RU2200644C2 - Apparatus for continuous casting and extruding hollow shapes - Google Patents

Abstract

FIELD: plastic metal working, possibly production of seamless hollow shapes such as tubes, mainly of copper and aluminium alloys by continuous casting and extruding. SUBSTANCE: apparatus includes furnace-mixer, grooved roll and roll with protrusion, both forming working roll grooved pass. At outlet of said pass die with wedge-shaped cooling cavities is arranged. Apparatus includes in addition elongated needle mounted coaxially relative to die, having mechanism for withdrawing it, rigidly fixed by means of fixing member and arranged in holder with ducts for supplying lubricant and with protrusions for closing ducts. Said ducts are arranged along perimeter of needle. Water cooled cavities are provided in rolls. It is rational to select relation of critical working length of needle to diameter of grooved roll in range 0.05 - 0.35. EFFECT: enlarged manufacturing possibilities at making hollow shapes, improved quality of extruded articles provided by enhanced mechanical properties due to seam absence. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Настоящее изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения бесшовных полых профилей, в том числе труб, преимущественно из медных и алюминиевых сплавов методом непрерывного литья и прессования. The present invention relates to the field of metal forming and can be used to obtain seamless hollow profiles, including pipes, mainly from copper and aluminum alloys by continuous casting and pressing.

Известно устройство для получения труб методом литья-прессования фирмы Westinghouse Electr. Manufact.Co (Э.Германн "Непрерывное литье", 1961, стр. 657), которое состоит из кристаллизатора, выполненного в виде подогреваемого индуктором копильника, поршня, охлаждаемой матрицы, оправки (иглы), закрепленной со стороны изделия соосно с матрицей и вытяжного устройства. A device for producing pipes by injection molding company Westinghouse Electr. Manufact.Co (E.Germann "Continuous casting", 1961, p. 657), which consists of a mold made in the form of a piggy bank heated by an inductor, a piston, a cooled die, a mandrel (needle), fixed from the product side coaxially with the die and exhaust devices.

Данное устройство позволяет получать бесшовные трубы, однако оно работает в дискретном режиме (циклично), и объем металла в копильнике ограничен его размерами, что не обеспечивает непрерывности процесса. Другим его недостатком является то, что данная конструкция не позволяет получать изделия с высокими механическими свойствами, так как формирование изделия осуществляется путем кристаллизации стенок трубы в зазоре между иглой и стенками копильника, а вытяжное устройство только "поддерживает процесс вытягивания слитка". Так как наружную поверхность трубы формируют стенки копильника, невозможно изменять ее размеры, что также ограничивает область применения. Выявленные недостатки в значительной степени снижают производительность процесса, требуют дополнительной обработки давлением (например, последующего волочения) для получения высоких механических свойств и не позволяют варьировать сортамент получаемых изделий. This device allows you to get seamless pipes, but it works in a discrete mode (cyclically), and the volume of metal in the piggy bank is limited by its size, which does not ensure the continuity of the process. Another drawback is that this design does not allow to obtain products with high mechanical properties, since the formation of the product is carried out by crystallization of the pipe walls in the gap between the needle and the walls of the piggy bank, and the exhaust device only "supports the process of pulling the ingot." Since the outer surface of the pipe is formed by the walls of the piggy bank, it is impossible to change its dimensions, which also limits the scope. The identified shortcomings significantly reduce the productivity of the process, require additional pressure treatment (for example, subsequent drawing) to obtain high mechanical properties and do not allow to vary the assortment of the resulting products.

