CS287289A3 - Process of cooling continuously cast metallic products - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu chlazení kovového výrobkuběhem nepřetržitého lití, s cílem snížení nebo dokonce vy-loučení přítomnosti většího segregovaného pásma ve středníčásti výrobku. Tento způsob je s výhodou použitelný pronepřetržité liti ocelových výrobků i jež se. považují za nes- ^nadno slévatelné touto technikou, např. z oceli o velkém inter-valu tuhnuti, t.j. např. těch, jejichž obsah uhlíku činí asi0,25-4.5%.

Pro správné pochopení dalších vývodů je výhodné si před-stavit výrobek v průběhu tuhnutí jako kombinaci tří soustřed-ných těles: prstence, tvořeného vnější kůrou či pokožkou, jižztuhlou, svírající další prstenec v těstovitém stavu, kterýobklopuje tekuté jádro roztaveného kovu. Těstovitým stavemse rozumí stav, kdy kov má teplotu mezi likvidem a solidem 2 a kdy koexistují v různém poměru tekutý kov a tuhé krystaly. Během odtahování výrobk pohybuje pomalu po délce stroje za chlazení, takže tuhnuti postupuje od povrchu ke středu. Tekuté jádro„a. těstovitý prstenec mají tedy kuželo-vité profily, jejichž vrcholy směřuji ke spodní části stroje.Rozhraní mezi těmito různými soustřednými tělesy tvoři dleobvyklého označení čela končícího tuhnuti a začínajícíhotuhnutí* V určitém pokročilém stadiu tuhnutí tekuté jádromizí (dno jámy začínajícího tuhnutí) a dále existuje pouzeztuhlá kůra a těstovité jádro. V dalším stadiu zmizí takétěstovité pásmo (uzavření jámy končícího tuhnutí) a výrobekje zcela ztuhlý.

Tuhnutí a chlazení výrobku během lití se uskutečňujenormálně ve třech po sobě jdoucích pásmech stroje pro nepře-tržité lití ve směru postupu výrobku při jeho vytahování? kokila, kde tekutý kov vstupuje do styku s dobře tepelně ---------------vodivými stěnami, chlazenými vydatně oběhem vody. V tomto pásmu primárního chlazení začíná tvorba ztuhlé kůry, kterásvírá tekuté jádro výrobku a kde výrobek dostává konečný tvar; pásmo tzvn. "sekundárního chlazení", které začíná těsněpod kokilou a rozprostírá se v délce odpovídající místnímpodmínkám. V tomto pásmu se ztuhlá kůra výrobku za pohybuskrápí chladicí kapalinou (obvykle rozprášená voda nebo směsvody a vzduchu), což způsobuje urychlení postupu čel začína-jícího a končícího tuhnutí směrem k vnitřku výrobku. V místě,kde přestává postřik vodou, však nedochází k úplnému ztuhnutívýrobku a jádro výrobku zůstane v tekutém stavu; a část stroje, která následuje za pásmem sekundárníhochlazení. Pohybující se výrobek se tam již nepostřikuje ——a^chla-doe přirozenou cestou» V tomto pásmu se dokončí ztuh-nutí jádra výrobku.

Nucené chlazení výrobku v kokile a po opuštění kokilyzajistí rychlý růst tloustky ztuhlé kůry, aby se omezilonebezpečí proražení a zvýšila se podstatně rychlost odtaho-vání výrobku, na niž přímo závisí produktivita stroje pronepřetržité lití.

Rozpustnost legovacích prvků, např. uhlíku, v železeje menši, jestliže železo je v tuhém stavu než v tekutémstavu. V těstovitém prstenci tedy existují v likvidu místnírozdíly koncentrace např. Uhlíku. Oestliže v těstovitémprstenci je pohyb likvidu, obohaceného uhlíkem, projeví seto existenci tzv. "segregovaných," pásem ve středu ztuhléhovýrobku a v těchto pásmech je koncentrace uhlíku (a/nebojiných segregačnich prvků) podstatně vyšší než v jinýchoblastech. Ostatní legující prvky mají podobné chování jakouhlík a umístění segregovaných pásem se může dedukovat zězkoušek nazývaných “Saumanovy otisky", které umožňujízjistit rozdělení síry na leštěném řezu výrobku. Tato se-gregovaná pásma, zjistitelná rovněž metalografickým leptáním,mají nepříznivý vliv na rovnoměrnost mechanických vlast-ností výrobku. Poměrně vyšší koncentrace uhlíku ve středunapř. vede k vyšší tvrdosti v tomto pásmu než ve zbytkuvýrobku po válcování.

