RU2755325C1 - Method for manufacturing and processing additive lining - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy and can be used in manufacture of lining. The method for manufacturing lining of a metal-melting or metal-pouring apparatus by the additive method includes forming heat-insulating, reinforcing and working layers of the lining by the shotcreting method using a 3D-printer. The layers of the lining are formed by layer-by-layer laying of mixtures corresponding in composition thereof to the laid layer of the lining. The mixtures are sequentially extruded from the printing head of the 3D-printer and laid layer by layer forming a predetermined geometry and thickness of the lining of said apparatus using a control code and in accordance with a computer 3D-model of the lining. After a predetermined amount of layers is applied and a predetermined thickness of the lining is obtained, the lining is smoothed using trowels or a roller.

EFFECT: increase in the accuracy of geometry and dimensions of the manufactured lining, increase in the speed of manufacture thereof and a possibility of automating the lining process are provided.

2 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области литейного, металлургического производства и теплоэнергетики, а именно к способам изготовления и обработки футеровки тепловых агрегатов, металлоплавильных и металлоразливочных устройств, электролизеров в алюминиевом производстве и других устройств, в том числе футеровки шлаковых чаш, сталеразливочных ковшей, индукционных печей, кислородных конвертеров и прочего оборудования металлургического производства (далее устройства) по аддитивной технологии с использованием 3D-принтеров.The invention relates to the field of foundry, metallurgical production and heat power engineering, in particular to methods of manufacturing and processing the lining of thermal units, metal-smelting and metal-casting devices, electrolyzers in aluminum production and other devices, including the lining of slag bowls, steel-pouring ladles, induction furnaces, oxygen converters and other equipment for metallurgical production (hereinafter referred to as devices) using additive technology using 3D printers.

Уровень техникиState of the art

Футеровка - это внутренний или внешний защитный слой оборудования, который наносится на него в целях создания надежной защиты от влияния негативных факторов эксплуатационной среды.Lining is an internal or external protective layer of equipment, which is applied to it in order to create reliable protection against the influence of negative factors of the operating environment.

В зависимости от целей назначения, футеровка может быть кислотоупорной, огнеупорной, теплоизоляционной, ударопрочной и иной.Depending on the purpose of the purpose, the lining can be acid-resistant, refractory, heat-insulating, shock-resistant and others.

В настоящее время наиболее распространенными способами футеровок металлоплавильных и металлоразливочных устройств являются: наборная (кирпичная шамотная) футеровка; набивная/заливная футеровка; футеровка в виде единого тигель/сегментной футеровки, футеровка, выполненная методом торкретированием бетона.At present, the most common methods of lining metal-smelting and metal-pouring devices are: type-setting (brick fireclay) lining; rammed / pouring lining; single crucible / segmented lining, shotcrete lining.

Кирпичная футеровка является широко применяемой традиционной футеровкой, но обладает целым рядом недостатков: необходимость частой смены футеровки, трудоемкость процесса футеровки, долгий процесс сушки и монтажа.Brick lining is a widely used traditional lining, but it has a number of disadvantages: the need for frequent replacement of the lining, laboriousness of the lining process, long drying and installation process.

Сегментная футеровка позволяет сэкономить время её монтажа, применяется при общем весе футеровки свыше тонны, но наличие швов, как и в случае традиционной кирпичной футеровки уменьшает ресурс.Segmental lining saves time for its installation, it is used with a total weight of the lining over a ton, but the presence of seams, as in the case of traditional brick lining, reduces the resource.

Футеровки в виде готового тигеля - это полностью готовая к применению футеровка, которая вставляется непосредственно в устройство. Преимущества данного вида футеровки по сравнению с другими технологиями: использование формованных футеровок даёт значительное сокращение времени футеровки; отпадает необходимость в долговременной сушке футеровок по сложному графику, нет необходимости использовать шаблоны, смесители и т.д., снижается зависимость качества футеровки от человеческого фактора, так как качество формованной футеровки гарантирует производитель.The finished crucible liner is a completely ready-to-use liner that is inserted directly into the device. The advantages of this type of lining in comparison with other technologies: the use of molded linings gives a significant reduction in lining time; there is no need for long-term drying of linings according to a complex schedule, there is no need to use templates, mixers, etc., the dependence of the quality of the lining on the human factor is reduced, since the quality of the molded lining is guaranteed by the manufacturer.