Устройства, позволяющие получать изделия совмещенным методом литья и прокатки (Канцельсон М.П. "Литейно-прокатные агрегаты для производства катанки из цветных металлов", М., ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990), также имеют ряд недостатков. Для получения высоких механических свойств необходимы большие степени деформации, а это 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. Кроме того, такие агрегаты в промышленности применяются преимущественно для получения сплошных профилей, а описания в научно-технической и патентной литературе устройств для получения бесшовных труб такими способами не имеется. Devices that allow to obtain products by the combined method of casting and rolling (Kantselson MP "Casting and rolling units for the production of wire rod from non-ferrous metals", M., TsNIITEItyazhmash, 1990), also have several disadvantages. To obtain high mechanical properties, large degrees of deformation are necessary, and this is possible when implementing a large number of passes on continuous casting and rolling units, including at least 15-20 stands. The costs of manufacturing the tool (rolls), its readjustment and profiling for each profile size require rather high costs, which is economically feasible only with large volumes of production. In addition, such units in industry are mainly used to obtain continuous profiles, and descriptions in the scientific, technical and patent literature of devices for producing seamless pipes by such methods are not available.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является установка для непрерывного литья и прессования металла (Патент России 2100136, 1997), включающая печь-миксер, кристаллизатор роторного типа, валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными охлаждаемыми полостями. The closest set of essential features is the installation for continuous casting and pressing of metal (Patent of Russia 2100136, 1997), which includes a mixer-mixer, a rotary mold, a roller with a stream and a roller with a protrusion, forming a working gauge, at the outlet of which a matrix with wedge-shaped cooled cavities.

Данная установка обеспечивает непрерывность процесса, снижение энергозатрат, высокие механические свойства пресс-изделий за счет значительных степеней деформации при прессовании, варьирование размеров пресс-изделий. This installation ensures the continuity of the process, reducing energy consumption, high mechanical properties of the press products due to significant degrees of deformation during pressing, varying sizes of the press products.

Однако установка не позволяет получать бесшовные полые профили, что особенно актуально для металлов и сплавов, которые при нагреве склонны к окалинообразованию, препятствующему процессам сварки под давлением при деформации. Поэтому получение труб, например, из меди и ее сплавов невозможно без специальных мер, предотвращающих окисление металла в очаге деформации (обработка в вакууме и т.д.). Кроме того, качество сварных труб значительно ниже бесшовных вследствие сравнительно низких механических свойств пресс-изделий в зоне сварного шва. However, the installation does not allow obtaining seamless hollow profiles, which is especially important for metals and alloys, which, when heated, are prone to scale formation, which impedes the processes of pressure welding during deformation. Therefore, the production of pipes, for example, from copper and its alloys is impossible without special measures to prevent oxidation of the metal in the deformation zone (processing in vacuum, etc.). In addition, the quality of the welded pipes is much lower than seamless pipes due to the relatively low mechanical properties of the press products in the weld zone.

Основной задачей изобретения является расширение технологических возможностей устройства при получении полых профилей и повышение качества пресс-изделий за счет улучшения механических свойств из-за отсутствия сварного шва. The main objective of the invention is to expand the technological capabilities of the device upon receipt of hollow profiles and improve the quality of the press products by improving the mechanical properties due to the absence of a weld.

Для решения поставленной задачи заявляемое устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей, включающее печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными охлаждаемыми полостями, дополнительно снабжено установленной соосно матрице длинномерной иглой с механизмом ее отвода, жестко закрепленной фиксатором и расположенной в обойме с каналами для подачи смазки, размещенными по периметру иглы, и выступами для запирания каналов, при этом в валках выполнены водоохлаждаемые полости. Соотношение критической длины рабочей иглы и диаметра валка с ручьем находится в пределах 0,05-0,35. To solve this problem, the inventive device for continuous casting and pressing of hollow profiles, including a mixer mixer, a roller with a stream and a roller with a protrusion, forming a working gauge, at the outlet of which a matrix with wedge-shaped cooled cavities is installed, is additionally equipped with a long needle installed coaxially with the matrix with its removal mechanism, rigidly fixed by a latch and located in a holder with channels for supplying lubricant located around the perimeter of the needle, and protrusions for locking the channels, while in the rolls Execute the water-cooled cavity. The ratio of the critical length of the working needle and the diameter of the roll with the stream is in the range of 0.05-0.35.

