УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ, ПРОКАТКИ И ПРЕССОВАНИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель относится к области металлургии, конкретнее к обработке металлов совмещенными методами непрерывного литья, прокатки и прессования, и может быть использована для получения пресс-изделий из цветных металлов и сплавов.
Известно устройство, позволяющее получать изделия совмещенным методом непрерывного литья и прокатки (Канцельсон М.П. "Литейно-прокатные агрегаты для производства катанки из цветных металлов", М., ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990), которое характеризуются высокой производительностью, и позволяет получать алюминиевую и медную катанку заданных размеров. Однако оно имеет ряд недостатков. Технологически ограничен состав и количество обрабатываемых сплавов, а для получения высоких механических свойств необходимы большие степени деформации, что возможно при реализации большого количества проходов на непрерывных литейно-прокатных агрегатах, включающих не менее 15-20 клетей. Расходы на изготовление инструмента (валков), его переналадка и профилировка на каждый типоразмер профиля требуют достаточно больших затрат, что экономически целесообразно лишь при больших объемах производства продукции.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является установка для непрерывного литья и прессования металла (Патент РФ 2100136, МПК B22D 11/06, В21С 23/00, 1997), включающая печь-миксер, моталку, кристаллизатор роторного типа, валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными полостями для ее охлаждения.
Данная установка обеспечивает непрерывность процесса, снижение энергозатрат, стабильные механические свойства пресс-изделий за счет значительных степеней деформации при прессовании, варьирование размеров пресс-изделий.
Однако применение такой установки требует наличия такой сложной машины, как кристаллизатор, при этом скорость кристаллизации металла намного ниже скорости обработки литой заготовки в деформирующем узле прокатки-прессования. Кроме того, качество пресс-изделий определяется структурой и свойствами литой заготовки, получаемой традиционными методами с помощью роторного кристаллизатора. При этом из-за низкой пластичности литой заготовки возможно появление дефектов, что снижает качество готовых пресс-изделий. Кроме того, требуется дополнительный подогрев литой заготовки перед деформацией.
Основной задачей изобретения является расширение технологических возможностей устройства за счет увеличение выхода годного, сокращение металлургических циклов обработки, снижение трудо- и энергоемкости процесса, а также повышение качества пресс-изделий за счет улучшения механических свойств.
Для решения поставленной задачи устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов, включающее печь-миксер, моталку, два водоохлаждаемых валка, один из которых выполнен с ручьем, а второй с выступом, расположенные в станине и образующие закрытый калибр, на выходе из которого установлена матрица с калибрующим отверстием, снабженная клиновидными полостями для охлаждения, согласно изобретению выполнено таким образом, что валки расположены в станине в вертикальной плоскости, печь-миксер выполнена с возможностью наклона с регулятором подачи расплава в калибр валков, а матрица снабжена клиновым механизмом поджима ее к валкам с направляющими роликами для удаления пресс-изделия. Соотношение высоты калибра в сечении, перекрытом матрицей, к диаметру калибрующего отверстия матрицы составляет 2,3...4,0. Соотношение длины зоны контакта валка с металлом к диаметру валка составляет не менее 0,35.
Конструктивные особенности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяют расширить технологические возможности и получать пресс-изделия из цветных металлов и сплавов с высоким уровнем механических свойств.
По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки: валки расположены в станине в вертикальной плоскости; печь-миксер выполнена с возможностью наклона с регулятором подачи расплава в калибр валков; матрица снабжена клиновым механизмом поджима ее к валкам с направляющими роликами для удаления пресс-изделия; соотношение высоты калибра в сечении, перекрытом матрицей, к диаметру калибрующего отверстия матрицы составляет 2,3...4,0; соотношение длины зоны контакта валка с металлом к диаметру валка составляет не менее 0,35.
Расположение валков в вертикальной плоскости позволяет упростить схему обработки металла, так как расплав в данном случае заполняет калибр под собственным весом. При этом роль кристаллизатора выполняют валки, на поверхности которых в момент поступления жидкого металла в очаг деформации происходит кристаллизация металла, формирование литой заготовки, ее обжатие в зазоре между валками, распрессовка перед матрицей и формирование пресс-изделия путем выдавливания в калибрующее отверстие матрицы с помощью активных сил трения. Форма и размеры калибрующего отверстия матрицы обеспечивают форму пресс-изделия и его заданные размеры.
Выполнение печи-миксера наклоняемой с регулятором подачи расплава в калибр валков позволяет дозировать количество металла в очаге кристаллизации-деформации и создавать условия для управления процессом обработки.
Клиновой механизм необходим для поджима матрицы к валкам с целью обеспечения гарантированного перекрытия калибра и создания замкнутого объема обрабатываемого металла, а также для удаления пресс-изделия из зоны очага деформации, для чего выходящий конец прутка направляется неприводными роликами на моталку.
