УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ, ПРОКАТКИ И ПРЕССОВАНИЯ КАТАНКИ
DEVICE FOR CONTINUOUS CASTING, ROLLING AND FORMING OF RODS

Настоящее изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения катанки, прутков и профилей преимущественно из алюминиевых сплавов методом непрерывного литья, прокатки и прессования.
Известно устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей (Патент 2200644 РФ, МПК B22D 11/06, B21C 23/08. / Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Гришечкин А.И., Сидельникова Е.С.), включающее печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, имеющие охлаждаемые полости и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными охлаждаемыми полостями.
Данное устройство обеспечивает непрерывность процесса получения бесшовных полых профилей. Однако в данном устройстве отвод тепла во время кристаллизации и деформации происходит с помощью клиновидных охлаждаемых полостей в матрице, что не обеспечивает достаточной эффективности их охлаждения, не позволяет достичь максимальной производительности процесса изготовления профилей и стабилизировать температурные условия во время проведения процесса и качество профилей. Стабилизация температурных условий матрицы особенно важна для непрерывных совмещенных процессов литья, прокатки и прессования (далее по тексту - СЛИПП). Следует также отметить, что выполнение внутри матрицы клиновидных охлаждаемых полостей усложняет ее конструкцию, приводит к появлению значительных термических напряжений в их объеме и, как следствие, значительно снижает ее надежность во время эксплуатации. (Довженко Н.Н. Прессование алюминиевых сплавов: моделирование и управление тепловыми условиями: монография [Текст] / Н.Н.Довженко, С.В.Беляев, С.Б.Сидельников и др. // - Красноярск: ИНК СФУ, 2009. - 256 с.).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, по технической сущности и достигаемому результату является устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей (Патент 2335376 РФ, МПК B22D 11/06, B21C 23/00 / Беляев С.В., Довженко Н.Н., Сидельников С.Б. и др.), включающее печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, имеющие охлаждаемые полости и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица, на торцевой наружной поверхности которой, находящейся в контакте с валками, выполнены охлаждаемые каналы. Данное устройство обеспечивает непрерывность процесса получения профилей методом СЛИПП. Однако во время работы данного устройства на поверхности валков образуется заусенец от деформируемого металла, который частично или полностью перекрывает охлаждаемые каналы на наружной торцевой поверхности матрицы, находящейся в контакте с валками, и нарушает циркуляцию хладагента, что снижает интенсивность и устойчивость отвода тепла вплоть до полного его прекращения. В результате чего дестабилизируются тепловые условия протекания процесса СЛИПП, что вызывает перегрев инструмента и деформируемого металла, появление бракованной продукции и приводит к вынужденной остановки данного устройства. Все это отрицательно сказывается на производительности процесса СЛИПП и качестве получаемых профилей. Кроме того, иногда изготовление охлаждаемых каналов на торцевой наружной поверхности матрицы, находящейся в контакте с валками, невозможно вследствие малых поперечных размеров матрицы для изготовления профилей небольшого поперечного сечения. Следует также отметить, что в данном устройстве невозможно применение испарительного охлаждения, которое является более эффективным, чем охлаждение проточным теплоносителем (Черномуров Ф.М. О возможности использования тепловой трубы для интенсификации процесса прессования [Текст] / Ф.М.Черномуров, В.А.Кузьменко, Н.Г.Парфентьев, С.В.Беляев // Технология легких сплавов. 1984. Июль. - С.51-55).
Основной задачей изобретения является повышение производительности непрерывного литья, прокатки и прессования и качества катанки за счет повышения эффективности охлаждения.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для непрерывного литья, прокатки и прессования катанки, включающем печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, имеющие охлаждаемые полости и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица, имеющая охлаждаемые каналы, выполненные на наружной ее поверхности согласно изобретению, охлаждаемые каналы снабжены сквозными отверстиями, проходящими через боковые, наружные поверхности матрицы, сообщающиеся с каналами для подвода и отвода хладагента, а снаружи охлаждаемые каналы герметично закрыты пластинами, при этом площади поперечных сечений отверстий и сообщающихся с ними каналов для подвода и отвода хладагента соответственно равны между собой, но площадь поперечного сечения канала для отвода хладагента больше, чем площадь поперечного сечения канала для подвода хладагента более чем в 1,5 раза, а предельная скорость подвода хладагента в охлаждаемые каналы определяется из соотношения:
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>В</mi></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>ν</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>В</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>В</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
В
П
где ρ, ρ - плотности жидкости и пара хладагента;
В
П
ν, ν - скорости движения жидкости и пара хладагента;
В
П
F, F - площади поперечного сечения каналов для подвода и отвода хладагента.
Конструктивные особенности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяют повысить производительность непрерывного литья, прокатки и прессования и качество катанки.
Выполнение герметичных, закрытых с помощью пластин, охлаждаемых каналов на наружной поверхности матрицы, находящейся в контакте с валками, не повлияет на интенсивность отвода тепла непосредственно из очага деформации, и при этом будет также происходить одновременное охлаждение как матрицы, так и валков. Но в этом случае исключается возможность попадание заусенца из деформируемого металла в охлаждаемые каналы и, как следствие, выход из строя системы охлаждения предлагаемого устройства, т.е. повысится надежность и бесперебойность работы предлагаемого устройства при осуществлении процесса СЛИПП.
Кроме того, выполнение конструкции каналов с соблюдением следующих условий, что площади поперечных сечений сквозных отверстий и сообщающихся с ними каналов для подвода и отвода хладагента соответственно равны между собой, при этом площадь поперечного сечения канала для отвода хладагента больше, чем площадь поперечного сечения канала для подвода хладагента более чем в 1,5 раза, обеспечит реализацию испарительного охлаждения матрицы.