Однако футеровка в виде единого тигеля, устанавливаемого в устройство, не всегда применима в связи с постепенной эксплуатационной деформацией самих устройств. Кроме того, изготовление и монтаж тигелей больших размеров (свыше тонны) не удобны.However, the lining in the form of a single crucible installed in the device is not always applicable due to the gradual operational deformation of the devices themselves. In addition, the manufacture and installation of large crucibles (over a ton) is not convenient.

Технология выполнения набивной футеровки включает в себя установку в ковш специального шаблона с последующей набивкой огнеупорной массой.The technology of making the rammed lining includes the installation of a special template into the ladle, followed by filling with a refractory mass.

Технология выполнения заливной футеровки включает в себя установку в ковш специального шаблона с дальнейшей закладкой жидкой массы в шаблон, которая под действием силы тяжести и вибрации заполняет форму. После затвердевания материала шаблон удаляется и происходит сушка по заданному температурному режиму.The technology of filling the lining includes the installation of a special template into the ladle with further filling of the liquid mass into the template, which fills the mold under the action of gravity and vibration. After the material has hardened, the template is removed and drying takes place at a predetermined temperature regime.

Преимущества набивной и заливной футеровок по сравнению с кирпичной шамотной футеровкой: снижение времени подготовки ковша, увеличение стойкости футеровки в 2 и более раза, повышение технологичности подготовки устройства к эксплуатации.The advantages of rammed and flooded linings in comparison with brick fireclay lining: reduction in ladle preparation time, increase in lining durability by 2 or more times, increase in the manufacturability of preparing the device for operation.

Нанесение футеровки с помощью торкрет-установок технологично и позволяет формировать футеровки больших линейных размеров, в т.ч. по толщине, за счёт нанесения нескольких слоёв торкретбетона, однако тоже имеет ряд недостатков, таких как: сложность получения равномерного по толщине слоя футеровки, необходимость подготовительного армирования при формировании значительного по толщине рабочего слоя.The application of the lining with the help of shotcrete installations is technologically advanced and allows the formation of linings of large linear dimensions, incl. in thickness, due to the application of several layers of shotcrete, however, it also has a number of disadvantages, such as: the difficulty of obtaining a uniform lining layer in thickness, the need for preparatory reinforcement when forming a working layer with a significant thickness.

Для обеспечения минимальных тепловых потерь и высокой стойкости при относительно небольшой массе применяются многослойные тонкостенные футеровки. Трёхслойная футеровка состоит из теплоизоляционного (выравнивающего), арматурного и рабочего слоёв, выполняемых из различных материалов, определяющих конструкцию футеровки днища и стен в соответствии с условиями эксплуатации металлоплавильных и металлоразливочных устройств.To ensure minimum heat losses and high resistance with a relatively low weight, multilayer thin-walled linings are used. The three-layer lining consists of heat-insulating (leveling), reinforcing and working layers made of various materials that determine the design of the bottom and wall lining in accordance with the operating conditions of metal-melting and metal-pouring devices.

Известные традиционные способы не позволяют технологично формировать эти слои, изготавливать монолитную футеровку с точно заданной геометрией и толщиной покрытий.Known traditional methods do not allow technologically to form these layers, to produce a monolithic lining with a precisely specified geometry and thickness of the coatings.

Основой технологии 3D-печати являются принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта, в результате которой объект формируется путем послойной укладки строительного материала на высоту сформированного слоя, до создания заданной геометрии изделия полностью, соответствующей компьютерной 3D-модели.The basis of the 3D printing technology is the principle of layer-by-layer creation (growth) of a solid object, as a result of which the object is formed by layer-by-layer laying of the building material to the height of the formed layer, until the given geometry of the product is created completely corresponding to the computer 3D model.

