УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРЫ СЛИТКА В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В РОТОРНОЙ ЛИТЕЙНОЙ МАШИНЕ

Устройство для улучшения структуры слитка в процессе кристаллизации в роторной литейной машине
ОПИСАНИЕ
Полезная модель относится к области металлургии, в частности к устройствам для улучшения структур слитков в процессе кристаллизации в роторных литейных машинах [B22D 11/115, B22D 11/10, B22D 11/06].
Роторные литейные машины входят в состав линий непрерывного литья и прокатки (CCR line: Continuous Casting&Rolling) предназначенных для производства катанки из сплавов цветных металлов. Отличительной особенностью таких производственных линий является сочетание в одном непрерывном технологическом процессе разливки расплава, его кристаллизации, прокатки слитка до готовой продукции, и ее смотки в бунты. На данных производственных линиях влиять на качество выпускаемой катанки можно путем настройки технологических параметров литья и прокатки непрерывно литых слитков. На прокатном стане выполняется подбор клетей и настройка температурных режимов охлаждения валков путем подачи эмульсии. На литейной машине настраиваются параметры кристаллизации расплава с целью получения на выходе из кристаллизатора слитка необходимой температуры с хорошим качеством поверхности и структуры [Королев, А. А. Работы ВНИИМЕТМАШ по металлургическому оборудованию / под ред. А. А. Королева и В. Г.  Дрозда // М. : Изд-во ВНИИМЕТМАШ, 1970. - С. 423.]. Механические свойства катанки напрямую зависят от ее кристаллической структуры, которая в свою очередь зависит от структуры исходного деформируемого слитка, полученного на роторной литейной машине [Хэтч, Дж. Е. Алюминий: свойства и физическое металловедение : справ. изд-е;  пер. с англ. / Дж. Е. Хэтч. - М. : Металлургия, 1989. - 422 с.]. Структуры слитков получаются крупнозернистыми и неоднородными, что не всегда позволяет получать катанку с требуемыми свойствами.
Известны следующие способы улучшения структуры слитков в роторных литейных машинах:  добавление в расплав модификаторов Al-Ti-B и Al-Ti-C [Detomi, A. M. The impact of TICAL and TIBAL grain refiners on casthouse processing / A. M. Detomi, A. J. Messias, S. Majer, P. S. Cooper // Light metals. - 2011.], ультразвуковое [Эскин, Г. И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия:  справ. изд-е; 2-е изд., перераб. и доп. / Г. И. Эскин. -  М. : Металлургия, 1988. - 232 с.] и электромагнитное воздействие на расплав в процессе кристаллизации. Недостатком модификаторов является их высокая стоимость и увеличение  электросопротивления готовой продукции, поэтому их, как правило, применяют при литье высоколегированных сплавов и не применяют при литье электротехнических сплавов. При ультразвуковом воздействии в расплав в области кристаллизации помещается излучатель ультразвуковых волн, что снижает надежность системы. Электромагнитное воздействие на расплав в процессе кристаллизации значительно меняет структуру слитков. Образующиеся в расплаве магнитогидродинамические течения интенсифицируют процесс кристаллизации за счет роста теплопередачи через фронт кристаллизации. Высокая турбулентность течений способствует выравниванию температур и химического состава во всем объеме жидкой фазы.
Повысить физико-механические свойства катанки производимой на линиях непрерывного литья и прокатки можно, если организовать эффективное перемешивание расплава во всем объеме жидкой сердцевины слитка в процессе кристаллизации, что возможно организовать путем бесконтактного электромагнитного воздействия. Данный способ применяются при литье стальных слитков в машинах непрерывного литья заготовок [US7735544, опубл. 16.03.2009.], в двухвалковых литейных машинах [EP0531851A1, опубл. 31.08.1992], кристаллизаторах скольжения [US2963758, опубл. 27.06.1958] и роторных литейных машинах [WO199304801 опубл. 28.08.1992.].
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство, показанное в патенте [EP 0289433 A1, опубл. 19.04.1988.], «Метод кристаллизации жидкого металла в литейное колесо», содержащее индуктор, расположенный с торцевой стороны литейного колеса, за прижимным роликом, в зоне кристаллизации, и охладитель кристаллизатора. Недостатком известного устройства является его низкая надежность из-за применения водяного охлаждения индуктора, и возможность промытия жидкой фазы слитка в процессе работы устройства, что приводит к браку выпускаемой продукции.