Предельная скорость подача хладагента в зону охлаждения должна определяться из соотношения (1), что связано с ограничением по гидродинамическому запиранию пароотводящего канала при достижении паром скорости звука. В противном случае нарушается направленная циркуляция хладагента и резко снижается интенсивность охлаждения.
Следует отметить, что при испарительном охлаждении отводимое тепло в основном затрачивается на образование пара. Поскольку теплота парообразования велика, то при испарительном охлаждении интенсивность теплоотвода при одной и той же скорости подачи может быть на два порядка больше, чем при проточном охлаждении. Положительной особенностью испарительного охлаждения является также то, что процесс теплообмена, несмотря на его интенсивность, в достаточной мере становится управляемым, так как интенсивность отвода тепла почти линейно зависит от скорости подачи хладагента в зону охлаждения, т.е. повышается эффективность охлаждения и управления тепловыми условиями процесса СЛИПП.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь. Выполнение устройства для непрерывного литья, прокатки и прессования катанки, имеющего указанную выше совокупность отличительных признаков, позволяет повысить производительность непрерывного литья, прокатки и прессования и качество катанки.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фиг.1 показан общий вид устройства в разрезе во время осуществления процесса непрерывного литья, прокатки и прессования катанки, а на фиг.2 - разрез матрицы А-А на фиг.1. Заявляемое устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования катанки включает печь-миксер 1 с расплавом 2, валок 3 с ручьем и валок 4 с выступом, образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей 5 с охлаждаемыми каналами 6, выполненными на наружной боковой поверхности матрицы 5, находящейся в контакте с валками 3 и 4. Охлаждаемые каналы 6 снабжены сквозными отверстиями 7 и 8, проходящими через данные боковые поверхности и сообщающиеся с каналами для подвода 9 и отвода 10 хладагента, а снаружи охлаждаемые каналы герметично закрыты пластинами 11.
Кроме того, площади поперечных сечений сквозных отверстий 7 и 8 и сообщающихся с ними каналов для подвода 9 и отвода 10 хладагента соответственно равны между собой, при этом площадь поперечного сечения канала для отвода 10 хладагента больше, чем площадь поперечного сечения канала для подвода 9 хладагента более чем в 1,5 раза, а предельная скорость подвода хладагента в охлаждаемые каналы определяется из соотношения (1).
Устройство работает следующим образом.
Вначале расплавленный металл 2 заливается в печь-миксер 1, при этом начинается его кристаллизация на поверхностях валков 3 и 4. Далее закристаллизовавшийся металл захватывается валками 3 и 4, деформируется в закрытом калибре между валками 3 и 4 и выдавливается через рабочий канал матрицы 5 в виде катанки 12. В момент попадания расплава в печь-миксер 1 подается хладагент в охлаждаемые каналы 6 матрицы 5.
Пример. С помощью лабораторной установки СЛИПП на базе прокатного стана ДУО 200 провели непрерывное литье, прокатку и прессование катанки (прутка, профиля) диаметром 6 мм из сплава алюминия марки А7. Температура расплава составляла 700°С, а температура прессования 540°C. Прессование катанки проводили через матрицу с вытяжкой 10 с использованием прототипа и заявляемого устройства. При этом фиксировали изменение выходной температуры катанки и максимально возможную скорость прессования по появлению трещин на поверхности катанки. Во время появления заусенца на поверхности валков в прототипе произошло перекрывание поверхности охлаждаемых каналов заусенцем из деформируемого металла на контакте валков и торцевой поверхности матрицы, где расположены охлаждаемые каналы, что прекратило доступ хладагента в охлаждаемые каналы и вывело из строя систему охлаждения матрицы. В результате чего выходная температура катанки резко увеличилась, достигла предельного значения - температура прессования 590°C, когда началось активное образование трещин на поверхности катанки, т.е. появление брака. Поэтому потребовалась вынужденная остановка устройства. В заявляемом устройстве охлаждаемые каналы были выполнены на наружной боковой поверхности матрицы, контактирующей с валками, и снабжены сквозными отверстиями, проходящими через данные боковые поверхности, при этом площади поперечных сечений сквозных отверстий и сообщающихся с ними каналов для подвода и отвода хладагента соответственно были равны между собой, и площадь поперечного сечения канала для отвода хладагента была больше и равна 6 мм, чем площадь поперечного сечения канала для подвода хладагента, равная 4 мм, более чем в 1,5 раза (по факту - в 2,25 раза), а предельная скорость подвода хладагента в охлаждаемые каналы определялась из соотношения (1):
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>В</mi></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>ν</mi><mi>П</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>П</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>В</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>В</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,585</mn><mo>⋅</mo><mn>2,25</mn><mo>=</mo><mn>1,</mn><mtext> </mtext><mn>3</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow>
Образование заусенца на поверхности валков в заявляемом устройстве практически не влияло на интенсивность охлаждения рабочего инструмента, т.к. снаружи охлаждаемые каналы были герметично закрыты пластинами. Процесс СЛИПП с использованием заявляемого устройства происходил стабильно в течение длительного времени и был остановлен после переработки всего расплавленного металла в миксере. При этом за счет испарительного охлаждения матрицы удалось повысить производительность процесса до 30% и при этом удерживать температуру прессования на требуемом постоянном уровне 540±5°C, а на поверхности катанки отсутствовали какие-либо дефекты.
Таким образом, применение заявляемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить производительность непрерывного литья, прокатки и прессования за счет отсутствия вынужденных остановок и увеличения скорости протекания процесса СЛИПП и качество катанки.