КРИСТАЛЛИЗАТОР ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЛИТЬЯ СЛИТКОВ
CRYSTALLIZER FOR VERTICAL INGOTS CASTING

Изобретение относится к области металлургии и предназначено для использования при непрерывной и полунепрерывной разливке металлов, в частности, сплавов на основе алюминия.
Известны многочисленные конструктивные решения кристаллизаторов для вертикального литья слитков с входным отверстием для подачи расплавленного металла и выходным - для вытягивания слитка, направленных на регулирование интенсивности охлаждения стенок литейной камеры (формирующего канала) кристаллизатора и отливаемых слитков. Общим решением является концентрично расположенные относительно друг друга камеры приема и распределения охлаждающей жидкости в корпусе кристаллизатора. Частные решения предусматривают различные конструкции камер охлаждения, способы подвода и распределения охлаждающей жидкости, включая простейшие (RU 2268105, US 7011140, СН 665575), двухконтурные (RU 113685, RU 2111825) и двухуровневые (RU 2152287, US 5685359) конструкции камер, охлаждение посредством воды и газа (RU 2111825, US 4693298, US 7011140), различные способы подвода смазки (RU 113685, СН 665575, US 4693298). Как правило, предлагаемые решения являются комплексными, предлагающими одновременно несколько мероприятий, улучшающих качество слитков.
Среди известных решений определенную группу составляют устройства, обеспечивающие эффективное первичное охлаждение стенок литейной камеры кристаллизатора и вторичное охлаждение слитка.
В частности, известно устройство для литья слитков по патенту RU 100931 (опубл. 10.01.2011, B22D 11/055), содержащее однокамерный кристаллизатор первичной зоны охлаждения, в который охлаждающая жидкость (вода) поступает по нескольким последовательно расположенным патрубкам, установленным под углом 30° к цилиндрической образующей поверхности кристаллизатора, и зону вторичного прямого охлаждения слитка. Основным недостатком устройства является большое количество водоподводящих рукавов, что усложняет систему охлаждения из-за необходимости иметь дополнительные трубопроводы, шланги, патрубки, запорные вентили и т.д., затрудняет ее обслуживание и создает затруднения при литье. Кроме того, при снижении напора охладителя весьма вероятна необратимая термическая деформации стенок литейной камеры.
Известно устройство для литья слитков по патенту RU 113685 (опубл. 27.02.2012, B22D 11/041), содержащее изолированные концентрично расположенные относительно друг друга кольцевые камеры начального и дополнительного охлаждения, в котором подача охлаждающей жидкости ограничивается двумя патрубками для ее приема и распределения. Это в определенной степени уменьшает затруднения, возникающие при реализации устройства, однако при этом снижается равномерность охлаждения слитка и повышается вероятность разрушения слитка в процессе и после литья.
Устройство для литья слитков по патенту RU 2152287 (опубл. 10.07.2000, B22D 11/04) с зоной первичного охлаждения, состоящей из верхней и нижней камер, разделенных горизонтальной перегородкой, обеспечивает надежный подвод охлаждающей жидкости (воды) от единого патрубка. Однако неразъемный корпус затрудняет обслуживание кристаллизатора. Равномерность охлаждения слитка также недостаточна.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является кристаллизатор для вертикального литья слитков по патенту RU 2281183 (опубл. 10.08.2006, B22D 11/04, B22D 11/07), который содержит корпус с каналом подвода охлаждающей жидкости, изолированные друг от друга распределительные и охлаждающие камеры, разделенные горизонтальными и вертикальными перегородками, обеспечивающими возможность равномерного перетекания охлаждающей жидкости за счет зазоров относительно корпуса или щели в перегородке, и каналы отвода охлаждающей жидкости, обеспечивающей вторичное прямое охлаждение слитка. Кристаллизаторпо патенту RU 2281183 принят за прототип.
Конструкция кристаллизатора обеспечивает достаточно однородную структуру слитка. Недостатком устройства является неравномерность отвода тепла из-за остающейся значительной неравномерностиперетекания охлаждающей жидкости через зазоры и щели.
Основной задачей изобретения является повышение качества отливаемого слитка за счет улучшения условий его охлаждения.