Tento jev je zvlášt výrazný v případě ocelí obsahujícíchmnoho legujících prvků, na př. v ocelích obsahujících 0,5 až 1,5% uhlíku a obvykle nazývaných oceli s velkýmrozsahem tuhnutí, např. ložisková ocel 100 C6»"8aumanůvotisk" na vzorku výrobku, odebraného ve směru podélné osyvýrobku, by ukázal, že segregace jsou rozmístěny okolo osyvýrobku podle útvarů "vé"', jejichž mechanismy vzniku nejsouovsem ještě zcela objasněny.

Byly činěny pokusy řešit tento problém použitím elektromagnetického míchání kovu v těstovitém pásmu tuhnuti, abysegregovaný likvidus byl donucen se rozdělit do větší ob-lasti. Tímto opatřením se ovšem napravují důsledky, anižse mění příčiny jevu. Kromě toho tato technika vyžadujenejméně jeden míchací induktor spolu s nezanedbatelnýmináklady na provoz.

Vynález má za úkol navrhnout jednoduché a hospodárnéřešení, které snižuje nebo dokonce odstraňuje silně segre-govaná pásma v jádru nepřetržitě litého výrobku působenímna příčiny vzniku těchto pásem. Toto řešení se může spojits elektromagnetickým mícháním v pásmu končícího těstovitéhotuhnutí nebo je nahradit. Předmětem vynálezu je způsob chlazení kovového vý-robku, zejména z oceli, v průběhu nepřetržitého lití, vyzna-čený tím, že výrobek se nuceně chladí, když je ve stavutěstovitého tuhnutí, přičemž chlazení se vede tak, že dife-renciální tepelné smrštění mezi těstovitým jádrem a kůrou,již zcela ztuhlou, vyvolává trvalé sevření jádra kůrou.Chlazení se provádí v pásmu, které se rozprostírá nejméněod místa, kde bez chlazení by rychlost chlazení těstovitého Ο jádra nepřesáhla rychlost chlazení povrchu výrobku a místem, kde termomechanické chování těstovixého jádra během chlazení je stejné jako termomechanické chování vnej'šT_zťuhré^}<Ů ry^

Podstatou vynálezu je, že vnější ztuhlá kůra jepoužita jako svěrák; který sleduje smrštování jádra přichlazení. Oinak řečeno, vnitřní průměr prstence tvořenéhoztuhlou kůrou, se musí zmenšovat rychleji, než by se zmen-šoval průměr těstovitého jádra, kdyby kůra na jádro nijaknepůsobila. Tento svěrák je uveden v činnost termxkou pou-hým urychlením chlazení povrchu výrobku ve spodní částistroje, kde se obvykle výrobek nechával chladnout přiro-zenou cestou.

Jak bylo výše uvedeno, příčiny vzniku ůtvarů "V“nebyly do dnešního dne dokonale identifikovány a vysvět-leny.

Hypotéza vynálezců, která se jeví nej pravděpodobněj-ší a je východiskem vynálezu, je schematicky tato: Při průchodu pásmem sekundárního chlazení se kůravýrobku ochlazuje rychle, kdežto tekuté jádro výrobkuzůstává na téměř konstantní teplotě. Při přechodu výrobkudo pásma přirozeného chladnutí se chladnutí kůry, kterájiž není postřikována, velice zpomalí. Naproti tomu vzhle-dem k obvyklé délce pásma sekundárního chlazení teplotajádra, které je v tuto dobu v těstovitém stavu,podstatnějiklesá až když výrobek je ze značné části v pásmu přiroze-ného chladnutí. 6