В технологии трехмерной печати изделий могут использоваться различные материалы: металлические и керамические порошки, жидкие смолы, воск, пластик, различные листовые материалы, композитные материалы (из соединений целлюлозы, специальных волокон и других добавок, смесь литейного песка и добавок), строительные смеси на основе цемента, гипса, шамотной глины.In the technology of three-dimensional printing of products, various materials can be used: metal and ceramic powders, liquid resins, wax, plastic, various sheet materials, composite materials (from cellulose compounds, special fibers and other additives, a mixture of foundry sand and additives), building mixtures based on cement, gypsum, fireclay clay.

Во всех известных случаях, независимо от конструкции принтера (портальная, с угловыми координатами на базе роботов-манипуляторов), принтеры оснащены экструдерами, позволяющими одновременно подавать смеси, накапливать смесь, дозировать её с применением исполнительных устройств на базе ЧПУ, при необходимости вводить различные добавки непосредственно в экструдер, исключать самопроизвольное вытекание строительной смеси запорным клапаном, подмешивать строительную смесь в ёмкости экструдера во избежание расслаивания и комкования смеси, использовать различные по своим характеристикам и назначению смеси.In all known cases, regardless of the design of the printer (gantry, with angular coordinates based on robotic manipulators), the printers are equipped with extruders that allow you to simultaneously feed mixtures, accumulate the mixture, dose it using CNC-based actuators, and, if necessary, introduce various additives directly into the extruder, exclude the spontaneous outflow of the building mixture with a shut-off valve, mix the building mixture in the container of the extruder in order to avoid delamination and clumping of the mixture, use mixtures that are different in their characteristics and purpose.

Из уровня техники известно изготовление футеровок традиционными способами, например, изготовление футеровки сталеплавильного конвертера из кирпича (см. [1] патент РФ №2291902, МПК C21C 5/44, опубл. 20.03.2013). В опубликованном патенте представлено описание последовательности и устройства футеровки путём выкладки теплоизоляционного слоя, арматурного слоя и рабочего слоя кирпичами из различных огнеупорных материалов.It is known from the prior art to manufacture linings by traditional methods, for example, to manufacture a lining of a steelmaking converter from bricks (see [1] RF patent No. 2291902, IPC C21C 5/44, publ. 03/20/2013). The published patent describes the sequence and arrangement of the lining by laying out the heat-insulating layer, the reinforcing layer and the working layer with bricks from various refractory materials.

Недостатками данного аналога являются:The disadvantages of this analogue are:

- трудоёмкость процесса футеровки и влияние «человеческого фактора» в результате применения ручного труда;- labor intensity of the lining process and the influence of the "human factor" as a result of the use of manual labor;

- долгое время проведения кирпичной кладки футеровки, что влияет на длительность простоя устройства на ремонте;- a long time spent on the brickwork of the lining, which affects the duration of the downtime of the device for repair;

- неоднородность футеровки, вызванной наличием стыков между кирпичами, заполненных огнеупорными составами, часто неуплотнёнными и рыхлыми по структуре, что влияет на количество циклов и ресурс;- heterogeneity of the lining caused by the presence of joints between bricks filled with refractory compounds, often unconsolidated and loose in structure, which affects the number of cycles and resource;

- низкая износостойкость футеровки;- low wear resistance of the lining;

- низкая адгезия между корпусом устройства, теплоизоляционным, арматурным и рабочим слоями;- low adhesion between the device body, heat-insulating, reinforcing and working layers;

- сложность контроля геометрии футеровки;- the complexity of the control of the geometry of the lining;

- сложность изготовления и интеграции коммуникаций металлоплавильных и металлоразливочных устройств.- the complexity of the manufacture and integration of communications for metal-smelting and metal-casting devices.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является способ изготовления футеровки сталеразливочного ковша (см. [2] патент РФ №2558703, МПК B22D 41/02, опубл. 08.10.2013). В патенте представлено описание способа изготовления монолитной футеровки методом торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя. В данном решении предложено нанесение только рабочего слоя футеровки.The closest analogue to the claimed invention in terms of a set of features taken as a prototype is a method for manufacturing a steel-pouring ladle lining (see [2] RF patent No. 2558703, IPC B22D 41/02, publ. 08.10.2013). The patent describes a method for manufacturing a monolithic lining by gunning with subsequent compaction of the applied layer. In this solution, it is proposed to apply only the working layer of the lining.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

