УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ ПРОФИЛЯ

Техническое решение относится к обработке металлов совмещенными методами непрерывного литья и прессования и может быть использовано для получения профилей из цветных металлов и сплавов.
Известно устройство непрерывного литья и углового прессования профиля, содержащее дозатор и кристаллизатор, выполненный с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, в верхней части рабочего колеса которого выполнена кольцевая изложница, сопрягающаяся с неподвижным сегментом, состоящим из матрицы и выступа, перекрывающего поперечное сечение изложницы, а между дозатором и неподвижным сегментом расположен прижимной элемент, обращенный ко дну кольцевой изложницы и частично перекрывающий ее поперечное сечение, при этом прижимной элемент представляет собой неподвижную сегментную вставку и имеет неравномерную внутреннюю поверхность, а камера прессования образована стенками и донной частью кольцевой изложницы, поверхностью и выступом неподвижного сегмента, матрица с вертикальным рабочим каналом установлена перед выступом неподвижного сегмента (патент РФ №119659 «Устройство для непрерывного литья и прессования металла методом конформ» с приоритетом от 22.03.2012).
Под изложницей понимают охлаждаемую форму для ускоренного затвердевания жидкого металла.
Особенностью процесса кристаллизации является уменьшение объема металлов: для различных металлов и сплавов усадка составляет 0,5-6,0%. В начальный момент кристаллизации образуется поверхностный слой застывшего металла, фиксирующий первоначальный объем жидкого металла, внутри которого в ходе последующего охлаждения за счет усадки образуется пустое пространство - усадочная раковина, которая располагается в той части металлического тела, которая кристаллизуется последней, то есть в центральной части.
Для повышения качества получаемых пресс-изделий (профилей) в данном устройстве использован прижимной элемент, обеспечивающий контакт литой заготовки со стенками кольцевой изложницы, и конструкция которого позволяет снимать с закристаллизовавшегося металла (заготовки) наружный слой толщиной 4 мм с литейными дефектами. При этом снятый с заготовки металл накапливается в изложнице перед входом в прижимной элемент, что может привести к переполнению изложницы и к последующему частичному внедрению снятого дефектного поверхностного металла в объем металлической заготовки, то есть снятые с поверхности дефекты возвращаются в качестве тех же дефектов, но уже во внутреннюю структуру заготовки, в которой также сохраняются внутренние литейные дефекты и усадочные раковины и трещины, что отрицательно сказывается на структуре заготовки и качестве получаемых из нее профилей. Из-за возможного переполнения изложницы данное устройство может эксплуатироваться только при небольшой частоте вращения кристаллизатора, в частности, при диаметре кристаллизатора 360 мм частота вращения равна 2 об/мин, то есть производительность данного устройства невелика.
Также известно устройство непрерывного литья и углового прессования профиля, описанное в патенте РФ №146555 «Установка для непрерывного литья и прессования металла методом конформ» с приоритетом от 17.04.2014 и выбранное в качестве прототипа.
Данное устройство содержит дозатор и кристаллизатор, выполненный с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, в верхней части рабочего колеса которого выполнена кольцевая изложница, сопрягающаяся с неподвижным сегментом, состоящим из матрицы и выступа, перекрывающего поперечное сечение изложницы, а между дозатором и неподвижным сегментом расположен прижимной элемент, обращенный ко дну кольцевой изложницы и частично перекрывающий ее поперечное сечение, при этом прижимной элемент представляет собой сегментную вставку с направляющим отверстием, расположенным над кольцевой изложницей, в котором размещена плита с пуансоном с возможностью возвратно-поступательного движения ко дну изложницы по направляющим подпружиненным колонкам, а камера прессования образована стенками и донной частью кольцевой изложницы, поверхностью и выступом неподвижного сегмента, матрица с вертикальным рабочим каналом установлена перед выступом неподвижного сегмента.
Используемый в данном устройстве прижимной элемент за счет вдавливания пуансона в обрабатываемый металл на глубину 4 мм в течение 3 секунд увеличивает площадь контакта литой заготовки со стенками кольцевой изложницы, что является необходимым для обеспечения стабильности процесса выдавливания обрабатываемого металла через рабочий канал матрицы и сохранения постоянство размеров получаемых профилей по длине. При этом с заготовки сдвигается наружный слой, содержащий литейные дефекты, а для исключения переполнения изложницы после вдавливания в металл пуансон возвращается в исходное положение с помощью пружин, расположенных на направляющих колодках. Однако при следующем опускании пуансона происходит вдавливание в заготовку металла с дефектами, снятого в предыдущем цикле, а кроме того, в заготовке сохраняются внутренние литейные дефекты и усадочные раковины и трещины, что отрицательно сказывается на структуре заготовки и качестве получаемого из нее профиля.