В основу настоящей полезной модели положена задача устранение недостатков, присущих известным решениям.
Техническим результатом является повышение физико-механических свойств катанки, производимой на линиях непрерывного литья и прокатки слитка, путём образования мелкозернистой структуры слитка в процессе кристаллизации в роторной литейной машине  за счет электромагнитного воздействия на жидкую фазу слитка.
Указанный технический результат достигается благодаря комплексу преимуществ:
- использование воздушного охлаждения индуктора, обеспечивающего интенсивное охлаждение устройства;
- обеспечивается более высокая надежность системы;
- исключение возможности жидкой фазы и перегрева индуктора от тепла кристаллизатора;
- позволяет создать более высокую напряженность магнитного поля в области кристаллизации;
- возможность осуществления оперативной замены индуктора, поврежденного или вышедшего из строя в ходе эксплуатации без остановки работы роторной литейной машины.
о
о
инд
ж
1
1
ж
1
1
инд
Указанные задача и технический результат решаются путем использования в роторной литейной машине со стальной лентой и внешним охладителем, индуктора, создающего бегущее электромагнитное поле, расположенного с торцевой стороны литейного колеса, за прижимным роликом, в зоне кристаллизации, согласно полезной модели,  индуктор состоит из одного изогнутого Ш-образного магнитопровода, катушек, намотанных через ярмо магнитопровода, клиньев с отверстиями для охлаждения, расположенных между катушками с внешней стороны индуктора и корпуса индуктора из немагнитного материала с внутренней перегородкой, входом и выходом для подачи воздуха, образующих s-образный канал, причём индуктор может иметь скосы пазов от 60 до 75 относительно оси вращения литейного колеса, при этом угол развертки индуктора α определяется по формуле (α- α)*K, где α - угол между прямыми построенными от оси вращения литейного колеса до места заливки металла и конца жидкой фазы слитка соответственно, α - угол между прямой построенной от оси вращения кристаллизатора до места заливки расплава и прямой построенной от оси вращения кристаллизатора и касающейся прижимного ролика, K=0.7ч1 - коэффициент длины индуктора, обеспечивающий эффективную работу устройства для модифицирования структуры, при этом внутренний радиус индуктора R принимается больше внешнего радиуса литейного колеса, и в пространстве между стальной лентой литейной машины и индуктором установлен дополнительный охладитель.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен продольный разрез роторной литейной машины с  установленным индуктором устройства для улучшения структуры слитка. На фиг. 2 показана конструкция индуктора устройства для улучшения структуры слитка. На фиг. 3а представлена макроструктура слитка полученного на лабораторной установке с электромагнитным воздействием в процессе кристаллизации. На фиг. 3б представлена макроструктура слитка полученного на лабораторной установке без электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации.
Осуществление полезной модели
о
о
инд
ж
1
1
ж
1
1
инд
Устройство для улучшения структуры слитка в роторной литейной машине содержит индуктор 1, расположенный с торцевой стороны кристаллизатора роторной литейной машины, состоящей из литейного колеса 2, прижимного ролика 3 стальной ленты 4, механизма натяжения 5, лотка подачи расплава 6, съемника слитка 7 и охладителя кристаллизатора 8. Согласно полезной модели в пространстве между стальной лентой 4 литейной машины и индуктором 1 установлен дополнительный охладитель  кристаллизатора 9. Индуктор 1, состоит из одного изогнутого Ш-образного магнитопровода 10, катушек 11, намотанных через ярмо магнитопровода 10, клиньев 12 с отверстиями для пропускания охлаждающего воздуха, расположенных между катушками 11 с внешней стороны индуктора 1, корпуса индуктора 13 из немагнитного материала, внутренней перегородкой 14 и входными и выходными отверстиями, соответственно 15 и 16 для подачи и выхода воздуха, образующих s-образный канал, причем индуктор 1, может  иметь скосы пазов магнитопровода 10 от 60 до 75 относительно оси вращения литейного колеса 2, при этом угол развертки индуктора 1 α определяется по формуле (α- α)*K, где α - угол между прямыми 17 и 18, построенными от оси вращения литейного колеса 2 до места заливки металла и конца жидкой фазы слитка соответственно, α - угол между прямой 17 построенной от оси вращения кристаллизатора до места заливки расплава и прямой 19 построенной от оси вращения кристаллизатора и касающейся прижимного ролика 3, K=0.7ч1 - коэффициент длины индуктора. При этом внутренний радиус индуктора 1 R принимается больше внешнего радиуса литейного колеса 2.
