УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к литейному производству, в частности к устройствам для непрерывного литья с обработкой разливаемого расплавленного металла с помощью электрических и магнитных полей, конкретно к установкам с кондуктивным перемешиванием расплава в промежуточном ковше и кристаллизаторе, а также с регулированием расхода металла в разливочном стакане машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и может быть использована для управления разливкой, предотвращения зарастания разливочного стакана и повышения качества заготовки.
Известно устройство для непрерывной разливки металла, содержащее промежуточный ковш с расположенным в его днище разливочным стаканом, сообщающимся с кристаллизатором и снабженным двумя электродами, установленными напротив друг друга в стенке стакана и подключенными к первому источнику тока, и двумя постоянными электромагнитами, подключенными ко второму и третьему источникам тока и имеющими общий магнитопровод, охватывающий стакан, сердечники которых примыкают к стенке стакана и расположены напротив друг друга перпендикулярно к оси электродов (см. заявку Японии №49-30613, B 22 D 11/10, опубл. 14.08.1974).
Известное устройство для непрерывной разливки металла, впервые предложенное японской фирмой «Сумитома», реализует кондуктивное электромагнитное торможение и перемешивание разливаемого металла и не обеспечивает высокое качество непрерывнолитой заготовки, так как отсутствует система управления, поддерживающая обратную связь между напряженностью электромагнитного поля, возникающего при взаимодействии тока, проходящего через расплав в разливочном стакане, и магнитного поля, создаваемого постоянными электромагнитами, а также скоростью разливки металла. В известном устройстве при доводке стали в промежуточном ковше наблюдается
неравномерность концентраций раскислителей и легирующих элементов в металле за счет сегрегации на входе в разливочный стакан, что снижает качество непрерывнолитой заготовки по однородности химического состава. При кондуктивном перемешивании и регулировании расхода металла через разливочный стакан происходит его зарастание неметаллическими включениями (зависимыми от марки разливаемой стали, например продуктами раскисления, в частности оксидом алюминия), которые искажают проходное сечение разливочного стакана. Это изменяет оптимальную скорость истечения металла в кристаллизатор, нарушает условия формирования корочки слитка и ухудшает качество заготовки. При периодической замене или прочистке разливочного стакана (например кислородным копьем) происходит нарушение условий разливки и снижается качество заготовки.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является устройство для непрерывной разливки металла, также предложенное японской фирмой «Сумитома», содержащее промежуточный ковш с датчиком массы расплава и с разливочным стаканом, сообщающимся с кристаллизатором, имеющим датчик уровня расплава, два электрода, установленные напротив друг друга в стенке разливочного стакана и подключенные к силовому источнику постоянного тока с задатчиком величины силового тока, и два постоянных электромагнита, насаженные на сердечники, которые примыкают к стенке разливочного стакана, расположенные напротив друг друга перпендикулярно оси электродов и снабженные обмотками возбуждения, подключенными к индивидуальным управляющим источникам тока с задатчиками полярности и величины управляющих токов, а датчики массы расплава в промежуточном ковше и уровня расплава в кристаллизаторе подключены к задатчику величины силового тока и задатчикам полярности и величины управляющих токов (см. заявку Японии №49-36585, B 22 D 11/10, опубл. 01.10.1974).
Недостатком известного устройства для непрерывной разливки металла является сравнительно низкое качество непрерывнолитой заготовки по однородности химического состава при доводке расплава стали в промежуточном ковше, вследствие неравномерности концентраций раскислителей и легирующих элементов в металле, за счет сегрегации на входе в разливочный стакан. Повышение качества заготовок также лимитировано
тем, что при кондуктивном перемешивании и регулировании расхода металла через разливочный стакан, в зависимости от марки разливаемой стали, происходит его зарастание неметаллическими включениями (например продуктами раскисления, в частности - частицами оксида алюминия), которые создают дополнительное сопротивление и нарушают оптимальные условия формирования корочки слитка. При периодической замене или прочистке разливочного стакана происходит нарушение условий разливки и снижается качество заготовки. В известном устройстве турбулентные потоки расплава в кристаллизаторе вымывают избыток легкоплавких примесей (углерода, серы и др.) из двухфазной зоны заготовки, в результате чего снижается ее качество, за счет явления слоистой сегрегации (или отрицательной ликвации), с появлением чередующихся слоев с существенно различающимися содержаниями этих элементов. Кроме того, известное устройство не гарантирует высокого качества заготовки из-за отсутствия оптимального перемешивания расплава жидкой фазы слитка. При этом происходит рост столбчатых ориентированных кристаллов, появляется осевая рыхлость в жидкой лунке и повышается степень осевой ликвации, что снижает качество макроструктуры заготовки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство для непрерывной разливки металла, является повышение качества непрерывнолитых заготовок.