• не предусмотрено изготовление монолитных теплоизоляционного и арматурного слоёв;• production of monolithic heat-insulating and reinforcing layers is not provided;

• изготавливается только футеровка цилиндрических поверхностей устройств (стенок) и невозможно изготовить монолитное дно устройства;• only the lining of the cylindrical surfaces of the devices (walls) is made and it is impossible to make a monolithic bottom of the device;

• невозможно изготовить сложные по конфигурации выступы и каналы;• it is impossible to make protrusions and channels of complex configuration;

• можно регулировать толщину футеровки, но невозможно изготовить футеровку с разной толщиной в разных местах устройства;• it is possible to adjust the thickness of the lining, but it is impossible to make the lining with different thickness in different places of the device;

• невозможно использовать различные материалы для изготовления различных слоёв футеровки: теплоизоляционного, арматурного и рабочего.• it is impossible to use different materials for the manufacture of different layers of lining: heat-insulating, reinforcing and working.

• поверхность футеровки не гладкая• the surface of the lining is not smooth

• материал футеровки вблизи поверхности не уплотнённый• the lining material near the surface is not compacted

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является устранение недостатков аналогов и расширение функциональных возможностей.The technical problem facing the invention is to eliminate the disadvantages of analogs and expand the functionality.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности геометрии и размеров изготавливаемой футеровки, значительное увеличение скорости изготовления футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств, автоматизация процесса футеровки, возможность быстрой переналадки оборудования (3D-принтера) для футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств разной геометрии, возможность непрерывного последовательного проведения футеровки теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоёв различными материалами, возможность устройства футеровки разной толщины в разных местах устройства, возможность уплотнения футеровки, возможность уплотнять и заглаживать поверхность футеровки.The technical result of the claimed invention is an increase in the accuracy of the geometry and dimensions of the manufactured lining, a significant increase in the production rate of the lining of metal-smelting and metal-casting devices, automation of the lining process, the possibility of a quick changeover of equipment (3D-printer) for lining metal-melting and metal-casting devices of different geometries, the possibility of continuous sequential lining heat-insulating, reinforcing and working layers with different materials, the possibility of arranging lining of different thickness in different places of the device, the possibility of sealing the lining, the ability to compact and smooth the surface of the lining.

Согласно изобретению, техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ изготовления и обработки аддитивной футеровки включает формирование теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки для металлоплавильного или металлоразливочного устройства, причем нанесение и формирование слоев футеровки выполняют послойным торкретированием смесей, соответствующих по своему составу укладываемому слою, с помощью 3D-принтера, последовательно экструдируя смеси из печатающей головки 3D-принтера и укладывая послойно, формируя заданную геометрию футеровки устройства с помощью управляющего кода и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.According to the invention, the technical problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the method of manufacturing and processing an additive lining includes the formation of heat-insulating, reinforcing and working layers of a lining for a metal-melting or metal-casting device, and the application and formation of lining layers is performed by layer-by-layer gunning of mixtures corresponding to the composition of the layer to be laid, using a 3D printer, sequentially extruding mixtures from the print head of a 3D printer and stacking in layers, forming a given geometry of the device lining using a control code and in accordance with a computer 3D model of the lining.

При формировании футеровки принтером проводится заглаживание и уплотнение поверхностного слоя, что увеличивает ресурс футеровки.When forming the lining, the printer smoothes and compresses the surface layer, which increases the life of the lining.

