SK12102000A3 - Forma tvaru mnohohranu na vrchné plynulé liatie metalurgických výrobkov - Google Patents

Description

FORMA TVARU MNOHOHRANU NA VRCHNÉ PLYNULÉ LIATIE METALURGICKÝCH VÝROBKOV

Oblasť techniky

Vynález sa týka dosadzovacieho náliatku formy na vrchné plynulé liatie metalurgických výrobkov, ako sú bloky, sochory (hutn. výraz na výrobky tvaru žrde) a bramy (ploché oceľové ingoty).

Doterajší stav techniky

V prípade plynulého liatia metalurgického výrobku sa roztavený kov nalieva do hornej časti alebo dosadzovacieho náliatku formy, ktorá má všeobecne zvislú polohu a z tejto formy sa spodom vyťahuje po obvode stuhnutý produkt.

Spôsob, ktorý sa nazýva vrchné plynulé liatie („hot top continuous casting“), predstavuje v skutočnosti zlepšenie všeobecného plynulého liatia a používa sa ho tak, že meniskus (voľný povrch liateho kovu) sa posúva proti prúdu do úrovne, kde tuhnutie kovu vnútri dosadzovacieho náliatku formy začína. Na uskutočnenie spôsobu vrchného plynulého liatia je predradený zvyčajnému medenému tubulárnemu elementu formy, ochladzovanému vnútri prúdiacu chladiacu vodou, dokonale priľahlý nechladený dosadzovací náliatok z tepelne izolačného žiaruvzdorného materiálu, ktorý slúži ako zásoba roztaveného kovu dodávaného liacou dýzou z lievika umiesteného v krátkej vzdialenosti nad ňou. Vďaka tomuto novému typu konštrukcie hlavy formy sa vytvára v priebehu odlievania meniskus tekutého kovu vnútri žiaruvzdorného plášťa dosadzovacieho náliatku, zatiaľ čo tuhnutie kovu začína iba v úrovni tubulárneho elementu chladeného kovu, ktorý rovnako, ako pri konvenčnom plynulom liati, kalibruje veľkosť a tvar liateho výrobku. Preto je v dosadzovacom náliatku obmedzené miešanie tekutého kovu vplyvom lejacieho prúdu. V priestore tuhnutia, definovanom medeným tubulárnym elementom umiesteným pod dosadzovacím náliatkom, môže tak byť prúd roztaveného kovu udržiavaný v relatívne pokojnom hydrodynamickom stave, čo najmä umožní vyrovnanie solidifikačného profilu ocele v styku s chladenou medenou stenou okolo celého vnútorného obrysu formy. Na to, aby sa dal taký spôsob uspokojivo používať, je nutné zabrániť akémukoľvek predčasnému tuhnutiu liateho kovu v dosadzovacom náliatku, aby bolo možné zaistiť, že tuhnutie začne nižšie dolu, presne v mieste styku s chladenou medenou stenou.

S týmto cieľom bolo už skôr navrhované ponechať štrbinu veľmi malého rozmeru (menej ako 1 mm a zvyčajne približne 0,2 mm) medzi žiaruvzdorným dosadzovacím náliatkom a medeným tubulárnym elementom a vstrekovať touto štrbinou fluidum, zvyčajne inertný plyn ako argón, do formy okolo jej vnútorného obrysu. Na zaručenie prietoku plynu v každom mieste štrbiny, je do štrbiny zavádzaný tlakový plyn rozdeľovacou komorou, ktorá štrbinu obklopuje.

Týmto vstrekovaním plynu sa odstráni heterogénny parazitický stuhnutý film, ktorý sa mohol vytvoriť proti vnútornej stene žiaruvzdornej dosadzovacej hlavy a vytvoria sa podmienky vedúce k ostrému a rovnomernému nástupu tuhnutia v chladenom medenom elemente umiestenom práve pod ňou.