Конструктивные особенности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяют получать полые бесшовные профили и способствуют повышению механических свойств пресс-изделий. The design features of the claimed device compared to the prototype, characterized by distinctive features, allow you to get a hollow seamless profiles and contribute to improving the mechanical properties of the press products.

По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки: имеется длинномерная игла с механизмом ее отвода, установленная соосно матрице и выполненная в обойме с каналами для подачи смазки, расположенными по периметру иглы и выступами для запирания каналов, причем игла жестко ориентирована фиксатором в направлении входа металла в обжимающую зону калибра валков, в которых выполнены водоохлаждаемые полости. Кроме того, соотношение длины рабочей части иглы и диаметра валка с ручьем находится в пределах 0,05-0,35. In relation to the prototype, the proposed device has the following distinctive features: there is a long needle with a retraction mechanism mounted coaxially to the matrix and made in a holder with channels for supplying lubricant located along the perimeter of the needle and protrusions for locking the channels, and the needle is rigidly oriented with the latch in the direction the entrance of the metal into the compression zone of the caliber of the rolls, in which water-cooled cavities are made. In addition, the ratio of the length of the working part of the needle and the diameter of the roll with a stream is in the range of 0.05-0.35.

Длинномерная игла, которая закреплена при помощи фиксатора и ориентирована в направлении входа металла в обжимающую зону калибра валков, позволяет получать непосредственно из расплава металла бесшовные полые профили, у которых механические свойства выше, чем у профилей, получаемых при прессовании через камерные матрицы со сваркой. При этом роль кристаллизатора выполняют валки и игла, на поверхности которых в момент поступления жидкого металла в очаг деформации происходит кристаллизация металла, образование литой полой заготовки, ее обжатие в зазоре между валками, распрессовка перед матрицей и формирование полого профиля (трубы) путем прессования в зазор между иглой и калибрующим отверстием матрицы с помощью активных сил трения. Форма и размеры канала матрицы обеспечивает форму внешнего поперечного сечения пресс-изделий и заданные размеры трубы. Расположение соосно матрице и жесткое закрепление в зафиксированном положении со стороны входа заготовок в обжимающую зону калибра позволяет центрировать иглу в отверстии матрицы и получать трубы не только различных размеров, но и формы, как и при обычном прямом прессовании на горизонтальных гидравлических прессах. Выполнение иглы в обойме с каналами для подачи смазки, расположенными по периметру иглы, и выступами для запирания каналов дает возможность предохранять иглу от воздействия расплава, а также управлять подачей смазки и снизить контактное трение между поверхностями инструмента и прессуемого профиля. Механизм отвода иглы и выступы для запирания каналов позволяют вывести ее из очага деформации, прекратив подачу смазки. Для предотвращения перегрева металла в очаге деформации, вызванного непрерывным поступлением расплава в калибр валков, в последних выполнены водоохдаждаемые полости. A long needle, which is fixed with a clamp and oriented in the direction of metal entry into the compression zone of the caliber of the rolls, makes it possible to obtain seamless hollow profiles directly from the metal melt, whose mechanical properties are higher than those obtained by pressing through chamber matrices with welding. In this case, the role of the mold is performed by rolls and a needle, on the surface of which, at the moment of liquid metal entering the deformation zone, the crystallization of the metal occurs, formation of a cast hollow billet, its compression in the gap between the rolls, extrusion in front of the die and formation of a hollow profile (pipe) by pressing into the gap between the needle and the gauge hole of the matrix using active friction forces. The shape and dimensions of the channel of the matrix provides the shape of the external cross section of the press products and the specified pipe dimensions. The coaxial arrangement of the matrix and the rigid fastening in a fixed position from the input side of the workpieces into the squeezing zone of the gauge allows you to center the needle in the hole of the matrix and to obtain pipes of not only different sizes, but also shapes, as with conventional direct pressing on horizontal hydraulic presses. The execution of the needle in the cage with the channels for the supply of lubricant located along the perimeter of the needle and the protrusions for locking the channels makes it possible to protect the needle from the influence of the melt, as well as to control the flow of lubricant and reduce contact friction between the surfaces of the tool and the extruded profile. The needle retraction mechanism and protrusions for locking the channels allow it to be removed from the deformation zone, stopping the supply of lubricant. To prevent overheating of the metal in the deformation zone caused by the continuous flow of the melt into the caliber of the rolls, water-cooled cavities are made in the latter.