Данное устройство эксплуатируется при небольшой частоте вращения кристаллизатора, в частности, при диаметре кристаллизатора 360 мм частота вращения равна 1,5 об/мин, то есть производительность устройства невелика.
В известных устройствах, описанных выше, небольшая частота вращения кристаллизатора выбрана из условия обеспечения медленного охлаждения металла, при котором возможно получить заготовку с однородной структурой по сечению и, как следствие, с пластичностью,
достаточной для стабильного процесса прессования, но с невысокой производительностью, при этом чем медленнее охлаждается металл, тем крупнее зерно, а следовательно, хуже механические свойства металла.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание высокопроизводительного устройства непрерывного литья и углового прессования с получением качественного профиля с однородной мелкозернистой структурой.
Решением данной задачи является устройство непрерывного литья и углового прессования профиля, содержащее дозатор, рабочее колесо, установленное с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, и на верхней части которого выполнена кольцевая изложница, неподвижный сегмент, сопрягающийся с кольцевой изложницей и состоящий из матрицы и выступа, перекрывающего поперечное сечение кольцевой изложницы, и расположенный между дозатором и неподвижным сегментом прижимной элемент, обращенный ко дну кольцевой изложницы и частично перекрывающий ее поперечное сечение, новым в котором является то, что прижимной элемент выполнен в виде установленного с возможностью вращения цилиндра, торцевая сторона которого является прижимной поверхностью, в центральной части которой, обращенной ко дну кольцевой изложницы, выполнен наконечник с резьбой.
Прижимной элемент выполнен охлаждаемым.
При быстром охлаждении металла в изложнице получают заготовку с неоднородной структурой, что является следствием неодновременной кристаллизации металла, так как вначале кристаллизация происходит у стенок изложницы, а в центре изложницы скорость охлаждения металла ниже, чем во внешних зонах: вначале на внешней поверхности заготовки образуется зона мелких кристаллов, затем образуется зона столбчатых кристаллов, рост которых происходит в направлении отвода тепла от поверхности к центру, а на следующей стадии в середине заготовки образуется зона равноосных кристаллов больших размеров.
Исследования показывают, что грубая и неоднородная структура заготовки влияет в дальнейшем на качество готовой продукции и может вызвать неожиданное разрушение в ходе последующей пластической деформации, а наиболее благоприятной структурой металла в заготовке является мелкозернистая структура при равномерном распределении всех структурных составляющих по объему заготовки.
Для получения такой заготовки в заявляемом устройстве используется прижимной элемент, который выполнен с возможностью вращения и состоящий из цилиндра, диаметр которого соизмерим с шириной кольцевой изложницы. В центральной части торцевой стороны цилиндра, обращенной ко дну кольцевой изложницы и образующей прижимную поверхность, расположен наконечник с резьбой. Прижимной элемент может быть расположен в том месте, где полностью заканчивается кристаллизация металла.
Во время работы устройства наконечник с резьбовой нарезкой, высота которого соизмерима с высотой заготовки в изложнице, погружен в металл и вращается со скоростью от 700 до 1400 об/мин, в зависимости от металла заготовки. Прижимная поверхность цилиндра прижата к поверхности заготовки и служит для обеспечения контакта литой заготовки со стенками кольцевой изложницы. При вращении наконечника закристаллизовавшийся металл в изложнице подвергается интенсивной пластической деформации перемешиванием, в результате чего происходит измельчение зерен и формируется мелкозернистая структура по всему сечению заготовки. Одновременно устраняются все литейные и усадочные дефекты металла и заготовка, после интенсивной пластической деформации имеет однородную бездефектную структуру с равномерным температурным полем по сечению заготовки. При этом направление вращения цилиндра с наконечником совпадает с направлением вращения рабочего колеса и поэтому не происходит переполнения изложницы, так как обработанный металл, в том числе благодаря резьбе на наконечнике, продвигается по изложнице, что увеличивает давление в прессовой камере и увеличивает скорость выдавливания металла через матрицу. Выполнение прижимного элемента охлаждаемым не позволяет перегреться металлу в зоне перемешивания, что особенно важно при обработке сплавов, в которых при разрушении столбчатых кристаллов происходит дополнительный нагрев металла.