Vnitřní těstovitá část výrobku tedy chladne rychlejinež pevná tuhá vrstva, která ji obklopuje a tedy se silnějitepelně smrštuje. Takto vyvozená mechanická pnutí se uvol-ňují tvorbou trhlin ve střední předběžně těstovité částia do těchto trhlin může vnikat sáním silně segregovanýlikvidus. U úplně ztuhlého výrobku se umístění těchto trhlinzjistí podle zvýšené koncentrace legujících prvků, vedoucík výše uvedeným závadám. . , . V případě ocelí, obsahujících velká množství legují-cích prvků j8kú je uhlík/ např. 100 C6, je rozdíl meziteplotou začínajícího tuhnutí a končícího tuhnutí poměrněvelký a těstovité tuhnutí se tedy může uskutečnit v roz-sáhlejším pásmu než u méně legovaných druhů oceli. To spo^·lu s větší citlivostí prvků k segregaci mezi tekutou fázía tuhou fází vysvětluje^proč legované druhy do té mírypodléhají vzniku segregačních pásem v osovém pásmu nepře-tržitě litého výrobku, v některých krajních případech takové vady znemožňuji získání dostatečně kvalitních hoto-vých výrobků a takové výrobky se nemohou proto vyrábětnepřetržitým litím. □e tedy zřejmé, že vynález vyvoláním tepelného smrš-těni pevné obvodové kůry působí proti tendenci výrobkuk vytvářeni vnitřních trhlin, které způsobuji silně segre-govaná střední pásma. Vynález je v dalším popsán na základěpopisu a výkresů, na nichž obr. 1 ukazuje schematicky známé zařízení pro nepře- tržité lití polotovarů z Oceli v zakřiveném tvaru. 7 obr.2 znázorňuje zařízeni podle obr.l, upravenépodle vynálezu připojením chladicí rampy v pásmu končí-cího tuhnutí výrobku a obr,. 3 přiklad průběhu rych lo s t í chlaz en í po v rc h ua jádra výrobku za jeho pohybu v dolní části stroje. □sou znázorněny dva případy - přítomnosti a nepřítomnostichladícího zařízeni v pásmu končícího tuhnutí výrobku.

Obr. 1 je schematický podélný řez klasickým zaříze-ním pro nepřetržité lití a ukazuje zejména výrobek v prů-běhu chladnutí. Neznázorněná pánev dodává tekutou ocel. 1do mezipábve 2. Tekutá ocel 1. pak teče do jedné nebo vícekokil 3 se'stěnami z mědi nebo slitiny mědi,' chlazenýmivydatně vodou. V každé z těchto kokil či pásem primárníhochlazení(x)začíná na obvodu tuhnutí výrobku 4, který nabývátakto svůj definitivní průřez. Kokila, znázorněná v obr.l,má zakřivení, které se udělí také výrobku. V praxi se takévyskytuje přímá kokila vytvářející přímý výrobek. Těsněpod kokilou 3 začíná pásmo sekundárního chlazení($), v němžse výrobek 4 postřikuje v délce,' různé podle typu stroje,rampou trysek 5. Trysky vrhají na celý obvod výrobku chla-dicí kapalinu, obvykle rozprášenou vodu nebo mlhu. Paknásleduje pásmo přirozeného chlazeními kde klasický stroj,jaký je znázorněn, nemá žádné prostředky ke chlazení vý-robku. V dolní části stroje -jsou (neznázorněné) orgányk odstranění křivosti výrobku, udělující mu přímý tvar,a orgány (neznázorněné) k dělení výrobku na určité délky. s

Obr. 1 ukazuje několik soustředných oblastíuvnitř výrobku v průběhu lití, odpovídajících fyzi-kálnímu stavu hmoty, kterou uzavírají. V úseku výrob- ní-ku, nacházejícím se v horní části stroje (např. v pásmu(2) se nacházejí ve sledu tři oblasti. V jádru (oblast 6)je kov zcela tekutý; průřez této části se zmenšuje s po-stupujícím tuhnutím výrobku a za bodem uzavření tekutéjámy 7 se již nenalézá samotný tekutý kov. Kolem te-kutého jádra 6 je těstovitá oblast 8 tuhnoucího kovu,£která obsahuje současně likvidus i solidus. Podíl so-lidu se zvětšuje s klesající teplotou. Kolem těstovi- tého pásma je kůra 9, tvořená pouze tuhým kovem. Zabodem uzavření jámy končícího tuhnutí 10 tato oblast J3pokrývá celý výrobek, jehož tuhnutí je nyní skončeno.