При таком способе получения полых профилей (труб) в значительной мере увеличиваются потери на трение за счет дополнительного контакта металла с иглой. Это особенно важно при данном совмещенном процессе, так как деформация выдавливания осуществляется за счет активных сил трения, подводимых валками. Поэтому осуществимость предлагаемого процесса будет в значительной мере зависеть от сил контактного трения заготовки с иглой. Чем больше эти силы трения, тем меньше вероятность осуществления процесса из-за нехватки активных сил трения. Игла, таким образом, должна иметь критическую рабочую длину, величина которой может быть найдена из условия осуществимости процесса
P_тр≥P_в,
или
fσ_sL_лП≥σ_sF_p(1+1,4lnμ)+σ_s0,5fπdL+σ_s0,5fπDL_п,
где Р_тр - величина активных сил трения, подводимых валками, Р_в - величина сил, затраченных на выдавливание пресс-изделия, f - коэффициент трения, П - периметр калибра, σ_s - сопротивление металла деформации, L_к - протяженность зоны контакта металла с калибром, μ - коэффициент вытяжки при выдавливании, F_p=b_ph_p - площадь распрессованной перед матрицей заготовки, b_p, h_p - соответственно ширина калибра и высота матрицы при перекрытии калибра в вертикальной плоскости, проходящей параллельно общей оси валков (равная высоте распрессованной заготовки), L и d - соответственно рабочая длина и диаметр иглы, L_п - длина рабочего пояска матрицы, D - наружный диаметр трубы.With this method of obtaining hollow profiles (pipes), friction losses are significantly increased due to additional contact of the metal with the needle. This is especially important in this combined process, since the extrusion deformation is carried out due to the active friction forces supplied by the rolls. Therefore, the feasibility of the proposed process will largely depend on the contact friction forces of the workpiece with the needle. The greater these frictional forces, the less likely the process to occur due to a lack of active frictional forces. The needle, therefore, must have a critical working length, the value of which can be found from the conditions of the feasibility of the process
P _tr ≥P _in ,
or
fσ _s L _l П≥σ _s F _p (1 + 1.4lnμ) + σ _s 0.5fπdL + σ _s 0.5fπDL _p ,
where R _Tr is the magnitude of the active friction forces supplied by the rolls, R _in is the magnitude of the forces expended to extrude the press product, f is the friction coefficient, P is the caliber perimeter, σ _s is the strain metal resistance, L _k is the length of the metal contact zone with by caliber, μ is the extrusion coefficient during extrusion, F _p = b _p h _p is the area of the workpiece pressed in front of the matrix, b _p , h _p are the caliber width and matrix height when the caliber overlaps in a vertical plane parallel to the common axis of the rolls (equal to the height pressed workpiece), L and d are, respectively, the working length and diameter of the needle, L _p is the length of the working belt of the matrix, D is the outer diameter of the pipe.

С учетом условия осуществимости процесса рабочую длину иглы можно найти по выражению

Анализ указанной формулы показал, что при заданных размерах калибра и пресс-изделия, величина L преимущественно зависит от протяженности зоны контакта металла с валками. Последнюю можно определить по выражению

где d₁ - диаметр валка с ручьем, Δh - величина абсолютного обжатия при прокатке, l - величина удаления зеркала матрицы от общей оси валков. Таким образом, если учесть, что обжатие при прокатке ограничено условием захвата металла валками и не изменяется в широких пределах, а величина удаления может быть определена по соотношению l=(0,005-0,35)d₁ (см. Патент России 1785459, 1992), критическая рабочая длина иглы, при которой процесс выдавливания осуществим, может быть поставлена в зависимость от диаметра валка с ручьем. Расчеты с использованием практических данных, полученных на экспериментальной установке, дали возможность предложить следующее соотношение для расчета рабочей длины иглы
L=(0,05-0,35)d₁.Given the feasibility of the process, the working length of the needle can be found by the expression

