КРИСТАЛЛИЗАТОР

Полезная модель относится к металлургическому производству и предназначена для получения из различных металлов и сплавов отливок и слитков различного назначения с заданными характеристиками. В частности. Полезная модель рассматривает конструкцию кристаллизатора металлургической центрифугальной установки, используемой для получения различных отливок и слитков с заданной кристаллической структурой и с заданными характеристиками в нестационарном силовом поле центробежных сил,
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 известного технического решения 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 (полезная модель RU №79563, С22В 9/02, опубл. 10.01.2009 г.). Данное решение принято в качестве прототипа.
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 сдое 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.
Предлагаемая нами полезная модель центробежного кристаллизатора лишена названных недостатков и направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности кристаллизатора и эффективности его применения для получения однородных по структуре различных слитков и отливок из любых металлов и сплавов получаемых в неравномерных силовых полях центробежных сил.
Указанный технический результат достигается тем, что в кристаллизаторе, содержащем установленный с возможностью вращения цилиндрический стальной корпус с крышкой с центральным отверстием, с горизонтально ориентированным днищем и боковой стенкой, связанный с вертикальным валом, приводимым во вращение, при этом на внутренней поверхности боковой стенки, днища и крышки смонтирована футеровка, толщина футеровки на боковой стенке выполнена одинаковой толщины по высоте этой стенки, толщина футеровки на крышке и днище больше толщины футеровки на боковой стенке. Между стальным листом днища корпуса и горизонтально ориентированным плоским стальным листом, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал расположен промежуточный стальной лист с разнесенными теплорасееивающими пластинами (аэродинамическими лопатками), с односторонним или двухсторонним слоем футеровки, а внутренняя поверхность боковой стенки корпуса представляет собой усеченный конус с меньшим основанием на днище.
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.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция кристаллизатора, используемого 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 цилиндрообразный 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 (привод не показан).
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 корпуса 3 и горизонтально ориентированным плоским стальным листом В, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал 5, расположен промежуточный стальной лист 9 с разнесенными теплорассеивающими пластинами (типа аэродинамических лопаток 10), с односторонним или двухсторонним слоем футеровки 11. Таким образом, отводимое от днища тепло (нагрев) поступает (передается) наружному слою футеровки 11 на стальном листе 9 и через этот стальной лист выводится в периферийную его зону. Так как кристаллизатор вращается, то происходит конвективное охлаждение стального листа 9. Для усиления охлаждения за счет имеющихся выведенных на периферию разнесенных теплорассеивающих пластин типа аэродинамических лопаток происходит интенсивное охлаждение периферийной части листа 9 и, естественно усиленный теплоотвод из центральной части этого листа от слоя футеровки 11.
Получение различных слитков и отливок металлов и сплавов осуществляется в силовом поле центрифуги, что достигается тем, что во вращающийся с постоянной скоростью кристаллизатор заливается технологически перегретый расплав, распределяющийся по объему изложницы от центра до наружной стенки 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 или подогревом изложницы кристаллизатора создает условия, при которых процессы кристаллизации в силовом поле завершаются до достижения расплавом температуры ликвидус т.есть начала естественных процессов кристаллизации После охлаждения отливки в изложнице кристаллизатора до температуры завершения процессов естественной кристаллизации останавливают вращение центрифуги и охлаждают отливку. 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 корпуса 3 и горизонтально ориентированным плоским стальным листом 8, с которым связан приводимый во вращение вертикальный вал, расположен промежуточный стальной лист 9 с разнесенными теплорассеивающими пластинами (аэродинамическими лопатками 10), с односторонним иди двухсторонним слоем футеровки 11. При этом в зоне теплового контакта днища 3, через стальной лист 9, с листом 8 выполнены выступы на периферии листа 9 в том или ином виде (аэродинамические лопатки), создающие в процессе вращения условия для энергичного отбора тепла и его рассеивания. Таким образом, улучшаются процессы охлаждения корпуса кристаллизатора за счет дополнительного обдува его аэродинамическими лопатками 10. Такие лопатки так же могут быть выполнены и на листе 8. В связи с этим непосредственно к вертикальному валу передается только допустимое остаточное тепло.
Особенностью используемого процесса кристаллизации является то, что необходимо при заливе расплава в кристаллизатор исключить резкое охлаждение переливаемого раствора за счет контакта с атмосферой и разбрызгивания при ударе в футеровку. В связи с этим в данном кристаллизаторе центральная зона футеровки на днище выполнена утолщенной 12 по отношению к ее периферийной зоне для усиления поверхности футеровки в зоне встречи ее с расплавом, а расплав заливается через введенный в центральное отверстие в крышке напротив усиленной поверхности футеровки днища корпуса трубообразный питатель 13 с нагреваемой боковой стенкой 14 для поддержания в изложнице кристаллизатора заданного температурного режима. Такой трубообразный питатель 13 с подогревом используется в качестве питателя-тени, имеющего тен-элементы в стенке, обеспечивающие подогрев расплава при его заливке. При этом питатель 13 вводится в полость кристаллизатора, формируя небольшой проход между днищем и стенкой питателя, через который расплав плавно вводится в изложницу.
Опытный и испытанный авторами вариант лабораторного кристаллизатора был изготовлен из конструкционной стали толщиной 8 мм и имеет диаметр 300 мм на 60 мм Внутренняя поверхность выложена футеровкой (верхняя панель и нижняя изложницы толщиной 25 мм, внешняя стенка толщиной 20 мм) сформированной из смеси шамотной крошки, огнеупорной глины и графита в пропорции 7/3/2, что позволяет придать кристаллизатору нужные термодинамические характеристики. Выполнена серия плавок как алюминиевых сплавов с рабочими температурами до 1050°С, так различной стали и чугуна с температурами до 1600°С.
Настоящая полезная модель промышленно применима, реализована и показала высокую эксплуатационную надежность как самого кристаллизатора, так и его привода, в который 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. Дополнительно конструктив кристаллизатора может содержать различное метрологическое оборудование (датчики и системы передачи данных). Кристаллизатор может содержать съемные подкалиберные вставки-формы 15 для получения отливок заданной конфигурации. Может содержать нагреватель-питатель, 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. Полость изложницы в процессе заливки расплава и кристаллизации может заполняться инертным газом (аргон, азот, углекислый газ) или вакуумироваться.