Технический эффект от использования предлагаемого устройства для непрерывной разливки металла достигается за счет стабилизации скорости разливки металла путем устранения зарастания разливочного стакана неметаллическими включениями, повышения химической однородности металла при оптимальном перемешивании и гомогенизации расплава, уменьшения образования и развития дефектов макроструктуры заготовок, связанных с кристаллизацией, усадочными и ликвационными процессами вследствие создания управляемого принудительного движения жидкой фазы кристаллизующегося слитка с помощью кондуктивных электромагнитных сил.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для непрерывной разливки металла, содержащем промежуточный ковш с датчиком массы расплава и с разливочным стаканом, сообщающимся с кристаллизатором, имеющим датчик уровня
расплава, два электрода, установленные напротив друг друга в стенке разливочного стакана и подключенные к силовому источнику постоянного тока с задатчиком величины силового тока, и два постоянных электромагнита, насаженные на сердечники, которые примыкают к стенке разливочного стакана, расположенные напротив друг друга перпендикулярно оси электродов и снабженные обмотками возбуждения, подключенными к индивидуальным управляющим источникам тока с задатчиками полярности и величины управляющих токов, а датчики массы расплава в промежуточном ковше и уровня расплава в кристаллизаторе подключены к задатчику величины силового тока и к задатчикам полярности и величины управляющих токов. Добавлены новые элементы и изменены связи между элементами. Устройство дополнительно снабжено четырьмя регуляторами тока с микропроцессорной системой управления и блоком задания переключения тока. В промежуточном ковше установлен подовый электрод. Причем положительный полюс силового источника постоянного тока подключен к первому электроду через первый регулятор тока, и к кристаллизатору - через второй регулятор тока, а его отрицательный полюс подключен ко второму электроду через третий регулятор тока и к подовому электроду в промежуточном ковше - через четвертый регулятор тока. При этом управляющие входы всех четырех регуляторов тока соединены с выходами из микропроцессорной системы управления, к входу которой подключен выход из блока задания переключения тока, а вход последнего соединен с датчиками массы расплава в промежуточном ковше и уровня расплава в кристаллизаторе.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез устройства для непрерывной разливки металла и схема его управления.
Устройство для непрерывной разливки металла содержит промежуточный ковш 1 с датчиком массы расплава 2 (например, в виде тензодатчика) и с разливочным стаканом 3, выполненным из огнеупорного неэлектропроводного материала (керамики), снабженным шиберным затвором 4 и сообщающимся с кристаллизатором 5, имеющим датчик уровня расплава 6 (например, оптический или электроконтактный). Разливочный стакан 3 снабжен установленными герметично в его стенке напротив друг друга первым 7 и вторым 8 электродами, выполненными из мягкой стали (из Армко
железа), металлокерамики или графитонаполненных огнеупоров. Первый электрод 7 подключен к положительному полюсу силового источника постоянного тока 9 через первый регулятор тока 10, а второй электрод 8, подключен к его отрицательному полюсу через второй регулятор тока 11. Дополнительно к положительному полюсу силового источника постоянного тока 9 через регулятор тока 12, подключен кристаллизатор 5, а к его отрицательному полюсу через четвертый регулятор тока 13, подсоединен подовый электрод 14 в промежуточном ковше 1. Силовой источник постоянного тока 9 снабжен задатчиком величины силового тока 15, вход 16 которого соединен с датчиком массы расплава 2 и с датчиком уровня расплава 6 в кристаллизаторе 5. Управляющие входы 17, 18, 19 и 20, соответственно, регуляторов тока 10, 11, 12 и 13 (например тиристорных или транзисторных) соединены с выходами 21 из микропроцессорной системы управления 22, к входу 23 которой подключен выход 24 из блока задания переключения тока 25, а вход 26 последнего соединен с датчиком массы расплава 2 в промежуточном ковше 1 и с датчиком уровня расплава 6 в кристаллизаторе 5. В плоскости расположения электродов 7 и 8, и под углом 90° к их оси, установлены напротив друг друга постоянные электромагниты 27 и 28, обмотки возбуждения 29 и 30 которых подключены к индивидуальным управляющим источникам тока, соответственно, 31 и 32, и насажены на сердечники 33 и 34, вплотную примыкающие к стенке разливочного стакана 3. Управляющие источники тока 31 и 32 снабжены задатчиками полярности и величины управляющих токов, соответственно, 35 и 36, входы которых 37 и 38, соединены с датчиками массы расплава 2 и уровня расплава 6. Дополнительно на чертеже условно обозначены: 39 - расплав металла в промежуточном ковше 1; 40 - расплав металла в разливочном стакане 3; 41 - расплав металла в кристаллизаторе 5; 42 - формирующийся слиток (заготовка) в кристаллизаторе 5.
