СТЕНКА КРИСТАЛЛИЗАТОРА МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Полезная модель относится к области металлургии и может быть использовано в оборудовании кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Материал стенки кристаллизатора МНЛЗ должен обладать достаточно высокой теплопроводностью, износостойкостью, низкой химической активностью при взаимодействии с заготовкой и сохранять стабильность механических свойств при повышенных температурах. Кроме того, при выборе материала должна учитываться экономическая целесообразность его применения.
Известна стенка из медного сплава 0,1% Аg - остальное Сu в нагартованном состоянии [Нисковских В.М., Карпинский С.Е., Беренов А.Д., Машины непрерывного литья слябовых заготовок, М., Металлургия, 1991, с.272]. Этот материал нашел наиболее широкое применение. У него довольно высокие прочность и температура разупрочнения сочетаются с малым снижением теплопроводности относительно чистой меди. Однако, хотя износостойкость стенки из этого материала выше, чем из чистой меди (на 10...15%), этого недостаточно для обеспечения необходимого уровня работоспособности.
5
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению известна стенка из медного сплава, отличающаяся достаточно высокой теплопроводностью, на рабочую поверхности которой нанесено покрытие из других материалов, более износоустойчивых, термостойких и не оказывающих вредных воздействий на поверхность стальной заготовки [А.с. СССР, 1646130, МКИ B22D 11/04, Кристаллизатор для непрерывного литья слябовых заготовок, опубл., 1991, бюл. №16] (устройство принято за прототип).
Имеющиеся виды покрытий: гальванические, газотермические, термодиффузионные и другие - обеспечивают необходимые рабочие характеристики поверхности стенки, что может качественно повысить срок службы стенки в сравнении со стенкой из цельномедного сплава. Однако, остается проблема обеспечения прочности сцепления покрытия с основой при одновременном выполнении других требований к покрытиям. Тепловые расчеты показали, что, вследствие перепада температур между расплавленным металлом и охлаждаемой стенкой, уровень
остаточных напряжений в покрытии, как правило, толщиной 2...5 мм составляет 80...100 МПа, что сопоставимо с пределом прочности нагартованных медных сплавов, используемых в качестве основы стенки. Для обеспечения надежности стенки с напыленным покрытием адгезионная прочность должна превышать этот уровень. Обеспечение такой высокой адгезионной прочности требует наличия развитого диффузионного и/или химического взаимодействия на границе «покрытие-основа».
Гальваническое покрытие имеет прочность сцепления с основой указанного уровня вследствие их электрохимического взаимодействия. Оно обеспечивает повышение срока службы стенки в 5...7 раз. Однако, из-за низкой производительности гальванического процесса такая стенка отличается высокой стоимостью получения покрытия, которая составляет 100...120% от стоимости самой стенки.
Другие виды покрытий отличаются пониженными в 7...10 раз, в сравнении с гальваническими, затратами на их получение. Они обеспечивают высокую прочность сцепления с основой при совместном их нагреве выше температуры рекристаллизации основы из медного сплава, которая составляет 250...600°С [Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок, М., Металлургия, 1991, с.272]. Так, после нагрева образцов из медных сплавов с покрытием Cu-Ni до 800°С, прочность сцепления термодиффузионного покрытия составила 160...180 МПа [Голованенко С.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов, М., Металлургия, 1966, с.304], а газопламенного, выполненного методом сверхзвукового газовоздушного напыления, который наряду с детонационным и плазменным методами обеспечивает наивысшие характеристики покрытий, - 140...160 МПа (опытные данные авторов).
Однако, нагрев стенки выше порога рекристаллизации неприемлем, потому что разупрочнение основы приводит к снижению предела текучести, что вызывает при циклическом тепловом воздействии появление зазоров в стыках между стенками. Поэтому нагрев выше температуры рекристаллизации медного сплава не позволяет реализовать некоторые виды покрытий, например, термодиффузионные. Другие вышеуказанные виды покрытий не обладают в этих условиях необходимой прочностью сцепления с основой. Для указанного ранее газопламенного покрытия, выполненного методом сверхзвукового газовоздушного напыления,
отсутствует диффузионное взаимодействие на границе «покрытие-основа», что вызывает снижение прочности сцепления до 40...50 МПа (опытные данные авторов).
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение развитого диффузионного взаимодействия на границе «покрытие-основа» при сохранении предела ползучести материала стенки, соответствующего ее нагартованному состоянию.
-3
Для решения указанной задачи в известном устройстве стенки кристаллизатора МНЛЗ, содержащей основу из медного сплава в нагартованном состоянии и покрытие на рабочей поверхности, согласно полезной модели, основа содержит слой медного сплава толщиной не более 600×10 мм, прилегающий к покрытию, который находится в состоянии после рекристаллизации.
Проведенный поиск в источниках научно-технической и патентной информации не выявил технических решений, совпадающих с заявляемой совокупностью отличительных признаков. Это, в сочетании с получением ожидаемого технического результата, позволяет сделать вывод о соответствии предполагаемого изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
-3
Пример конкретного выполнения предложенной стенки кристаллизатора иллюстрируется чертежом, где на фигуре схематично показано предлагаемое устройство в разрезе. Стенка включает основу из медного сплава. Основа состоит из слоя 1 толщиной не превышающей 600×10мм, который находится в состоянии после рекристаллизации и остальной части основы 2 толщиной 20...60 мм, которая находится в нагартованном состоянии. К слою 1 прилегает покрытие 3 из других материалов, например, сплава на основе никеля, более износоустойчивых, термостойких и не оказывающих вредных воздействий на поверхность стальной заготовки.
Толщина слоя 1 выбрана из следующих соображений. Этот слой отличается пониженными прочностными свойствами относительно части основы 2 и представляет собой мягкую прослойку. Его предел прочности примерно в три раза ниже, чем у основного металла, находящегося в нагартованном состоянии [Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д., Машины непрерывного литья слябовых заготовок, М., Металлургия, 1991, с.272]. Поэтому работоспособность системы "основа-покрытие" определяется пределом выносливости слоя мягкой прослойки, который, как известно, зависит от соотношения
χ=h/d,
Где: h - толщина прослойки; d - толщина основного металла.
Предел выносливости мягкой прослойки повышается до уровня (95...98) % предела выносливости основного металла при уменьшении значения χ ниже 0,02 [Клыков H.А., Расчет характеристик сопротивления усталости сварных соединений, М., Машиностроение, 1984, с.158], что для стенок толщиной 20...60 мм соответствует толщине слоя 0,4...1,2 мм.
-3
Анализ испытаний показал, что величина зоны диффузионного взаимодействия, которая обеспечивает адгезионную прочность сцепления на уровне предела прочности рекристаллизованного слоя, примерно в два раза меньше указанной толщины. Поэтому верхняя граница заявленного интервала толщины слоя соответственно снижена относительно указанного значения до 600×10мм. Это позволяет уменьшить энергетические затраты на рекристаллизацию поверхностного слоя металла основы. Поскольку размеры слоя 1 на два-три порядка меньше, чем размеры остальной части основы 2, его разупрочнение не оказывает заметного влияния на величину предела ползучести основы в целом. Поэтому раскрытия стыка между стенками кристаллизатора при термоциклическом воздействии процесса литья не происходит.
Применение предлагаемой конструкции устройства позволяет обеспечить высокую надежность стенки кристаллизатора МНЛЗ при снижении затрат на ее изготовление.