V prípade nekruhových foriem, inak povedané v prípade foriem, ktoré majú tubulárny element hranatého tvaru (na odlievanie blokov, sochorov a bram napríklad štvorcového prierezu) alebo všeobecnejšie tvaru mnohostena (na odlievanie predvalkov, ktoré majú tvar žiadaného konečného výrobku) sa pozorovali na liatych výrobkoch po úplnom stuhnutí pozdĺž hrán chyby tuhnutia, ako sú napríklad pozdĺžne trhliny a šupiny, teda chyby, ktoré je možné identifikovať ako nedostatky stuhnutého kovu v tých miestach formy a teda v okamžiku, kedy sa vytvára pevná kôra.

Cieľom vynálezu je preto poskytnúť riešenie umožňujúce znížiť alebo dokonca úplne eliminovať tieto chyby tuhnutia v rohoch získaných konečných výrobkov.

Podstata vynálezu

Forma na vrchné plynulé liatie roztavených kovov pozostávajúca z chladeného kovového tubulárneho elementu, tvaru mnohostena, definujúceho tvar a veľkosť liateho výrobku, v ktorom tuhne roztavený kov v styku s chladenou vnútornou kovovou stenou, pričom je chladená vnútorná kovová stena zaradená pod nechladený dosadzovací náliatok s plášťom z tepelne izolačného žiaruvzdorného materiálu, definujúci zásobník roztaveného kovu určeného na stuhnutie a má štrbinu na injektovanie odlupovacieho média okolo vnútorného obrysu formy usporiadanou medzi chladeným kovovým tubulámym elementom a nechladeným dosadzovacím náliatkom, spočíva podľa vynálezu v tom, že forma má prekážky na redukovanie prietoku lúpacieho média v rohoch.

Prekážky tvoria prvky sťažujúce priechod plynu v injekčnej štrbine, pričom prekážky sú v každom rohu štrbiny.

Vynález vychádza z nasledujúcich úvah. Na získanie uspokojivého lúpacieho efektu plynu injektovaného na spodku dosadzovacieho náliatku, je nutné zachovať prietočnú rýchlosť plynu pozdĺž celej štrbiny tak, aby nezostávali mŕtve oblasti, kde by preto mohli zostávať nežiaduce solidifikačné fragmenty. Avšak aj keď je štrbina napájaná z obvodového tlakového plynového potrubia a tým je zaručené, že tlakové straty sú rovnaké a existuje preto lineárne prúdenie rovnakou prietokovou rýchlosťou po celej dĺžke štrbiny, nedosiahne sa rovnaké prúdenie injektovaného plynu okolo celého obrysu liateho produktu. Je to preto, že väčšia rýchlosť prúdenia plynu v rohoch formy je spôsobená skutočnosťou, že aj keď má štrbina rovnaký pravouhlý tvar ako forma, je prúd vnútri formy vedený dvoma smermi v jej rohovej oblasti. Výsledkom tejto vyššej prietočnej rýchlosti v rohoch v oblasti štrbiny a preto najmä v hornej časti chladeného medeného elementu umiesteného hneď po nej, je pretlak, ktorý môže spôsobiť lokálne oddeľovanie stuhnutej kôry od medenej steny na hranách liateho produktu. Sú to tieto oddeľovania, ktoré vplyvom zrútenia účinnosti chladenia výrobku, sú zodpovedné za javy narušujúce tuhnutie typu „nedostatku stuhnutého kovu“ (lack of solidified metal), čo sú javy, ktoré sa potom prejavia na získanom liatom výrobku, chybami tuhnutia v rohoch pozdĺž hrán.

Vynález objasňuje, nijako však neobmedzuje nasledujúci príklad praktického uskutočnenia vrchného plynulého liatia oceľového sochora štvorcového prierezu pomocou pripojených obrázkov.

Zoznam obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je polovica schematického osového rezu hornej časti formy pozdĺž roviny 1 -1 z obr. 3.

Na obr. 2 je polovica schematického osového rezu hornej časti formy pozdĺž roviny 2-2 z obr. 3.