Obr. 2 ukazuje stroj pro nepřetržité lití podleobr. 1, upravený podle vynálezu. Společné části s obr.l jsou označeny stejnými vztahovými znaky. Rozdíl mezi_________ oběma uspořádáními spočívá v tom, že k původnímu strojije připojena druhá rampa trysek 11, umístěná v pásmu^)stroje, kde se dokončuje tuhnuti výrobku.

Obr. 3 ukazuje příklady průběhu rychlosti teplotykovu na povrchu a v jádru v souvislosti s pohybem vý-robku v pásmu © stroje, kde končí jeho tuhnutí. Tento i pohyb je vyjádřen vzdáleností^^k menisku, t.j. k po-vrchu tekutého kovu v kokile. Křivky byly nakreslenypomocí matematických modelů podobných modelům, které 9 mají k dispozici uživatelé strojů pro nepřetržité lití. Osou platné pro tyto podmínky lití: - formát výrobku: špalky čtvercového průřezu s t ran ě - 105-*mm.=^^«,—~. - složení výrobku: ocely o obsahu 0,7% uhlíku, - rychlost vytahování výrobku: 3,3 m/min.

Za těchto podmínek se úplné ztuhnutí výrobkuuskutečni ve vzdálenosti 11,20 m od menisku a je ozna-čeno na obrázku čarou S. Křivky A a B odpovídají případu podle obr. l,kdevýrobek v konečné části stroje není vystaven nucenémuchlazení. Křivka A představuje rychlost vývoje teplotyna povrchu výrobku. Ukazuje, že tato rychlost je vpodstatě konstantní (t.j.ztráta 0,5°C/s) po celé délceuvažovaného pásma. Křivka B představuje rychlost změnyteploty těstovitého jádra výrobku. Ukazuje, že na za-čátku uvažovaného pásma zůstává tato teplota prak-ticky konstantní. Teprve v určité vzdálenosti od me-nisku okolo 8 m se chladnutí těstovitého jádra znatel-něji zrychlí. Za vzdálenosti 9,5 m od menisku začínátěstovité jádro ztrácet více než 0,5 C/s a tudížchladnout rychleji než povrch. Tím se přivodí tepelnésmrštěni jádra silnější než povrchu, kterýžto jevpodle hypotézy vynálezců, jak již bylo zmíněno, je příčinou vad výrobku, které vynález odstraňuje. Křivky C a D odpovídají případu podle obr.2, kdevýrobek podle vynálezu je nucené chlazen v pásmu (z)končícího tuhnutí rampou trysek 11. Tyto křivky byly 10 nakresleny na základě hypotézy, kde výrobek se postři-kuje mezi vzdálenostmi od menisku 8,40 m a 11,20 mvodou v množství 12 m na hodinu a m postřikovanéhovýrobku, kteréžto množství je rozděleno rovnoměrněv celém pásmu postřiku. Křivka C představuje rychlostzměny teploty povrchu výrobku a křivka D představujerychlost změny teploty těstovitého jádra. Před pásmemchlazení tyto křivky splývají s křivkami A popřípaděB. Od začátku pásma nuceného chlazení se chladnutípovrchu náhle zrychlí a dosáhne ve vzdálenosti 9 m odmenisku 9° C/s. Pak se chlazení stane čím dále tím po-malejší v důsledku postupného zhoršení jakosti tepelnéSměny mezi chladící vodou (jejíž množství a teplotajsou konstantní) a výrobkem (jehož teplota se s postu-pem do pásma chlazení snižuje). Současně má nucené chlazeníza následek zrychlení chladnutí těstovitého jádra, avšaktento účinek se projevuje až opožděně (od vzdálenostiod menisku 10 m) a postupně. Chladnutí těstovitéhojádra je rychlejší než chladnutí povrchu výrobku teprveve vzdálenosti 11 m od menisku. V této úrovni těstovitéjádro prakticky dokončilo tuhnutí a jeho termomechanickéchováni je dostatečně blízké chování zcela ztuhlé kůry,takže jev tepelného diferenciálního smrštování je zaned-batelný a segregované útvary "vé“ nemohou vznikat.