Заглаживание может проводится заглаживающими лопатками или валиком. При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.Smoothing can be carried out with smoothing blades or a roller. In this case, the compaction of the surface layer is achieved either by pressing the blades into the surface of the lining, or by cold-working with a roller, while an increase in the sealing effect can be achieved by multiple passes over the surface, or by vibration.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что при формировании теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки применяют состав смеси, соответствующий составу слоя, смену которых в печатающей головке 3D-принтера осуществляют автоматически при помощи заранее заданной компьютерной модели, в результате чего образуют монолитную конструкцию футеровки.Also, the technical problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that when forming the heat-insulating, reinforcing and working layers of the lining, a mixture composition is used that corresponds to the composition of the layer, the change of which in the print head of a 3D printer is carried out automatically using a predetermined computer model, as a result which form a monolithic lining structure.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что посредством компьютерного 3D-моделирования изготавливают футеровки различной толщины в разных частях металлоплавильных и металлоразливочных футеровках устройств в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.Also, the technical problem is being solved, and the technical result is achieved due to the fact that, by means of computer 3D modeling, linings of various thicknesses are made in different parts of metal-smelting and metal-pouring linings of devices in accordance with a computer 3D model of the lining.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью 3D-принтеров (высокоточного ЧПУ-оборудования) изготавливают футеровки с высокой геометрической точностью.Also, the technical problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that with the help of 3D printers (high-precision CNC equipment), linings are made with high geometric accuracy.

Также техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью 3D-принтеров по заданной 3D-модели изготавливают сложные по своей геометрии выступы и каналы в футеровке устройств в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.Also, the technical problem is being solved, and the technical result is achieved due to the fact that with the help of 3D printers, according to a given 3D model, protrusions and channels, complex in their geometry, are made in the lining of devices in accordance with a computer 3D model of the lining.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фиг. 1 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки индукционной сталеплавильной печи.FIG. 1 is a sequence of fabrication and processing of an induction steelmaking furnace additive lining.

На фиг. 2 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки кислородного конвертера.FIG. 2 is a sequence of fabrication and processing of an oxygen converter additive lining.

На фиг. 3 - последовательность изготовления и обработки аддитивной футеровки сталеразливочного ковша.FIG. 3 - the sequence of manufacturing and processing of the additive lining of the steel-pouring ladle.

На фигурах обозначены следующие позиции.The following positions are indicated in the figures.

1 – 3D-принтер для печати футеровки методом торкретирования (послойного набрызга);1 - 3D printer for printing lining by gunning (layer-by-layer spraying);

2 - индукционная сталеплавильная печь;2 - induction steel-making furnace;

3 - кислородный конвертер;3 - oxygen converter;

4 - сталеразливочный ковш;4 - steel-pouring ladle;

5 - теплоизоляционный слой футеровки;5 - heat-insulating layer of the lining;

6 - арматурный слой футеровки;6 - reinforcing layer of the lining;

7 - рабочий слой футеровки.7 - working layer of the lining.

8 - механизм для уплотнения и заглаживания поверхности в виде прикатывающего валика.8 - a mechanism for compacting and smoothing the surface in the form of a press roller.

9 - механизм для уплотнения и заглаживания поверхности в виде заглаживающих лопаток9 - a mechanism for compacting and smoothing the surface in the form of smoothing blades

10 - экструдер принтера, наносящий смеси методом торкретирования (послойного набрызга).10 - printer extruder, applying mixtures by gunning (layer-by-layer spraying).

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки включает формирование теплоизоляционного (5), арматурного (6) и рабочего слоев (7) футеровки для металлоплавильного или металлоразливочного устройства с помощью 3D-принтера.A method of manufacturing and processing an additive lining includes the formation of heat-insulating (5), reinforcing (6) and working layers (7) of a lining for a metal-melting or metal-pouring device using a 3D printer.

Изготовление (печать) футеровки с помощью 3D-принтеров, например, строительных, по аддитивной технологии (технологии послойного нанесения в данном случае методом торкретирования) позволяют формировать теплоизоляционные, арматурные и рабочие слои металлоплавильных и металлоразливочных устройств из различных материалов, применяемых в этих слоях, с точно заданной геометрией футеровки, необходимыми толщинами слоёв, позволяет автоматизировать процесс футеровки, значительно сократить время и влияние «человеческого фактора».Manufacturing (printing) of lining using 3D printers, for example, construction ones, using additive technology (layer-by-layer application in this case by gunning) allows the formation of heat-insulating, reinforcing and working layers of metal-melting and metal-pouring devices from various materials used in these layers, with Precisely specified geometry of the lining, the required thickness of layers, allows you to automate the process of lining, significantly reduce the time and the impact of the "human factor".