Na obr. 3 je pôdorys spodnej časti formy v rovine 3-3 z obr.1 alebo obr. 2.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 a 2 je horná časť lejacej formy 1 plynulého liatia, ktorá má chladený medený tubulárny element 6 smerujúci hore a dokonale tesný na zabránenie akejkoľvek infiltrácie roztaveného kovu nechladeným dosadzovacím náliatkom 5 zo žiaruvzdorného materiálu.

Chladený medený tubulárny element 6 a nechladený dosadzovací náliatok 5, definujú vo svojej vnútornej časti vnútorné lejacie prostredie 3, do ktorého sa nalieva roztavený kov 7, ako napríklad oceľ a tam tuhne. Ako je zrejmé z obr. 3, má vnútorný lejací priestor 3 tvar štvorca so zaoblenými rohmi, pričom polomer zaoblenia je prehnane zväčšený, aby bolo možné zreteľnejšie objasniť charakteristické prvky vynálezu, ktoré sú ďalej vysvetlené.

Chladený medený tubulárny element 6 je hlavným prvkom formy. Je intenzívne chladený vnútorným prúdením vody (ktorá je v priestore 2 medzi chladeným medeným tubulárnym elementom 6 a kovovým plášťom 8, ktorý je od neho v určitej vzdialenosti) a prípadne slúži ako kryštalizátor, proti chladenej vnútornej medenej stene 11, na ktorej roztavený kov 7 tuhne vytváraním vopred prvej kôry T_, sotva sa oceľ prvýkrát dostane do styku so studenou chladenou vnútornou medenou stenou 11. Keď sa potom liaty výrobok posúva dolu vo forme smerom vyznačenom šípkou F, táto kôra vplyvom silného odvádzania tepla intenzívnym chladením chladeným medeným tubulárnym elementom 6 postupne hrubne. Tuhnutie roztaveného kovu 7 tak pokračuje z obvodu smerom ku stredovej osi, dokiaľ nedôjde k úplnému stuhnutiu, ktoré zvyčajne nastane po približne 10 metroch pod formou: k tomu je zariadená vodná sprcha za formou na okamžitý nástrek povrchu liateho výrobku určeného na ochladenie.

Nechladený dosadzovací náliatok 5, ktorý je špecifickým dielom všeobecne označovaného vrchného plynulého liatia, je zásobníkom 4 roztaveného kovu. Tento kov prichádza ako lejací prameň 12 z lievika 14, umiesteného v krátkej vzdialenosti nad ním, dýzou 13 umiestenou na výpustnom otvore lievika. Zásobník 4 tvorí tlmivú hmotu, ktorá má rozhodujúcu úlohu z hľadiska hydrodynamiky, pretože dovoľuje tlmenie často intenzívneho miešania tekutého kovu v dôsledku veľkého momentu oceľového lejacieho prameňa 12 voľne vnútri vyvíjaného. Tekutá oceľ, ktorá teda potom vstupuje do ochladeného medeného tubulárneho elementu 6 (kryštalizátora), aby v ňom tuhla, je v ďaleko kľudnejšom stave a predovšetkým vzdialená od menisku 15, ktorého miešanie je často príčinou solidifikačných heterogenít vo vonkajšej kôre v bežnej lejacej forme na plynulé liatie. Pod zásobníkom 4 sa prúdenie roztaveného kovu blíži prúdeniu typu „piesta“, čo znamená prúdenie bez výrazného gradientu vo vektore rýchlosti naprieč prierezom, čo je mimoriadne priaznivé na správny priebeh solidifikačného procesu.

Ako všeobecné pravidlo, čo však nie je na obrázkoch vyznačené, má nechladený dosadzovací náliatok 5 s plášťom zo žiaruvzdorného materiálu hlavný vrchný diel z vláknitého žiaruvzdorného materiálu vybraného kvôli jeho tepelným izolačným vlastnostiam tak, aby udržal zásobník 4 roztaveného kovu v tekutom stave, napríklad z materiálu obchodného mena A120K (spoločnosť KAPYROK) a dolná prstencová vložka sa volí z hustého žiaruvzdorného materiálu, ako je SiAION^R, na zaistenie najlepšej mechanickej integrity v bezprostrednom susedstve chladeného medeného tubulárneho elementu 6 vo chvíli nástupu tuhnutia.