Для обоснования выбора параметров, характеризующих процесс непрерывного литья, прокатки и прессования, использовались результаты математического моделирования и экспериментальных исследований (см. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. - М.: МАКС Пресс, 2005). По их данным для
стабильного протекания процесса кристаллизации-деформации металла были рекомендованы такие важные параметры, как диаметр валков, размеры калибра и матрицы, длина зоны кристаллизации-деформации и их соотношения.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований показал, что оптимальный диаметр валков должен быть выбран из диапазона D=200÷400 мм. При D>200 мм значительно сужаются технологические возможности установки в связи с уменьшением зоны действия активных сил трения и величины размеров матрицы. При D>400 мм конструкция установки становиться громоздкой, при этом значительно увеличиваются энергосиловые затраты на деформацию металла. Поэтому увеличение диаметра валков (D>400) имеет смысл только для особых случаев, когда диаметр описанной окружности требуемых пресс-изделий превышает 60 мм.
м
Размеры калибра и матрицы определяются двумя следующими критериями: условием реализуемости процесса с минимальными энергозатратами; качеством получаемых пресс-изделий. По первому критерию можно рекомендовать для практического использования габаритные размеры калибра и матрицы от 15 до 60 мм. Учитывая второй критерий, для обеспечения проработки литой структуры коэффициент вытяжки при прессовании должен быть не менее 7-20. Это условие можно записать в виде критического соотношения высоты калибра в сечении, перекрытом матрицей h, к диаметру калибрующего отверстия матрицы d. При этом коэффициент вытяжки можно рассчитать по формуле
,
м
изд
где F - площадь поперечного сечения матрицы, F - площадь поперечного сечения пресс-изделия.
Тогда, для условий прессования прутка через калибрующее отверстие матрицы с зеркалом квадратного сечения, можно записать
.
Отсюда критическое соотношение можно записать в виде .
к
Максимальное удаление матрицы от общей оси валков определяет зону распрессовки металла. Соотношение длины зоны контакта валка с металлом L, к диаметру валка D должно составлять не менее 0,35, так как в противном случае активных сил трения не хватит для продавливания металла через калибрующее отверстие матрицы (см. Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Загиров Н.Н. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. - М.: МАКС Пресс, 2005).
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение устройства для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов, имеющего указанную выше совокупность отличительных признаков, позволяет конструктивно изменить схему обработки металла, что приводит к расширению технологических возможностей устройства и повышению качества изделий за счет улучшения их механических свойств.
Сущность технического решения поясняется графическими материалами при этом на фиг.1 показан общий вид устройства в разрезе для реализации процесса получения пресс-изделий.
Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования металла включает печь-миксер 1 с регулятором 2 подачи расплава в калибр валков, валок 3 с ручьем и валок 4 с выступом, расположенные в станине 5, имеющие полости 6 для охлаждения и образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей 7 с клиновидными полостями для охлаждения 8. Для поджима матрицы к валкам имеется клиновой механизм 9, снабженный направляющими роликами 10. За ними расположена моталка 11, которая обеспечивает смотку готового пресс-изделия в бухту.
Устройство работает следующим образом. Металл, расплавленный с помощью печи-миксера 1, захватывается валками 3 и 4. В процессе работы регулятор 2 дозирует количество металла, подаваемого в калибр валков, уменьшая или увеличивая поток расплава. При этом на поверхностях водоохлаждаемых валков 3,4 начинается кристаллизация металла. Далее закристаллизовавшийся в виде заготовки металл обжимается в закрытом калибре, распрессовывается перед матрицей 7 и
выдавливается в калибрующее отверстие матрицы с образованием пресс-изделия заданной формы и размеров. Выходной конец движущегося пресс-изделия попадает в направляющие ролики 10, которые изменяют его направление движения на 90 градусов и передают на моталку 11, где производится смотка в бухту.
в
В качестве примера практического использования устройства приведем результаты экспериментальных исследований. С помощью лабораторной установки на базе прокатного стана ДУО 200 (диаметр валков составлял 200 мм) моделировали процесс получения прутков диаметром от 5 до 9 мм из алюминия марки А7. Температура расплава составляла 720°С, а температура прессования - около 520°С. Прессование проводили с помощью плоских матриц с вытяжкой μ от 5,2 до 16,8. Из отпрессованных прутков вырезали образцы для испытаний на растяжение и оценивали по результатам испытаний их временное сопротивления разрыву σ и относительное удлинение δ. Результаты механических испытаний приведены в табл. Микроструктура прутков приведена на фиг.2 и характеризуется отсутствием расслоений и микротрещин, что свидетельствует о высоком качестве готовых пресс-изделий.
Таблица - Механические характеристики опытных пресс-изделий
Механические характеристики
Вытяжка, μ
5,2
8,6
16,8
Временное сопротивление разрыву σ<sub>в</sub>, МПа
80,7
82,8
83,2
Относительное удлинение δ, %
28,6
28,2
28,3