Для печати теплоизоляционного (выравнивающего) слоя можно применять, но не только: шамотноглинистые или кварцеглинистые порошки, увлажнённые до 7-10%. Материал для печати наносится послойно методом торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя на всю внутреннюю поверхность устройства. Выравнивание поверхности (в случае неидеальной геометрии металлоплавильных и металлоразливочных устройств) при укладке теплоизоляционного слоя может производиться автоматически с корректировкой геометрии на основе данных измерения устройства, например, но не только, сканированием. Для снижения потерь тепла при основной футеровке теплоизоляционный слой можно печатать, например, из, но не только, асбестосодержащих или каолиновых материалов.For printing a heat-insulating (leveling) layer, you can use, but not only: fire clay or quartz clay powders, moistened to 7-10%. The material for printing is applied layer-by-layer by gunning, followed by compaction of the applied layer on the entire inner surface of the device. Surface leveling (in the case of imperfect geometry of metal-smelting and metal-pouring devices) when laying the heat-insulating layer can be performed automatically with geometry correction based on the measurement data of the device, for example, but not only by scanning. To reduce heat loss in the main lining, the thermal insulation layer can be printed from, for example, but not limited to, asbestos or kaolin materials.

Арматурный слой обеспечивает тепловую изоляцию для создания стабильных условий разливки, а также гарантирует безопасность в случае нарушения рабочего слоя. Печать арматурного слоя выполняют, например, из, но не только, шамотноглинистых материалов. Толщина этого слоя может формироваться послойно за несколько проходов печатающей головки и тем самым варьироваться при необходимости по толщине. Арматурный слой днища можно формировать одновременно с изготовлением арматурного слоя стенок устройства, поскольку не требуется нахождения персонала внутри самого устройства для выполнения футеровки. Соответственно исключаются стыки днища со стенками футеруемого устройства, что повышает его надёжность и ресурс. Традиционно футеровка днища проводится отдельно, и стык футеровки днища с футеровкой стенок является технологически слабым местом.The reinforcement layer provides thermal insulation to create stable casting conditions, and also guarantees safety in the event of a breach of the working layer. The printing of the reinforcing layer is performed, for example, from, but not only, chamotte-clay materials. The thickness of this layer can be formed in layers in several passes of the print head and thus vary, if necessary, in thickness. The bottom reinforcement layer can be formed simultaneously with the fabrication of the reinforcement layer of the device walls, since no personnel is required inside the device itself to make the lining. Accordingly, the joints of the bottom with the walls of the lined device are excluded, which increases its reliability and resource. Traditionally, the bottom lining is carried out separately, and the joint of the bottom lining with the wall lining is a technologically weak point.

Рабочий слой футеровки, который находится в непосредственном контакте с расплавом, изнашивается быстро, определяя общую стойкость устройства. При определении необходимой печатаемой толщины рабочего слоя учитывается топография его износа по высоте и периметру устройства. Огнеупоры изнашиваются неравномерно. Например, в металлоразливочных устройствах повышенный износ огнеупоров наблюдается в районе шлакового пояса и в нижних поясах стенок. Это связано с более продолжительным воздействием расплава на нижние участки футеровки и большим гидростатическим давлением, повышающим пропитку огнеупоров металлом. Нанесение футеровки с помощью 3D-принтеров, позволяют за счёт нанесения (торкретирования) дополнительных слоёв формировать более толстый рабочий слой в этих частях металлоплавильных и металлоразливочных устройств.The working layer of the lining, which is in direct contact with the melt, wears out quickly, determining the overall durability of the device. When determining the required printable thickness of the working layer, the topography of its wear along the height and perimeter of the device is taken into account. Refractories wear unevenly. For example, in metal-casting devices, increased wear of refractories is observed in the area of the slag belt and in the lower belts of the walls. This is due to the longer exposure of the lower parts of the lining to the melt and the high hydrostatic pressure, which increases the metal impregnation of the refractories. Applying a lining with the help of 3D printers allows, due to the application (gunning) of additional layers, to form a thicker working layer in these parts of metal-melting and metal-pouring devices.