Ako je zrejmé, je nechladený dosadzovací náliatok udržiavaný v správnej polohe voči chladenému medenému tubulárnemu elementu 6 pomocou vyrovnávacích kolíkov (neznázornené) a montážnej príruby 9 s pripevňovacou tyčou 92, pričom príruba je na kovovej doske 5a, kryjúca žiaruvzdorný diel. Skriňa 10, zhotovená z plechu, je výhodne upravená na priechod pripevňovacími tyčami a na vystuženie zostavy.

Cez tepelne izolačné vlastnosti žiaruvzdorného materiálu použitého na nechladený dosadzovací náliatok 5 sa môžu tvoriť vo väčšej alebo menšej miere parazitické stuhnuté tenké povlaky 16 liateho kovu na vnútornej stene dosadzovacieho náliatku. Práve tenké povlaky na obryse, môžu byť škodlivé pre správne stuhnutie v chladenom medenom tubulárnom elemente 6 (kryštalizátora), kde tuhnutie začína. Na rozrušenie pred začiatkom tuhnutia každého nepriaznivého stuhnutého tenkého povlaku, vytvoreného predčasne v dosadzovacej hlave, sa injektuje obvodovo lúpacie prostredie na dne nechladeného dosadzovacieho náliatku. Výhodné je použiť plyn a predovšetkým plyn, ktorý je chemicky inertný voči liatemu kovu, ako je argón.

S týmto cieľom sa vytvára úzka štrbina 18, napríklad so šírkou 0,2 mm medzi nechladeným dosadzovacím náliatkom 5 a chladeným medeným tubulárnym elementom 6. Táto štrbina sa voľne otvára smerom k vnútornej stene formy a objaví sa na druhom konci v uzavretej rozdeľovacej komore 19 tvaru prstenca usporiadaného v nechladenom dosadzovacom náliatku 5. Táto rozdeľovacia komora 19, ktorá prebieha pozdĺž štrbiny 18, slúži na správne rozdelenie lineárneho prietoku plynu, ktorý zo štrbiny prúdi. Je pripojená prívodom 20 k vonkajšiemu zdroju 21 tlakového plynu. Štrbina 18 má prstencový tvar podobný pravouholníkovému tvaru formy a teda tvaru, ktorý zaujme roztavený kov 7, len čo kôra stuhne vnútri chladeného medeného tubulárneho elementu 6. Predovšetkým má preto obrys so štyrmi rohmi, ako je znázornené na obr. 3, kde bola zaoblená časť rohov zámerne prehnaná z vyššie uvedených dôvodov.

Pretože na takmer každý roh (prvý roh 3a, druhý roh 3b, tretí roh 3c a štvrtý roh 3d) formy je lúpací plyn zavádzaný do vnútorného lejacieho priestoru 3 z dvoch navzájom kolmých strán štrbiny 18, znamená dvojrozmerný a konvergentný prívod do rohových oblastí vnútorného lejacieho priestoru 3, že sa do týchto oblastí privádza viac plynu, čo prináša riziko miestneho oddeľovania odliateho kovu do chladenej vnútornej medenej steny H pri jeho hornom okraji, teda v mieste, kde sa najviac tvorí kôra a v dôsledku toho znamená, že je nedostatok stuhnutého kovu v porovnaní so zvyškom obrysu v oblasti rohov zliatku (hut.) v priebehu tuhnutia vnútri chladeného medeného tubulárneho elementu 6 v dôsledku nedostatku účinného chladenia výrobku v týchto miestach.