Техническим результатом изобретения является эффективное и равномерное охлаждение стенок литейной камеры и равномерный отвод тепла от стенки литейной камеры кристаллизатора, независимо от разности температуры охлаждающей жидкости по сечению перед входом в охлаждающую камеру. В результате равномерного теплоотвода снижается также вероятность прорыва жидкого металла при литье слитка.
Технический результат достигается тем, что в кристаллизаторе для вертикального литья слитков, имеющем зоны первичного и вторичного прямого охлаждения слитка, содержащем корпус с каналом подвода (подачи) охлаждающей жидкости (патрубка), изолированными друг от друга распределительными и охлаждающими камерами, разделенными перегородками, и каналами, отводящими охлаждающую жидкость:
- равномерное перетекание охлаждающей жидкости (воды) из распределительной камеры в охлаждающую камеру обеспечивает либо переменный зазор диафрагмы (перегородки) относительно корпуса, либо прорези (щели) или отверстия в диафрагме (перегородке), сечение и расположение которых обеспечивает увеличение потока охлаждающей жидкости (воды) через диафрагму по мере удаления от подводящего канала(патрубка) к противоположному по диаметру положению;
- охлаждающая камера полностью или частично образована многозаходной спиральной полостью, каждый виток которой совершает, по крайней мере, один оборот вокруг литейной камеры; этим обеспечивается равномерное охлаждение стенок литейной камеры кристаллизатора и слитка.
На фиг. 1 представлен пример конструкции предлагаемого кристаллизатора. Корпус кристаллизатора представляет наружную обечайку 7, зарытую крышками 2 и 3, внутри которого расположена литейная камера 4. Внутренняя полость кристаллизатора разделена вертикальной перегородкой 5 на распределительную камеру, состоящую, в свою очередь, из разделенных горизонтальной перегородкой (диафрагмой) 6 приемной 7 и раздаточной 8 полостей, и камеру первичного охлаждения слитка (охлаждающую камеру) 9. Подводящим каналом охлаждающей жидкости (воды) в приемную полость 7 распределительной камеры служит патрубок 10 в обечайке 1.
Равномерный по диаметру (независимо от положения относительно от подводящего канала) поток охлаждающей жидкости (воды) через диафрагму 6 из приемной 7 в раздаточную полость 8 распределительной камеры и далее - в камеру первичного охлаждения 9 в данном примере обеспечивается за счет отверстий 11 в диафрагме 6, площадь сечения которых возрастает по мере удаления от патрубка 10 к противоположному по диаметру положению. В частности, наиболее простым решением является возрастание площади сечения отверстий по линейному закону, например, через отверстия равного диаметра, расположенными с переменным шагом (фиг. 2).
Конструктивное исполнение диафрагмы 6 может быть различным: с отверстиями, как на фиг. 2, или прорезями (щелями) переменного сечения, с переменным зазором между диафрагмой и корпусом за счет эксцентричного смещения диафрагмы относительно оси кристаллизатора или т.п. При этом возрастание пропускной способности диафрагмы по мере удаления от патрубка 10 к противоположному по диаметру положению обеспечивает равномерное перетекание через нее охлаждающей жидкости, что минимизирует влияние застойной зоны со стороны, противоположной подводящему патрубку 10. При этом суммарная площадь сечения зазоров между диафрагмой и корпусом, отверстий или прорезей в диафрагме 6 (пропускная способность) должна соответствовать пропускной способности патрубка 10. Оптимальное соотношение площади сечения подводящего канала охлаждающей жидкости к суммарной площади сечения зазоров, отверстий или прорезей в диафрагме составляет 0,9-1,2.
Камера первичного охлаждения 9 представляет полость между стенкой литейной камеры 4 и вертикальной перегородкой 5. Повышение равномерности теплоотвода может быть достигнуто за счет того, что полость образует многозаходная (на фиг. 2 показана трехзаходная) спиральная нарезка 12 в стенке литейной камеры. Каждый виток нарезки совершает, по крайней мере, один оборот вокруг литейной камеры. Охлаждающая жидкость (вода) движется по спиральным каналам нарезки 12, охлаждая стенку литейной камеры 4.
В нижней части камеры первичного охлаждения 9 выполнен ряд отверстий 13, являющихся каналами, отводящими охлаждающую жидкость, через которые она поступаетдля прямого охлаждения слитка, выходящего из кристаллизатора.