Кроме вышеперечисленного, аддитивная технология позволяет формировать сложные поверхности внутри металлоплавильных и металлоразливочных устройств, например, но не только, уступы на днище металлоразливочных ковшов, которые задерживают шлак и каналы, которые направляют металл к выпускному отверстию.In addition to the above, additive technology allows the formation of complex surfaces inside metal smelters and pouring devices, for example, but not limited to, ledges on the bottom of metal pouring ladles, which trap slag and channels that direct metal to the outlet.

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки металлоплавильных и металлоразливочных устройств осуществляется формированием слоев футеровки методом послойного торкретирования с последующим уплотнением нанесённого слоя с помощью 3D-принтера. Последовательно послойно формируются теплоизоляционный (5), арматурный (6) и рабочий (7) слои устройств.The method of manufacturing and processing the additive lining of metal-smelting and metal-pouring devices is carried out by the formation of lining layers by layer-by-layer shotcrete, followed by compaction of the applied layer using a 3D printer. The heat-insulating (5), reinforcing (6) and working (7) layers of devices are sequentially formed layer by layer.

Смеси последовательно экструдируются методом послойного торкретирования из печатающей головки (10) 3D-принтера, формируя заданную геометрию футеровки металлоплавильного или металлоразливочного устройства в соответствии с управляющим кодом и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки, при этом получаем монолитную конструкцию футеровки.The mixtures are successively extruded by layer-by-layer gunning from the printing head (10) of a 3D printer, forming a given geometry of the lining of a metal-melting or metal-casting device in accordance with the control code and in accordance with a computer 3D model of the lining, thus obtaining a monolithic lining structure.

После нанесения необходимого количества слоёв и получения заданной толщины футеровки проводится заглаживание заглаживающими лопатками (9) или валиком (8). При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.After applying the required number of layers and obtaining the specified thickness of the lining, smoothing is carried out with smoothing blades (9) or a roller (8). In this case, the compaction of the surface layer is achieved either by pressing the blades into the surface of the lining, or by cold-working with a roller, while an increase in the sealing effect can be achieved by multiple passes over the surface, or by vibration.

3D-принтер (1) может устанавливаться на само устройство, в качестве примера на Фиг. 1 приведена установка 3D-принтера на корпусе индукционной сталеплавильной печи (2), на Фиг. 2 приведена установка 3D-принтера на корпус кислородного конвертера (3), на Фиг. 3 приведена установка 3D-принтера над корпусом сталеразливочного ковша (4).The 3D printer (1) can be installed on the device itself, as an example in FIG. 1 shows the installation of a 3D printer on the body of an induction steel-making furnace (2), Fig. 2 shows the installation of a 3D printer on the body of the oxygen converter (3), Fig. 3 shows the installation of a 3D printer over the body of a steel-pouring ladle (4).

3D-принтер (1) может размещаться в цехе, где производится футеровка, а само устройство, например, сталеразливочный ковш (4) во время футеровки размещается в рабочем поле принтера.The 3D printer (1) can be located in the workshop where the lining is made, and the device itself, for example, the steel-pouring ladle (4), during the lining is placed in the working area of the printer.

Автоматизация процесса футеровки заключается в том, что сама футеровка создается в виде компьютерной 3D-модели, учитывающей геометрию устройства, создание управляющего кода для 3D-принтера и печати футеровки в автоматическом режиме с минимальным участием человека, позволяющим исключить «человеческий фактор» и получить высокое качество и точную геометрию футеровки.Automation of the lining process consists in the fact that the lining itself is created in the form of a computer 3D model that takes into account the geometry of the device, the creation of a control code for a 3D printer and printing of the lining in an automatic mode with minimal human intervention, which allows eliminating the "human factor" and obtaining high quality and precise lining geometry.