An analysis of this formula showed that for a given caliber and press product dimensions, the value of L mainly depends on the extent of the zone of contact of the metal with the rolls. The latter can be determined by the expression

where d ₁ is the diameter of the roll with a stream, Δh is the absolute reduction during rolling, l is the distance the matrix of the matrix is removed from the common axis of the rolls. Thus, if we consider that the reduction during rolling is limited by the condition that the metal is captured by the rolls and does not vary widely, and the removal value can be determined by the ratio l = (0.005-0.35) d ₁ (see Russian Patent 1785459, 1992) , the critical working length of the needle, at which the extrusion process is feasible, can be made dependent on the diameter of the roll with a stream. Calculations using practical data obtained in an experimental setup made it possible to propose the following relation for calculating the working length of a needle
L = (0.05-0.35) d ₁ .

Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение устройства для непрерывного литья и прессования полых профилей, имеющего указанную выше совокупность отличительных признаков, позволяет конструктивно изменить схему обработки металла, что приводит к расширению технологических возможностей устройства путем получения труб без сварного шва с повышенным качеством пресс-изделий за счет улучшения их механических свойств. Thus, between the distinguishing features and the task at hand, there is the following causal relationship. The implementation of the device for continuous casting and pressing of hollow profiles having the above set of distinctive features allows you to constructively change the metal processing scheme, which leads to the expansion of the technological capabilities of the device by producing pipes without a weld with improved quality of the press products due to the improvement of their mechanical properties.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами. The invention is illustrated graphic materials.

На фиг.1 показан общий вид устройства в разрезе для реализации процесса получения полых профилей (труб). На фиг.2 показаны водоохлаждаемые валок с ручьем и валок с выступом. Figure 1 shows a General view of the device in section for the implementation of the process of obtaining hollow profiles (pipes). Figure 2 shows a water-cooled roll with a stream and a roll with a protrusion.

Заявляемое изобретение - устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей включает печь-миксер 1 с расплавом 2, валок 3 с ручьем и валок 4 с выступом, имеющие водоохлаждаемые полости 5 и образующие закрытый калибр, перекрытый на выходе матрицей 6. Игла 7 расположена в обойме 8 соосно каналу матрицы и жестко закреплена фиксатором 9 с помощью винта 10 и державки 11. По периметру иглы 7 в обойме 8 выполнены каналы 12 для подачи смазки. Соотношение критической рабочей длины иглы 7 и диаметра валка с ручьем 3 составляет 0,05-0,35. Механизм отвода иглы включает винт 10 и пружины 13, 14, а игла на части своей длины снабжена выступами 15, выполненными в поперечном сечении по форме каналов 12. Клиновидные полости 16 выполнены в матрице 6 с возможностью их охлаждения. The claimed invention is a device for continuous casting and pressing of hollow profiles includes a mixer-mixer 1 with a melt 2, a roller 3 with a stream and a roller 4 with a protrusion, having water-cooled cavities 5 and forming a closed gauge, blocked at the outlet by a die 6. The needle 7 is located in a ferrule 8 coaxially to the matrix channel and is rigidly fixed by a retainer 9 with a screw 10 and a holder 11. Along the perimeter of the needle 7, channels 12 for supplying lubricant are made in the holder 8. The ratio of the critical working length of the needle 7 and the diameter of the roll with stream 3 is 0.05-0.35. The needle removal mechanism includes a screw 10 and springs 13, 14, and the needle is partly provided with protrusions 15 made in cross section in the shape of channels 12. The wedge-shaped cavities 16 are made in the matrix 6 with the possibility of cooling.

