Способ разливки металла

(19) (11) 4 В 22 Р 1/1 ИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ особ по п, 1,с я тем, чтоструи поддержи133-1330 Па.особ по п. 1,с я тем, чтосреды осуществ отличаазрежение ают в инющии газовой рвале3. Спщ и й еля на т участках по нием и энер высотеией ультраличао тлиазрежен уи охла вуковых кол щийс я ышения каче лижения кри бъемной, длцелью поутем приеталла каемых уча л италлиз ина обрабатыв расплава сост 10-152 длины авляет 60 полости стков стр 45, 30 - 40 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт физики твердоготела АН СССР(56) Авторское свидетельство СССРР 1085470, кл. В 22 Р 11/10, 1982(54)(57) 1, СПОСОБ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА, включающий подачу расплава в полость стакана-излучателя ультразвукового теплообменника, установленного между раздаточной и приемнойемкостями, и воздействие на струюрасплава в полости стакана-излучастакана-излучателя, причем длину участков уменьшают сверху вниз, подачу охладителя уменьшают с. 15 м /чЭ9 на верхнем участке до 4,5 м /ч на нижнем, а интенсивность ультразвуковых колебаний увеличивают с 0,5 Вт/см на верхнем участке до25,0 Вт/см на нижнем, при этом количество охладигеля и интенсивность ультразвуковых колебаний на среднем участке имеет промежуточное зна чение, а на струю расплава на участке между ультразвуковым теплообменником и зеркалом металла и на открытый металл в приемной емкости воздействуют разрежением газовой среды,4. Способ по пп. 1 и 3, о а ю щ и й с я тем, что цик сть разрежения газовой сред танавливают 0,6-1,0 Гц.Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывнойразливке металла.Целью изобретения является повышение качества слитка путем приближения кристаллизации металла кобъемной.Сущность изобретения заключается в,том, что дифференцированнаяобработка расплава на трех разновеликих участках с учетом физического состояния расплава и количеств жидкой, жидкотвердой и твердо.жидкой фаз по высоте стакана-излучателя при циклическом разрежениигазовой среды, окружающей металлв приемной емкости и над ней, обеспечивают приближение кристаллизацииразливаемого металла к объемной,Пример конкретного осуществления предлагаемого способа разливки металла,На фиг. 1 изображено устройстводля осуществления предлагаемого способа, продольный разрез, на фиг. 2 -средство, обеспечивающее разрежение газовой среды вокруг струи инад зеркалом металла узел 1 нафиг, 1 .Устройство для разливки металла,устанавливаемое между раздаточнойи приемной емкостями, в случае непрерыцной разливки металла - междураздаточным ковшом 1 и кристаллизатором 2, представляет собой ультразвуковой теплообменник, оснащенныйсредством, обеспечивающим разрежение газовой среды.Ультразвуковой теплообменник,(фиг. 11 состоит из полого стаканаизлучателя с кольцевыми выточками 3и 4, разделенного на три разновеликие между собой секции: верхнюю 5,среднюю 6 и нижнюю 7, имеющие одинаковое поперечное сечение, высотакоторых составляет соответственно60-45, 30-40 и 1 Оот высоты полости стакана-излучателя, герметичного корпуса, образованного крышками8-11 и полыми цилиндрами 12, 13 и14, каждый из которых соединен содной из трех автономных систем подачи охладителя не показаны),трехэлектромеханических преобразователей 15, 16 и 17 кольцевого типа,имеющих разные толщины и, следова тельно, разные интенсивности излучения, приемной воронки 18, посредством кожуха 19 закрепленной на верхней крышке 8, и огнеупорной вставки 20, закрепленной на нижней крьпп- .ке 11 с помощью кольца 21.5 Средство (фиг. 2), обеспечивающее разрежение газовой среды в пределах 133-1330 Па (1-10 мм рт.ст,)состоит из сильфона 22, опорногоцилиндра 23, снабженного по меньшеймере одним клапаном представляю- .Ущим собой резиновую шторку 24,закрепленную на внешней поверхности опорного цилиндра над отверстием 25 с помощью радиусной план 5ки 26, двух полых коаксиально установленных в полости сильфона цилиндров 27 и 28 и кольцевой плиты 29.Сильфон жестко соединен с крышкой1 и опорным цилиндром 23, который20 в свою очередь жестко соединен сплитой 29. Ципиндры 27 и 28 жесткосоединены соответственно с крышкой1 и плитой 29,Предлагаемый способ разливки ме 25талла осуществляется следующим образом.Перед разливкой металла производят сборку ультразвукового теплооб- .