Aby sa zabránilo nadmernému injektovaniu plynu do rohových oblastí, sú podľa vynálezu zavedené prvky obmedzujúce prietok plynu v rohoch štrbiny 18, ako je zrejmé z obr. 2 a 3.

Prekážky 17, umiestené v rohoch štrbiny 18, môžu pozostávať zo zväzkov vláknitého ohybného žiaruvzdorného materiálu, ktorý po nasadení nechladeného dosadzovacieho náliatku 5 na chladený medený tubulárny element 6, blokuje miestne prietok splošťovaním z vonkajšej strany smerom k vnútornej strane formy. Každá z prekážok 17 je potom výhodne pripojená na vonkajšiu stranu vnútorného obrysu rozdeľovacej komory 19, smerom dovnútra rohom vnútorného lejacieho priestoru 3 a bočné dvoma priamymi stranami smerujúcimi k vnútornému lejaciemu priestoru 3 zvierajúci uhol α s kolmicou na rovinu povrchu vnútorného lejacieho priestoru 3 na zodpovedajúcom konci zaoblených rohov (prvého rohu 3a, druhého rohu 3b, tretieho rohu 3c a štvrtého rohu 3d) lejacieho priestoru, ktorý vymedzuje prekážky 17 smerom dovnútra.

Ak má zaoblený roh lejacieho priestoru formy polomer približne 6,5 mm, musí byť šírka prekážky 17 v jej najužšom mieste, privrátenom k rohu lejacieho priestoru, výhodne 4 až 6,5 mm. Ak je táto šírka menšia ako 4 mm, nie je miestny nadmerný prietok plynu, injektovaného do rohu, dostatočne eliminovaný. Ak je šírka väčšia ako 6,5 mm, existuje oblasť blízko rohu, kde nie je prietok injektovaného prúdu lineárny.

Uhol a, zovretý medzi rovnou stranou prekážky 17 a kolmicou na vnútorný povrch liacieho priestoru, je výhodne 0 až 45 °. Mimo tieto hodnoty sklonu strán prekážok 17 sa stane lineárne prúdenie injektovaného plynu, teda prietok na jednotku dĺžky vnútorného obrysu v úrovni formy so štrbinou 18. nulovým v oblasti blízko rohov.

Zistilo sa, že hodnota uhla α približne 20 ⁰ umožňuje získať konštantné lineárne prúdenie okolo vnútorného obrysu formy v prípade liatia výrobkov obdĺžnikového alebo štvorcového prierezu. V niektorých prípadoch, v závislosti od toho, či je tvar výrobkov viac alebo menej zložitý, môžu dve priame bočné strany prekážky 17 zvierať rôzne uhly α a a' s kolmicou na rovinu vnútorných povrchov vnútorného lejacieho priestoru 3 na koncoch rohov.

Použitím prvkov prekážajúcich štrbine 18, ktoré majú geometrické a rozmerové vyššie uvedené charakteristiky, je možno získať dokonale konštantné lineárne prúdenie inertného plynu do vnútorného lejacieho priestoru pri štrbine

18. Týmto spôsobom je možné eliminovať solidifikačné chyby pozorované na hranách zliatku sotva stuhne.

Vynález nie je obmedzený na práve opísané uskutočnenie. Napríklad je možné použiť ako prvok prekážajúci štrbine 18 v jeho rohových oblastiach, materiálov odlišných od žiaruvzdorných vlákien. Tieto prvky môžu byť úplne nepriepustné pre plyn alebo mierne pórovitý.

Je tiež možné umiestniť prekážky štrbine 18 v rohových oblastiach a eliminovať prúdenie plynu v týchto oblastiach uskutočnením nechladeného dosadzovacieho náliatku 5_ tak, aby bol mierne hrubší v rohových oblastiach a presahoval šírku štrbiny 18 medzi vnútorným lejacím priestorom 3 a rozdeľovacou komorou 19. Táto prídavná hrúbka sa môže dosiahnuť obrábaním, napríklad odfrézovaním dolného čela nechladeného dosadzovacieho náliatku 5, susediaceho s chladeným medeným tubulárnym elementom 6. Inak môže byť obrobením dosiahnutá prídavná hrúbka v rohoch na chladenom medenom tubulárnom elemente 6, ktorého horné čelo je privrátené k nechladenému dosadzovaciemu náliatku 5. Výhodne má oblasť zosilenej hrúbky tvar podobný tvaru prekážky 17, ako je to znázornené na obr. 3. Táto prídavná hrúbka môže byť výhodne približne 0,2 mm.