Устройство работает следующим образом. Металл, расплавленный с помощью печи-миксера 1, захватывается валками 3 и 4. При этом на поверхности обоймы 8, выполненной из прочного теплостойкого материала, и поверхностях водоохлаждаемых валков 3, 4 начинается кристаллизация металла. Далее закристаллизовавшийся в виде полой заготовки металл обжимается в закрытом калибре между валками и иглой 7, распрессовывается перед матрицей 6 и выдавливается в зазор между иглой и калибрующим пояском матрицы с образованием стенок трубы 17. The device operates as follows. The metal melted using the mixer furnace 1 is captured by the rolls 3 and 4. In this case, crystallization of the metal begins on the surface of the cage 8, made of durable heat-resistant material, and the surfaces of the water-cooled rolls 3, 4. Next, the metal crystallized in the form of a hollow billet is crimped in a closed gauge between the rollers and the needle 7, is pressed in front of the die 6 and squeezed out into the gap between the needle and the gauge girdle of the matrix with the formation of the pipe walls 17.

Пример. С помощью лабораторной установки на базе прокатного стана Дуо 200 моделировали процесс получения труб из алюминия марки А5 диаметром 8 мм с толщиной стенки 2 мм. Температура расплава составляла 680^oС, а температура прессования - около 520^oС. Прессование проводили с помощью плоских и камерных матриц с вытяжками μ по сварочной зоне 15, 25, 35. Из отпрессованных труб вырезали образцы для испытаний на растяжение, для чего трубу разворачивали, выбирали образцы в поперечном сечении и оценивали по результатам испытаний отношение временного сопротивления разрыву σ_в основного металла и металла сварного шва σ_вш, а также отношение относительного сужения основного металла ψ_в и металла сварного шва ψ_вш. Результаты механических испытаний приведены в таблице.Example. Using a laboratory installation on the basis of the Duo 200 rolling mill, we simulated the process of producing pipes from aluminum grade A5 with a diameter of 8 mm and a wall thickness of 2 mm. The melt temperature was 680 ^{° C.} and the pressing temperature was about 520 ^° C. The pressing was carried out using flat and chamber matrices with hoods μ along the welding zone 15, 25, 35. Tensile test specimens were cut from pressed pipes, for which the pipe was turned , selected samples in cross-section and the test results were evaluated by the ratio of the ultimate tensile strength σ _in the base metal and weld metal σ _HS, and also the ratio of contraction of the parent metal _into and ψ ψ _VSH weld metal. The results of the mechanical tests are shown in the table.

Таким образом, использование заявляемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить уровень механических свойств пресс-изделий и, тем самым, улучшить их качество. Thus, the use of the claimed device in comparison with the prototype allows to increase the level of mechanical properties of the press products and, thereby, improve their quality.

Claims (2)

1. Устройство для непрерывного литья и прессования полых профилей, включающее печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица с клиновидными охлаждаемыми полостями, отличающееся тем, что оно снабжено установленной соосно матрице длинномерной иглой с механизмом ее отвода, жестко закрепленной фиксатором и расположенной в обойме с каналами для подачи смазки, размещенными по периметру иглы, и выступами для запирания каналов, при этом в валках выполнены водоохлаждаемые полости. 1. A device for continuous casting and pressing of hollow profiles, comprising a mixer mixer, a roller with a stream and a roller with a protrusion, forming a working gauge, at the outlet of which a matrix with tapered cooled cavities is installed, characterized in that it is equipped with a long needle mounted coaxially with the matrix with its removal mechanism, rigidly fixed by a latch and located in a holder with channels for supplying lubricant located around the perimeter of the needle, and protrusions for locking the channels, while water-cooled polo is made in the rolls ty. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение критической рабочей длины иглы и диаметра валка с ручьем составляет 0,05-0,35. 2. The device according to p. 1, characterized in that the ratio of the critical working length of the needle and the diameter of the roll with a stream is 0.05-0.35.

Images