Устройство для непрерывной разливки металла работает следующим образом: в промежуточный ковш 1 заливают расплав 39 из сталевозного ковша (на чертеже не показан) и его расход контролируется датчиком массы расплава 2. Через разливочный стакан 3 расплав 40 с помощью шиберного затвора 4, поступает в кристаллизатор 5, где его уровень контролируется датчиком уровня расплава 6 и из расплава 41 формируется корочка слитка 42. На электроды 7 и 8, установленные в стенке разливочного стакана 3 и охлаждаемые до температуры менее 400°С, например сжатым азотом или
воздухом (на чертеже не показано), подается напряжение (величиной 2÷30 В) от силового источника постоянного тока 9, через открытые первый 10 и второй 11 регуляторы тока. Оптимальное охлаждение электродов 7 и 8 газом и выполнение их из чистого железа, позволяет предотвратить образование на них гарниссажа из расплава 40, а также уменьшить их растворение и загрязнение расплава 41 (стали) нежелательными примесями. При прохождении тока между электродами 7 и 8 через расплав 40 (при силе тока 1-7 кА, в зависимости от производительности устройства), образуется электрическое поле постоянного тока, направленное перпендикулярно потоку металла. В случае открытия третьего 12 и четвертого 13 регуляторов тока (при условии закрытия регуляторов тока 10 и 11), ток последовательно проходит от подового электрода 14 через расплав 39 в промежуточном ковше 1, расплав 40 в разливочном стакане 3, расплав 41 и корочку слитка 42, замыкаясь на стенку кристаллизатора 5, с формированием электрического поля параллельного потоку металла. Регулирование амплитуды тока, проходящего через расплав 40 от силового источника постоянного тока 9, осуществляется с помощью задатчика величины силового тока 15, на вход 16 которого поступают управляющие сигналы от датчика массы расплава 2 в промежуточном ковше 1 и датчика уровня расплава 6 в кристаллизаторе 5. Переключение регуляторов тока 10, 11, 12 и 13 осуществляется при поступлении соответствующих исполнительных сигналов на их управляющие входы 17, 18, 19 и 20 от выходов 21 микропроцессорной системы управления 22, на вход 23 которой задается алгоритм переключения от выхода 24 блока задания переключения тока 25, формируемый согласно сигналам, поступающим на его вход 26, с датчика массы расплава 2 и датчика уровня расплава 6, т.е. с учетом обратной связи по скорости разливки, состояния внутренней поверхности разливочного стакана 3 и условий кристаллизации и вытягивания слитка 42. Комбинируя регуляторами тока 10, 11, 12 и 13 последовательность подключения электродов 7 и 8, подового электрода 14 и кристаллизатора 5 к силовому источнику постоянного тока 9, возможно получение следующих вариантов прохождения тока через расплав: между электродами 7 и 8; между электродом 7 и подовым электродом 14; между электродом 8 и кристаллизатором 5; между подовым электродом 14 и кристаллизатором 5; одновременно между электродами 7 и 8, а также подовым электродом 14 и кристаллизатором 5. При подаче напряжения на электромагниты 27 и 28 через обмотки
возбуждения 29 и 30 от управляющих источников тока, соответственно, 31 и 32, между полюсами электромагнитов 27 и 28 создается постоянное магнитное поле, замыкающееся через сердечники 33 и 34 и проходящее через поток разливаемого металла 40. При взаимодействии данного магнитного поля с направленным к нему перпендикулярно электрическим полем постоянного тока, образующимся при прохождении постоянного тока через расплав 40 от электродов 7 и 8, осуществляется электромагнитное торможение или ускорение и перемешивание расплава 40 с возможностью регулирования его скорости. При разноименной полярности электромагнитов 27 и 28 расплав 40, находящийся в плоскости расположения электродов 7 и 8, приходит во вращательное движение относительного оси разливочного стакана 3. При этом, на выходе из разливочного стакана 3 в расплаве 41 жидкой фазы формирующегося слитка 42 в кристаллизатора 5, образуется вихревая струя, обладающая малой глубиной проникновения и способствующая сепарации неметаллических включений на зеркало расплава 41, что повышает качество непрерывнолитых заготовок. При одноименной полярности электромагнитов 27 и 28 расплав 40, находящийся в плоскости расположения электродов 7 и 8, начинает вращаться в противоположные стороны, с формированием торроидальной структуры потока, обладающей высокой способностью сепарировать и коагулировать неметаллические включения, что уменьшает их отложение на стенках разливочного стакана 3 и ускоряет всплытие на зеркало расплава 41 в кристаллизаторе 5, что также повышает качество непрерывнолитых заготовок. Для управления напряженностью магнитного поля, создаваемого электромагнитами 27 и 28, на задатчики