менника и средства, обеспечивающе"ЗО го разрежение газовой среды, послечего плиту 29 вводят в посадочноеотверстие кристаллизатора 2 меха-низмом качания 30, отведенного вкрайнее нижнее положение, а крышкуЗ 5 11 устанавливают на опоре 31. Затем жестко соединяют между собойплиту 29 и кристаллизатор 2. Послеэтого в кристаллизатор 2 и полыецилиндры 2, 3 и 14 от автономных40 систем подают охладитель, напримертехническую воду, При этом расходводы в полых цилиндрах 12, 13 и 14устанавливают таким образом, чтобыон находился в пределах, соответ 45 ственно равных 12-15, 8-О и 4,56,8 м/ч, например в 12,9 и б м /чПосле запитки голых корпусов водойна обмотки возбуждения не показаны) преобразователей 15, 16 и 175 О подают переменное напряжение резонансной частоты. Под воздействием,магнитного поля, создаваемого обмотками возбуждения, преобразователи возбуждаются и начинают совер 55 шать радиальные колебания, которыепередаются стакану-излучателю, т.е.его секциям 5, 6 и 7, При этоминтенсивность излучения в секцияхстакана-излучателя вследствие раз"личной толщины преобразователей истенок самих секций различна,такв верхней секции 5 она составляет,например, 0,8 Вт/см, в среднейсекции 6-2 Вт/см , а в нижней сек 2ции 7-4,5 Вт/см , т.е. находитсяв пределах, соответственно для каждой из секций равных 0,5-1,0,1,5-2,5 и 3,5"5,0 Вт/смПосле этого в кристаллиэатореустанавливают затравку 1,не показана), а над ультразвуковым теплообменником - разливочный ковш 1 и,открывая его стопорный затвор 32,начинают разливку металла 33.Из раздаточного ковша 1 жидкийметалл 33, например шарикоподшипниковая сталь (ШХ), с расходом в 50 т/ч и при 1515 Спопадает в приемную воронку 8, впроточный канал стакана-излучателя и далее в кристаллизатор 2,имеющий сечение, например, равное250360 мм, в котором жидкий металлсхватывается с затравкой. После установления в приемной воронке 18 необходимого уровня жидкого металлавключают механизмы 30 и 34 качаниякристаллизатора и извлечения слиткане показан) из кристаллизатора.При этом цикличность качания кристаллизатора устанавливают в пределах 0,6-1 Гц, например, равную0,8 Гц, а скорость извлечения слитка - равную 0,5 мэ/мин,В пределах последующей разливкиметалла 33 при его поступлении в полость стакана-излучателя, а именнов полость секции 5, он охлаждается,вследствие чего на стенке этой полости образуется корочка твердогометалла, толщина которой в даннойсекции не превышает 1,0-1,2 мм.Под воздействием же ультразвуковыхколебаний, совершаемых стенкамисекции 5, корочка металла разрушается, а жидкий металл интенсивноперемешивается. При этом фракцииметалла разрушенной корочки, попадаяв общий поток, расплавляются вследствие высокого перегрева металла,т.е. в этой секции весь металл находится в жидком состоянии. В даннойсекции средний отвод тепла составгляет 500000 ккал/ч,При поступлении металла в секцию 6 на ее стенке также образуетсякорочка металла, толщина которой 1201047 4не превышает 1,6-,8 мм. Под воздействием ультразвуковых колебаний,совершаемых стенками секции, корочка металла разрушается и ее фракции, количество которых на выходе иэсекции составляет 0,53,07 от объема секции, равномерно распределяются в объеме жидкого металла. В секции 6 средний отвод тепла составляет 170000,ккал/ч.При поступлении металла в секцию 7 процесс образования корочки,ее разрушения и перемешивания твердых фракций металла с жидкой повторяется. Но при этом толщина корочкиможет достигать 2,0-2,6 мм, а количество ее фракций в совокупности ствердыми фракциями, образовавшимисяжидком металле, может составлятьо 3,0-10 Е. Иэ секции 7 металл выходитв твердожидком состоянии и имееттемпературу 1440 С, т.е. на 75 Со ониже его температуры на входе вультразвуковой теплообменник. Средний отвод тепла в секции 7 составляет 90000 ккал/ч.После выхода струи металла изсекции 7 она на всем своем участкемежду ультразвуковым теплообменником и кристаллизатором, равно каки зеркало металла в кристаллизаторе, с цикличностью 0,8 Гц подвергается воздействию разрежения газовойсреды, их окружающей, до 665 Па.Разрежение газовой среды, создава 35емое в интервале 133-1330 Па с цикличностью в пределах 0,6- Гц, обеспечивается существующим средствомфиг. 2), расположенным между улье 40тразвуковым теплообменником и кристаллиэатором, приводом которогоявляется механизм качания кристаллиэатора. Регулирование частоты качания кристаллизатора 1,30-80 кача 45ний в минуту) и величины его рабочего хода более 20 мм) обеспечиваютуказанные интервал разрежения и предел цикличности,В начале рабочего хода кристаллизатора 2 из верхнего (фиг. 1 и 2)50положения в нижнее объем полости,ограниченной крышкой 1, огнеупорной вставкой 20, кольцом 21, сильфоном 22, опорным цилиндром 23,плитой 29 и зеркалом металла в кристаллизаторе, начинает увеличиваться55и резиновая шторка 24 перекрываетотверстие 25 в опорном цилиндре.