуре рабочей стенки эти компоненты при выделении на поверхности заготовки не образуют твердого кольца настыли, а служат по существу смазкой и не заклинивают заготовку в кристаллизаторе.
В кристаллизаторе - наиболее близком аналоге вследствие описанных выше явлений и влияния режима интенсивного охлаждения образуется кольцевая настыль, способствующая повышенному сопротивлению вытягиванию, трещинообразованию и в конечном итоге - обрыву заготовки. Рабочая поверхность графитовой втулки в предлагаемом техническом решении не имеет стыков, куда может затекать расплав; как следствие, режим интенсивного охлаждения трансформируется в более мягкий; на рабочей стенке втулки полностью отсутствуют кольцевые настыли ликватов, ответственные за обрывы заготовки - все это гарантирует стабильность процесса горизонтального непрерывного литья. Таким образом, задача предлагаемой полезной модели решена. Данный факт подтвержден успешным выпуском в производстве заявителя промышленных партий НЛЗ диам. 100...120 мм из бронз марок БрОЦС 5-5-5 и БрОЦС 5-6-5, в процессе получения которых полностью отсутствовали обрывы прутков.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Стобород Т.Н. Цветная металлургия. Цветметинформация, 1963, №4. С.33-34.
2. Кручер Г.Н. Цветная металлургия. Цветметинформация, 1967, №17. С.49-51.
3. Lohikoski Т. J.Inst. of Metals, 1970, v.98, №6. P.161-163.
4. Фридман Л.П., Кузьмин В.Г., Новиков А.В. Цветные металлы, 1971, №10. С.60-61.
5. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов/ О.А.Шатагин, В.Т.Сладкоштеев, М.А.Вартазаров и др. М.: Металлургия, 1974. 176 с.
6. Bernhardt W., Reile F. Nene Hütte, 1959, №5. S.282-285.
7. Industrial Heating, 1969, v.36, №6. P.1060-1064.
8. Wire World International, 1969, v.11, №4. P.41.
9. Сладкоштеев В.Т., Шатагин О.А., Козаченко С.М. Цветные металлы, 1971, №10. С.58-59.
10. Германн Э. Непрерывное литье/Справочное издание. Пер. с нем. М.: Металлургиздат, 1961. 814 с.
11. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.