Камера первичного охлаждения 9 может быть образована полостью многозаходной спиральной нарезки 12 полностью или частично, если из конструктивных соображений пропускная способность полости спиральной нарезки 12 недостаточная для обеспечения баланса тепла, поступающего из отливаемого слитка и отводимого охлаждающей жидкостью. В случае необходимости увеличения пропускной способности камеры первичного охлаждения 9 между вершинами спиральной нарезки 12 в стенке литейной камеры 4 и вертикальной перегородкой 5 может быть выполнен дополнительный зазор.
Пропускная способность отверстий 13 должна обеспечить указанный выше тепловой баланс. Пропускная способность камеры первичного охлаждения 9 должна обеспечить подпор охлаждающей жидкости перед отверстиями 13. Отношение площади сечения полости многозаходной спиральной нарезки к суммарной площади отверстий 13 должно составлять ≥ 1,1.
В нижней части камеры первичного охлаждения 9 может быть дополнительно выполнена полость 14 служащая амортизатором давления охлаждающей жидкости. В этом случае соотношение площади сечения многозаходной спиральной полости камеры первичного охлаждения 9 к площади сечения кольцевого канала 15 и площади сечения кольцевого канала 15 к суммарной площади отверстий 13 должно составлять ≥ 1,1.
Конструкция кристаллизатора может предусматривать:
- использование способов распределения охлаждающей жидкости как посредством диафрагмы 6, таки посредством спиральной нарезки 12 раздельно или совместно,
- комбинированное исполнение деталей (например, исполнение крышки 3, вертикальной перегородки 5 и диафрагмы 6, как одной детали, исполнение спиральной нарезки 12 в вертикальной перегородке и др.
Конструктивно кристаллизатор с предлагаемым принципом распределения охлаждающей жидкости и охлаждения стенок литейной камеры может быть выполнен с системой подачи смазки, в двухуровневом исполнении, с газовым экраном для снижения интенсивности охлаждения слитка и т.п.
Кристаллизатор в составе устройства непрерывной и полунепрерывной разливки металлов работает следующим образом.
Перед разливкой на внутреннюю поверхность стенки литейной камеры 4 кристаллизатора любым известным способом наносится жидкая смазка. Через патрубок 10 в приемную полость 7 распределительной камеры подается охлаждающая жидкость (вода), перетекающая через отверстия 11 в диафрагме 6 в раздаточную 8 полость распределительной камеры. Сечение и расположение отверстий 11 обеспечивает равномерный по диаметру, достаточно ламинарный поток жидкости, поступающей из одного входного патрубка 10, через диафрагму 6, независимо от застойной зоны перед диафрагмой. Проходя по каналам многозаходной спиральной нарезки 72 камеры первичного охлаждения 9, поток жидкости охлаждает стенку литейной камеры 4. Многозаходная спираль обеспечивает забор охлаждающей жидкости за диафрагмой 6 из разных (по диаметру) мест. Охлаждающей жидкость по спирали проходит, по крайней мере, один виток вокруг литейной камеры 4. Таким образом, условия охлаждения стенки литейной камеры 4 не столь зависят от ламинарности, мощности потока и возможной разности температуры охлаждающей жидкости перед входом в охлаждающую камеру 9. После охлаждающей камеры 9 хорошо перемешанная охлаждающая жидкость через отверстия 13 попадает на слиток, обеспечивая его вторичное прямое охлаждение.
Заливка расплава металла в кристаллизатор и вытяжка слитка выполняются по известной технологии.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Отливка слитков диаметром 100 и 120 мм из алюминиевого сплава АД31. Скорость вытяжки слитка составляла 150 мм/мин (2,5 мм/с).Отмечалось высокое качество поверхности слитков при 2-2,5-кратном повышении скорости вытяжки слитка по сравнению с прототипом.
Пример 2. Отливка слитков диаметром 120 мм из алюминиевого сплава 1570. Скорость вытяжки слитка составляла 135 мм/мин (=2,25 мм/с). Отмечалось удовлетворительное качество поверхности и однородная мелкозернистая структура по сечению слитка. Прорывы жидкого металла при литье отсутствовали, в то время как на прототипе они имели место.
Таким образом, предлагаемый кристаллизатор за счет равномерного охлаждения обеспечивает мелкозернистую, более однородную по сечению и высоте слитка структуру и более стабильный процесс литья по сравнению с прототипом.