Вследствие этого укаэанная полость2010 1 О 15 20 25 30 40 45 50 5герметизируется, а при дальнейшемдвижении кристаллизатора газоваясреда в ней разрежается, благоприятно воздействуя на выход струиметалла из секции 7 и на извлечениеиз разливаемого металла газообразных продуктов.При обратном ходе кристаллизатора, т.е. при его движении из нижнего положения в верхнее, объем полости уменьшаетая и давление в нейприближается к атмосферному, т.е,к давлению атмосферы, окружающейультразвуковой теплообменник и кристаллизатор. Когда же кристаллизаторзанимает свое крайнее верхнее положение, давление в полости за счетотсоса газов из расплава несколькопревышает атмосферное, в результатечего резиновая шторка 24 открывает отверстие 25 в опорном цилиндре23. В это время практически все га.зы, скопившиеся в полости, черезпространство между цилиндрами 27 и28, предохраняющими сильфон 22 отбрызг металла, и через отверстие 25выталкиваются из нее. При дальней -ших качаниях кристаллизатора данныйпроцесс неоднократно повторяется,причем изменение давления в пределах 33-1330 Па не приводит кизменению положения мениска, таккак скорость истечения струи расплава из ультразвукового теплообменника за счет этого не превышает величины изменения ее скорости, возникающего за счет динамического удараструи расплава из раздаточной емкости в расплав, находящийся в полости стакана-излучателя. После окончания разливки металла, т,е, послеего полного истечения из раздаточного ковша 1, и прохождения секций5, 6 и 7 прекращают подачу переменного напряжения на преобразователи15, 16 и 17 и подачу технической воды в кристаллизатор 2 и в полые цилиндры 12, 13 и 14,Длина стакана-излучателя ультразвукового теплообменника определяется исходя из получения заданной температуры на выходе из теплообменника. Для указанного класса сталей длина стакана-излучателя составляет 42-92 см при диаметре его полости, равном 15-45 мм, при этом меньшие по длине стаканы-излучатели предпочтительнее использовать при разливке 47 Ьсталей с меньшим содержанием углерода.Разделение струи расплава на разновеликие высоты, достигаемое выполнением секций 5, 6 и 7 различнымипо длине, составляющие 60-45, 30-40и 10-157 от объема полости стаканаизлучателя, и их уменьшение в направлении к приемной емкости обусловлены соответственно трехфазным состоянием расплава и тем количествомтепла, которое нужно отвести от каждой фазы расплава с учетом ее объемного количества.Стакан-излучатель выточками 3 и4 разделен на три секции, границыраздела которых занимают определенное расположение по высоте стаканаизлучателя. Если протяженность фазстрого соответствует длинам секций,то обеспечивается ультразвуковойрежим перемешивания, при котором повыходе из устройства расплав содержит равномерное распределение твердой и жидкой фаз по объему.Изменение высоты любой из секций,не выходя за пределы оптимального,определяемого длиной стакана-излучателя, приводит к изменению высоты другой секции при сохранении постоянным объем в третьей. Изменениевысоты приводит к перемещению переходной зоны за пределы оптимальногорасположения. При этом возможны следующие варианты: первая переходнаяэона смещается целиком в первуюсекцию или во вторую, соответственно вторая переходная эонарасполагается полностью во второйили в третьей.При расположении первой переходной зоны полностью в первойсекции (7,) 603) режим ультразвукового перемешивания изменяется сперемешивания чисто жидкой фазына двухфазное - жидкотвердое,при этом не обеспечивается равномерное распределение твердой фазыпо объему жидкой иэ-эа выделениятвердой фазы лишь в нижней частисекции.При перемещении первой переход:ой зоны во вторую секцию (7(453)протяженность секции и ультразвуковой режим также не обеспечиваютравномерное распределение фаз пообъему.В случае расположения второйпереходной зоны полностью во второйсекции (Ч 40 Е) происходит увелигчение в ней общего количества твердой фазы, и ультразвуковой режим обработки не обеспечивает равномерное распределение фаз по объему.