полярности и величины управляющих токов 35 и 36 через их соответствующие входы 37 и 38, подаются управляющие сигналы от датчика массы расплава 2 в промежуточном ковше 1 и датчика уровня расплава 6 в кристаллизаторе 5 и формируются исполнительные сигналы, поступающие на вход управляющих источников тока 31 и 32, с изменением величины и полярности тока на обмотках возбуждения 29 и 30. В целом, на задатчике величины силового тока 15, на блоке задания переключения тока 25 и на задатчиках полярности и величины управляющих токов 35 и 36 определяется абсолютная разница между сигналами, характеризующими массу расплава 39 в промежуточном ковше 1 (или скорости потока в разливочном стакане 3), а также определяющими уровнь расплава 41 в кристаллизаторе 5 (или скорости вытягивания
слитка 42) и стандартными значениями данных сигналов, с формированием соответствующих исполнительных сигналов. В зависимости от этой разности, заявляемое устройство позволяет: регулировать (увеличивать или уменьшать) ток через электроды 7 и 8; изменять полярность подключения обмоток возбуждения 29 и 30 и величины токов, проходящих через них; изменять последовательность и частоту подключения электродов 7 и 8, подового электрода 14 и кристаллизатора 5 к силовому источнику постоянного тока 9. По мере накопления слоя неметаллических включений (на чертеже не показаны) на стенке разливочного стакана 3 происходит уменьшение расхода металла из промежуточного ковша 1 в кристаллизатор 5 и управляющие сигналы рассогласования поступают с датчика массы расплава 2 и датчика уровня расплава 6 на вход 26 блока задания переключения тока 25. Под действием исполнительных сигналов, поступающих с выходов 21 микропроцессорной системы управления 22, на управляющие входы 17, 18, 19 и 20 регуляторов тока 10, 11, 12 и 13, и формируемых блоком задания переключения тока 25, происходит периодическое переключение тока с электродов 7 и 8 на подовый электрод 14 и на кристаллизатор 5. При этом в расплаве 39 на выходе из промежуточного ковша 1, в расплаве 40, протекающем в разливочном стакане 3, а также в расплаве 41 в кристаллизаторе 5 возбуждаются поля электромагнитных сил при изменении величины тока, с интенсивным перемешиванием (с ускорением или замедлением движения расплава) и нагревом металла. Такое переключение позволяет непрерывно удалять отложения неметаллических включений на стенке разливочного стакана 3, уменьшать простои МНЛЗ, увеличивать стабильность и производительность разливки, и, таким образом, повышать качество заготовки. Периодическое переключение регуляторами 10, 11 и 13 тока от электродов 7 и 8 на подовый электрод 14, позволяет перемешивать вводимые в промежуточный ковш 1 легирующие элементы (на чертеже не показано) с расплавом 39 и гомогенизировать расплав 40, поступающий по разливочному стакану 3 в кристаллизатор 5, что повышает качество заготовки 42 по однородности распределения легирующих элементов. Переключение тока от силового источника постоянного тока 9 регуляторами 10-13 с электродов 7 и 8, попеременно на подовый электрод 14 или кристаллизатор 5, позволяет нагревать и перемешивать расплав 40, что предотвращает зарастание стакана 3 неметаллическими включениями и позволяет реализовать стабильные условия по формированию
слитка 42 высокого качества. Периодическое переключение тока с электродов 7 и 8 на кристаллизатор 5 позволяет повысить качество заготовки 42 за счет колебательного или реверсивного перемешивания расплава 41 и уменьшения явления слоистой сегрегации (или отрицательный ликвации), особенно для высокоуглеродистой стали. При этом, также реализуется направленное всплытие неметаллических примесей на зеркало расплава 41 в кристаллизаторе 5 и повышение качества заготовки 42, за счет улучшения ее структуры и роста степени чистоты металла по оксидным включениям. Перемешивание расплава 41 в кристаллизаторе 5 с помощью импульсного переключения тока с электродов 7 и 8 на кристаллизатор 5 способствует повышению качества заготовки 42 за счет разрушения начальных участков дендритов, возрастания числа кристаллизационных зародышей и измельчение структуры. Таким образом, заявляемое устройство для непрерывной разливки металла повышает качество непрерывнолитых заготовок при одновременном расширении сортамента разливаемых сталей и увеличении производительности машин непрерывного литья заготовок.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое устройство для непрерывной разливки металла работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемое устройство для непрерывной разливки металла может быть применено в литейном производстве с целью повышения качества непрерывнолитых заготовок, а следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».