Popsaný příklad není samozřejmě omezující. Obrázekpodobný obr. 3 se může samozřejmě nakreslit pro každý 44 stroj pro nepřetržité lití, na kterém by se odléval výrobekzar definovaných podmínek. 2a místem, kde tuhá frakce těstovitého tělesa dosa-huje 90%, není třeba pokračovat v postřiku. V určitýchpřípadech dokonce stačí postřikovat až do dosažení 50%tuhé složky.

Doporučuje se pokračovat v nuceném chlazení výrobkuaž přibližně 1 m za bod konce tuhnutí, určený výpočtem,vzhledem k nespolehlivosti takového výpočtu. V tomtosmyslu je na obr. 3 chladicí rampa znázorněna prodlouženáza bod 10. Stejně nespolehlivost výpočtu průsečíku křivekA a B v obr. 3 činí asi i 1 m. Volba bodu, kde začíná nu-cené chlazení, musí brát ohled na tuto možnou chybu. Dopo-ručuje se proto umístit první trysky rampy 11 nejméně lmpřed uvedený průsečík. 3e však rovněž třeba se ujistit, žetoto posunutí začátku chlazení dopředu nezpůsobí předčasnéprotnutí křivek C a D v obr. 3, t.j. které by nastalov bodě, kde tuhá složka těstovitého jádra by byla mětóínež.nejméně 60%.

Množství chladící vody se doporučuje řádově od 8 do15 m3/hod a na m2 postřikovaného kovu. S výhodou se volimnožství 12 m2/ m2.h.

Tento způsob je snadno přizpůsobitelný pro všechnystroje, určené pro nepřetržité lití výrobků z oceli. Zej-ména je však určen pro lití druhů oceli, obsahujících při-bližně 0,25-1,5% uhlíku.

Obměna způsobu spočívá v tom, že chladící rampa 11je uspořádána tak, že množství chladící kapaliny mezi 12* začátkem a koncem chladícího pásma se mění. Celkovéstřední množství v celém pásmu pro popsané uspořádánízůstává stejné. Takto je možno lépe řídit tok tepla,odebraného, výrobku po délce chladicího pásma, abyse zmenšil pokles, patrný v obr. 3, rychlosti chladnutípovrchu výrobku. Tím se zvýší pravděpodobnost, že aždo úplného konce tuhnutí je chladnutí jádra pomalejší než chladnutí kůry.

Bylo rovněž zjištěno, že dobrá stejnorodost jádravýrobku, pro který se postup použije, byla příznivá proopakovatelnost žádaných dobrých metalurgických výsledků.Bylo zjištěno, že rovnoměrnost je možno s výhodou získatuvedením do pohybu tekutého jádra v sekundárním chladícímpásmu nebo dokonce v kokile. Toto uvedení do pohybu semůže vytvořit s výhodou elektromagnetickým mícháním,dobřeznámým v oblasti nepřetržitého lití. Tyto prostředky mo-hou být prstencové mnohofázové induktory, uspořádané ko-lem odlévaného výrobku a vytvářející magnetické pole,otáčející se kolem osy lití, nebo rovinné mnohofázové in-duktory, vytvářející klouzavé pole rovnoběžně s osou litínebo kolmo na ni. Literatura na téma elektromagnetickéhomíchání je bohatá a pro další informace je možno použítnapř. franc.patent 2 315 344 pro míchání otáčivým polem v kokile, franc.patent 2 211 305, týkající se mícháníotáčivým polem v sekundárním chladícím pásmu, lucemburský patent 57753, týkající se míchání pomocí induktorů, vytvá- řejících kluzné pole kolmo na osu lití v druhotném chla- 11 dicím pásmu. Poučky 2 těchto různých pramenů jsou uvedeny v tomto popisu jako reference. ....... Vynález není samozřejmě omezen na popsané příklady a týká se i četných variant a ekvivalentních řešení.