При использовании сплавов прижимной элемент может быть расположен перед фронтом кристаллизации сплава. В этом случае при перемешивании металла создается избыток зародышей кристаллизации и вместо столбчатой структуры формируется заготовка с измельченной структурой, а чем меньше зерно, тем лучше комплекс механических свойств и более благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств.
Установлено, что заявляемое устройство стабильно работает при частоте вращения, на порядок большей, чем в прототипе, при этом профили из чистых металлов и сплавов наследуют измельченную структуру и улучшенные физико-механические свойства металла заготовки.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сверху заявляемого устройства, на фиг. 2 - разрез А-А, на фиг. 3 - разрез Б-Б, фиг. 4 - разрез В-В.
Устройство непрерывного литья и углового прессования содержит дозатор 1, содержащее дозатор и рабочее колесо 2, установленное с возможностью вращения в горизонтальной плоскости. На верхней части рабочего колеса 2 выполнена кольцевая изложница 3, которая сопрягается с неподвижным сегментом 4, состоящим из матрицы 5 и выступа 6, перекрывающего поперечное сечение изложницы 3. Между дозатором 1 и неподвижным сегментом 4 расположен прижимной элемент 7, который обращен ко дну кольцевой изложницы 3 и частично перекрывает ее поперечное сечение. Прижимной элемент 7 выполнен в виде установленного с возможностью вращения цилиндра 8, в центральной части торцевой стороны которого, обращенной ко дну кольцевой изложницы 3 и образующей прижимную поверхность 9, расположен наконечник 10 с резьбой.
Камера прессования 11 образована стенками и донной частью кольцевой изложницы 3, поверхностью и выступом 6 неподвижного сегмента 4, матрица 5 с вертикальным рабочим каналом установлена перед выступом 6 неподвижного сегмента 4.
Прижимной элемент 7 снабжен системой охлаждения (на чертеже не показана) и установлен в том месте, где полностью заканчивается кристаллизация чистого металла.
В опытном образце заявляемого устройства рабочее колесо 2 выполнено диаметром 540 мм; кольцевая изложница 3 выполнена шириной 10 мм и глубиной 15 мм; толщина литой заготовки 12 равна 10 мм; диаметр цилиндра 8 прижимного элемента 7 равен 9,5 мм, высота наконечника 10 равна 9,8 мм; диаметр рабочего канала вертикальной матрицы 5 равен 5 мм; частота вращения рабочего колеса 2 равна 10 об/мин. Для получения профиля 13 увеличенного сечения, соответственно увеличиваются диаметр канала матрицы 5 и частота вращения рабочего колеса 2.
При эксплуатации устройства рабочее колесо 2 приводится во вращение. Расплавленный металл (алюминий), нагретый до 650°С, из дозатора 1 заливается в изложницу 3. За время движения до прижимного элемента 7 расплавленный металл охлаждается до температуры 400°С, кристаллизируется и принимает форму поперечного сечения изложницы 2.
В элементе 7 прижимная поверхность 9 контактирует с металлом заготовки 12 и обеспечивает контакт литой заготовки 12 со стенками изложницы 3. Вращающийся наконечник 10 подвергает интенсивной пластической деформации перемешиванием закристаллизовавшуюся заготовку 12, в результате чего происходит измельчение зерен и формируется мелкозернистая структура по всему сечению заготовки 12. Одновременно устраняются все литейные и усадочные дефекты металла и заготовка 12, после интенсивной пластической деформации имеет однородную бездефектную структуру с равномерным температурным полем по сечению заготовки 12. При этом направление вращения цилиндра 8 с наконечником 10 совпадает с направлением вращения колеса 2 и заготовка 12 стабильно продвигается по изложнице 3 в камеру прессования 11, где под действием активных сил контактного трения между стенками камеры 11 и металлом заготовки 12 через рабочий канал вертикальной матрицы 5 происходит выдавливание металла с получением заданного профиля 13. Процесс выдавливания происходит равномерно, без рывков, а получаемый профиль 13 имеет стабильные размеры по всей длине и мелкозернистую структуру, равномерно распределенную по сечению.