Je tiež možné čiastočné zámerné hatenie v rozdeľovacej komore 19 v oblastiach tesne pri rohoch napríklad obmedzením alebo elimináciou injektovania do rohových oblastí štrbiny 18. Rozdeľovacia komora môže mať prekážky napríklad zavedením kolíkov do rohových oblastí rozdeľovacej komory prenikajúcich kanálikmi v· smere prúdenia plynu v rozdeľovacej komore alebo podobne kolíkov s určitým stupňom pórozity.

Vynález platí pre akúkoľvek formu tvaru mnohohranu na vrchné plynulé liatie metalurgických výrobkov, ako sú bloky, sochory a bramy alebo dosky tvaru blížiaceho sa tvaru konečného výrobku (napríklad nosníky, koľajnice, rôzne profily) za predpokladu, že hlava je konštruovaná podľa vynálezu. Okrem toho je možné vynález aplikovať v prípade plynulého liatia ocele a v prípade plynulého liatia neželezných kovov.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob plynulého liatia na výrobu zliatkov bez povrchových chýb na hranách.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Forma na vrchné plynulé liatie roztavených kovov pozostávajúca z chladeného kovového tubulárneho elementu (6), tvaru mnohostena, definujúceho tvar a veľkosť liateho výrobku, v ktorom tuhne roztavený kov (7) pri styku s chladenou vnútornou kovovou stenou (11), pričom je chladená vnútorná kovová stena zaradená pod nechladeným dosadzovacím náliatkom (5) s plášťom z tepelne izolačného žiaruvzdorného materiálu, definujúcim zásobník roztaveného kovu určeného na stuhnutie a má štrbinu (18) na injektovanie média okolo vnútorného obrysu formy, ktorá je usporiadaná medzi chladeným kovovým tubulárnym elementom (6) a nechladeným dosadzovacím náliatkom (5), vyznačujúca sa tým, že forma má prekážky (17) na redukovanie prietoku lúpacieho média v rohoch.
2. 2. Forma podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že prvky na obmedzenie prietoku plynu tvorí prekážka (17) brániaca miestne prietoku v štrbine (18).
3. 3. Forma podľa nároku 2, vyznačujúca sa tým, že každú prekážku (17) tvorí zväzok zlisovaných žiaruvzdorných vlákien medzi nechladeným dosadzovacím náliatkom (5) a chladeným tubulárnym elementom (6) a každá prekážka je umiestená v rohovej oblasti (3a až 3d) štrbiny (18).
4. 4. Forma podľa nároku 2 až 3, vyznačujúca sa tým, že prekážky (17), prekážajúce v rohových oblastiach štrbiny (18), majú priame bočné strany medzi rozdeľovacou komorou (19) a rohmi (3a, 3b, 3c a 3d) vnútorného povrchu vnútorného lejacieho priestoru (3) smerujúce k odliatku a každá zviera uhol 0 ⁰ až 45 °s kolmicou na povrch vnútorného lejacieho priestoru (3).
5. 5. Forma podľa nároku 2 až 4, ktorá má zaoblené rohy polomerom zaoblenia približne 6,5 mm, vyznačujúca sa tým, že prekážky (17) majú čelo privrátené k vnútornému lejaciemu priestoru (3) so šírkou 4 až 6,5 mm.
6. 6. Forma podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že prostriedky na obmedzenie prietoku plynu tvoria elementy na čiastočné prekážanie v rohoch štrbiny (18).