При перемещении второй переходной зоны полностью в третью секцию (Ч 307) из-за уменьшения размеров второй секции за пределы оптимального не обеспечивается равномерное перемешивание твердой фазы в ней ввиду изменения режима ультразвукового перемешивания.Выделение твердой фазы у стенок стакана-излучателя тормозит процесс ультразвукового перемешивания по объему секции, и перемешивание происходит через турбулентность протекающего потока, которая по длине секции не может обеспечить равномерное распределение Фаз.В третьей секции при изменении ее размеров эа пределы оптимальных (Ч ) 15 или Ч 10) происходит нарушение режима перемешивания из-за возникновения того же механизма перемешивания, как и во второй секции,В итоге нарушение в равномерности распределения твердой Фазы в объеме жидкой при поступлении расплава на кристаллизацию в кристаллиэатор 2 приводит к нарушению равномерности распределения разноори.- ентированных дендритов по сечению отливаемого слитка, что приводит к снижению его качества.Кеобходимость дифференцированной обработки расплава обусловлена изменением его фазового состава по мере прохождения через стакан-излучатель ультразвукового теплообменника, уменьшение интенсивности охлаждения объемов расплава направлено на обеспечение плавного перевода расплава из жидкого состояния в твердожидкое, а увеличение интенсивности ультразвуковых колебаний вызвано увеличением количества твердых центров кристаллизации расплава и увеличением толщины корочки металла., образующейся на стенке . стакана-излучателя.В верхней секции, т.е. при ультразвуковой обработке расплава в секции 5, интенсивность ультразвуковых колебаний должна находиться в пределах 0,5-1 Вт/см . Это вызваЯно тем, что в этой секции расплав находится в жидком состоянии, а толщина корочки металла не превьппает 1,0-1,2 мм. При интенсивностименее 0,5 Вт/см" указанная корочкас максимальной ее толщиной в 1,01,2 мм не разрушается, вследствиечего проточный канал стакана-излучателя оказывается "замороженным".При интенсивности ультразвуковыхколебаний, равной 1 Вт/см , короч 1 О ка металла разрушается полностьюи ее фракции интенсивно перемешиваются в расплаве. Интенсивностьже ультразвуковых колебаний более1 Вт/см нецелесообразна, посколькуг15 уже при этом ее значении разрушается корочка металла с толщинойв 1,3-1,4 мм,В средней секции, где расплав находится в жидкотвердом состоянии,толщина корочки может достигать1,6-1,8 мм, а поэтому для ее разрушения и для перемешивания ее фракции интенсивность ультразвуковыхколебаний в этой секции не должна25 быть меньше 1,9 Вт/см , так как вЯпротивном случае проточный канал стакана-излучателя будет "заморожен",Интенсивность ультразвуковых колебаний более 2,5 Вт/см в этой секцииЯнецелесообразна, поскольку при указанной интенсивностиразрушается корочка металлас толщинойв 2,0-2,мм.В нижней секции, где расплав находится в твердожидком состоянии,интенсивность ультразвуковых колеба 35нии должна быть равной 3-5 Вт/см)поскольку толщина корочки в нейможет достигать 2,0-2,6 мм. Притолщине корочки в 2,6 мм интенсив 40ность ультразвуковых колебаний менее 3 Вт/см может оказаться недостаточной для ее разрушения, вто время как интенсивность ультразвуковых колебаний более 5 Вт/см нецелесообразна, так как при ин 45тенсивности в 5 Вт/см разрушается корочка толщиной около 3 мм,Металл, вытекающий из теплообменника, в твердожидком состоянииобладает пониженной жидкотекучестью50Эчто может привести к намерзаниоего на огнеупорную вставку (20) илив самом канале. Для устранения этого и обеспечения стабильности в разливке необходимо создать разреже 55 ние в газовои среде под теплообменчником. В этом случае разрежениегазовой среды обеспечивает отсоствердожидкой фазы на выходе из стаО 1201047 йРа ода да кана-излучателя. Разрежение атмосФеры должно находиться в пределах 133-1330 Па. Нижний предел определяется необходимостью снижения противодавления при истечении, а верхний " стабильностью истечения без развития вакуума в самом канале теплообменника.Процесс намораживания металла на огнеупорную вставку 20) и на стенки канала при воздействии ультразвуковьж колебаний происходит замедленно. Поэтому нет необходимости непрерывно поддерживать разрежение газовой среды на участке между теплообменннком, приемной емкостью и зеркалом металла в приемнойемкости. Для этого цикличность создания разрежения газовой среды долж О на быть 0,6-1 Гц."Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ил 0 тир ВНИИПИ Гос по делам 3035, Москва, Подписно комитета СССР открытий я наб., д. 4/