Устройство для улучшения структуры слитка в роторной литейной машине работает следующим образом: во вращающееся литейное колесо 2 через лоток подачи 6 непрерывно поступает расплав 20, синхронно с вращением литейного колеса 2 движется стальная лента 4 плотно прижатая к колесу 2 с помощью прижимного ролика 3 и механизма натяжения 5. Расплав, поступивший в литейное колесо 2, начинает кристаллизоваться путем отдачи своей теплоты кристаллизатору состоящему из литейное колесо 2, стальной ленты 4 и охладителя 8. В процессе поворота литейного колеса 2 происходит намораживание расплава по контуру внутренней поверхности кристаллизатора и образуется жидкая сердцевина 21. Далее происходит полная кристаллизация расплава и образуется непрерывно литой слиток 22, который выходит из кристаллизатора  с помощью съемника 7 и поступает на дальнейшую обработку. При включении, соединенных определенным образом катушек 11 обмотки индуктора 1 в сеть многофазного переменного напряжения по обмотке начинают протекать переменные токи, которые создают бегущее магнитное поле. По закону электромагнитной индукции бегущее магнитное поле наводит вихревые токи в жидкой фазе 21  непрерывно литого слитка 22, которые взаимодействуя с магнитным полем индуктора образуют силу Лоренца. Сила Лоренца воздействует на жидкий металл и приводит его в движение. Бегущее магнитное поле позволяет создавать в жидком металле две компоненты силы Лоренца: нормальную, отталкивающую металл от индуктора и тангенциальную, направленную вдоль движения магнитного поля. Тем самым достигается возможность создания циркуляции расплава в жидкой фазе 21 непрерывно литого слитка 22. Также для исключения размытия потоком расплава закристаллизовавшегося металла в жидкой фазе 21 в зоне под стальной лентой 4 на нее подается охлаждающая жидкость из дополнительного охладителя 9, позволяющая осуществлять дополнительный съем тепла со стальной ленты 4. Движущийся расплав омывает границу раздела фаз в момент кристаллизации и приводит к разрушению дендритных образований, что способствует появлению новых зон кристаллизации и как следствие обеспечивает в конченом итоге мелкозернистую и гомогенизированную структуру непрерывно литого слитка 22. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет улучшить структуру слитка.
Эффективность работы предлагаемой устройства подтверждена результатами лабораторных испытаний [Avdulov, А. Electromagnetic Modification of Aluminium Ingots in Rotary Casting Machine / A. Avdulov, I. Gudkov, Y. Avdulova // Applied Mechanics and Materials, Trans Tech Publications, Switzerland. - 2015. - Vol. 698. - P. 193-198.]. Проводилось сравнение структур слитков отлитых с и без электромагнитного воздействия. Сравнение макроструктур слитков показывает существенное измельчение кристаллической структуры слитка отлитого с электромагнитным воздействием (фиг. 3 а) по сравнению со слитком отлитым без электромагнитного воздействия (фиг. 3 б)
Таким образом, решена задача повышения физико-механических свойств катанки, производимой на линиях непрерывного литья и прокатки слитка, путём образования мелкозернистой структуры слитка в процессе кристаллизации в роторной литейной машине за счет электромагнитного воздействия на жидкую фазу слитка.
При этом заявленные преимущества достигаются:
- использование воздушного охлаждения индуктора, обеспечивающего интенсивное охлаждение устройства обеспечивается за счет применение специальной схемы пропускания воздуха через индуктор;
- отделение токоведущих частей устройства от контакта с водой обеспечивает более высокую надежность системы;
- наличие дополнительного охладителя кристаллизатора в пространстве между индуктором и стальной лентой позволяет исключить возможность жидкой фазы и перегрева индуктора от тепла кристаллизатора;
- использования индуктора с Ш-образным магнитопроводом и катушками, намотанных через ярмо, обладающего наибольшей линейной токовой нагрузкой по сравнению с другими конструкциями, позволяет создать более высокую напряженность магнитного поля в области кристаллизации;
- возможность осуществления оперативной замены индуктора, поврежденного или вышедшего из строя в ходе эксплуатации без остановки работы роторной литейной машины, реализуется за счет использования на литейной машине дополнительного независимого охладителя.