Způsob podle vynálezu se může zejména použít pro svislépřímé nebo zakřivené licí stroje stejně tak jako pro strojevodorovné jakož i na stávající zařízení nebo připravovanázařízení pro přímé nepřetržité lití výrobků malé tlouštky.

Vynález se týká nejen hutnických polotovarů, nýbržtaké všech hutních výrobků nepřetržitě litých nebo vhod-ných k nepřetržitému lití.

Vynález se také týká všech nepřetržitě litých metalur-gických výrobků bez ohledu na jejich formát: sochorů, špalkůtnebo plosek, zejména plosek určených k podélnému děleník výrobě špalků.

Claims (14)

1. -14- PATENTOVÉ NÁROKY 1» Způsob chlazení kovového výrobku, zejménaz oceli, během nepřetržitého lití, vyznačený tím, že » výrobek se nucené chladí, když jeho jádro je ve fázitěstovitáho tuhnutí, a chlazení se vede tak, že te-pelné diferenciální smrštování mezi těstovitým jádrema vnější kůrou, již zcela ztuhlou, vyvodí nepřetržitý svěrací účinek kůry na jádro,
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že nucenéchlazení se provádí v pásmu; rozprostírajícím se podélce licího stroje nejméně mezi místem, kde bez ta-kového chlazení by rychlost chladnutí těstovitéhojádra výrobku převyšovala rychlost chladnutí povrchuvýrobku, a místem, kde termomechanickéchování těsto-vitého jádra během chladnutí je stejné jako termome-chanické chování vnější ztuhlé kůry, 3» Způsob podle bodu Ϊ nebo 2, vyznačený tím, žechlazení se udržuje tak, aby svěrací účinek ztuhlékůry těstovité jádro pokračoval až k bodu, kdy podíltuhé hmoty v těstovitém jádru je nejméně 60%,
3. 4. Způsob podle bodu 1 nebo 2, vyznačený tím, ženucené chlazení se provádí vrháním chladící kapaliny, např. vody, na povrch odlévaného výrobku. *
4. 5. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že chla- zení se provádí vodou o středním množství 8-15 m xicl2 hodinu a na m postřikovaného výrobku. - 15 -
5. 6. Způsob podle bodu 5, vyznačený tím, že střednímnožství činí asi 15 m za hodinu a na lm postřikova- ,ného,výrobku._______ ___________ _ _____
6. 7. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že množstvíchladící kapaliny mezi začátkem a koncem chladícího pásma je různé.
7. 8. Způsob podle bodu 1,2,3 nebo 4, vyznačený tím,že se použije pro lití ocelí, jejichž váhový podíl uhlíku je řádově 0,25 až 1,5%.
8. 9. Způsob podle některého z bodů 1,2,3 nebo 4,vyznačený tím, že se současně uvádí tekuté jádro dopohybu míchacími orgány.
9. 10. Způsob podle bodu 9, vyznačený tím, že míchacíorgány jsou tvořeny nejméně jedním induktorem s pohyb-livým magnetickým polem.
10. 11. Způsob podle bodu 10, vyznačený tím, že sepoužije induktoru, obklopujícího litý výrobek a vytvá-řejícího magnetické pole, otáčející se kolem osy lití.'
11. 12. Způsob podle bodu 10, vyznačený tím, že sepoužije rovinného induktoru, vytvářejícího v odlévanémvýrobku klouzavé pole.
12. 13. Zařízení pro nepřetržité lití kovových výrobků,zejména z oceli, vyznačené tím, že k provádění způsobuchlazení podle bodů 1 a 2 jsou uspořádány v koncovéčásti metalurgické délky orgány k chlazení výrobku. - 16 -
13. 14. Zařízení pro nepřetržité lití podle bodu 9,vyznačené tím, že orgány k chlazení jsou postřikové rampy 11,vrhájící na povrch odlévaného výrobku chla- * dici kapalinu.
14. 15. Hutní výrobek, získaný přímo nepřetržitýmlitím, vyznačený tím, že má skladbu a jakost vnitřkushodnou s výrobky, získanými způsobem podle bodu 1.- 12.7·19β9 Zástupce: 2 2863 UT&amp;ÍN—Ústav technického rozvcfo a informací, náměstí Sovětských hrdinů 2 663 01 B R N O