Использование компьютерного моделирования и применение 3D-принтеров (1) позволяет изготавливать сложную футеровку различной толщины в разных частях металлоплавильных и металлоразливочных устройств. Кроме того, при печати футеровки на 3D-принтерах возможно изготовление сложных по своей геометрии выступов и каналов устройств.The use of computer modeling and the use of 3D printers (1) makes it possible to manufacture complex lining of various thicknesses in different parts of metal-melting and metal-pouring devices. In addition, when printing a lining on 3D printers, it is possible to manufacture protrusions and channels of devices that are complex in their geometry.

Применение 3D-принтера (1) позволяет применять для разных слоёв футеровки (теплоизоляционного (5), арматурного (6) и рабочего (7)) различные по своему составу смеси, смена которых в экструдере 3D-принтера может осуществляться автоматически и многократно.The use of a 3D printer (1) makes it possible to use mixtures of different composition for different lining layers (heat-insulating (5), reinforcing (6) and working (7)), which can be changed automatically and repeatedly in the extruder of a 3D printer.

Для печати футеровок различного назначения могут применяться, но не только, следующие материалы: цемент (портландцемент), песок (двуокись кремния, оливин, хромит, циркон, глинозем, муллит, муллитокорунд, кварцевое стекло, шамот, шпинель, корундошпинель, корундокварцит), гипс, асбест, модифицирующие, антизамерзающие, гидрофобные и огнестойкие добавки, пластификаторы, фиброволокна, ускорители (замедлители) отвердевания, воду, и композитные материалы на основе лигнина и целлюлозы.For printing linings for various purposes, the following materials can be used, but not only, the following materials: cement (Portland cement), sand (silicon dioxide, olivine, chromite, zircon, alumina, mullite, mullite corundum, quartz glass, chamotte, spinel, corundum-spinel, corundum quartzite), gypsum , asbestos, modifying, anti-freezing, hydrophobic and fire-resistant additives, plasticizers, fiber fibers, hardening accelerators (retarders), water, and composite materials based on lignin and cellulose.

Способ изготовления и обработки аддитивной футеровки осуществляется следующим образом.The method of manufacturing and processing an additive lining is carried out as follows.

На оборудование литейного, металлургического или др. производства, такого как индукционно-сталеплавильная печь, кислородный конвертор, сталеразливочный ковш устанавливают 3D-принтер.A 3D printer is installed on equipment foundry, metallurgical or other production, such as an induction steel furnace, an oxygen converter, a steel-pouring ladle.

Необходимая смесь для футеровки подаётся в экструдер (10) (печатающую головку) принтера (1), способного наносить футеровочные материалы методом торкретирования, установленного на/около металлоплавильного или металлоразливочного устройства, например, но не только: на корпусе индукционной сталеплавильной печи (2), на корпусе кислородного конвертера (3), над сталеразливочным ковшом (4).The required mixture for the lining is fed into the extruder (10) (print head) of the printer (1), capable of applying lining materials by the gunning method, installed on / near the metal-melting or metal-casting device, for example, but not only: on the body of the induction steel-making furnace (2), on the body of the oxygen converter (3), above the steel-pouring ladle (4).

В принтер загружается управляющий код, трёхмерной компьютерной модели футеровки и 3D-принтер в соответствии с командами управляющего кода формирует слои футеровки, например, но не только: теплоизоляционный (5), арматурный (6) и рабочий (7).The printer is loaded with a control code, a three-dimensional computer model of the lining and a 3D printer, in accordance with the commands of the control code, forms lining layers, for example, but not only: heat-insulating (5), reinforcing (6) and working (7).

После торкретирования необходимого количества слоёв из печатающей головки (10) принтера и получения заданной толщины футеровки проводится заглаживание заглаживающими лопатками (9) или валиком (8). При этом уплотнение поверхностного слоя достигается либо за счёт вдавливания лопаток в поверхность футеровки, либо нагартовывания валиком, при этом увеличение уплотняющего эффекта может достигаться многократным проходом по поверхности, либо вибрированием.After gunning the required number of layers from the print head (10) of the printer and obtaining the specified thickness of the lining, smoothing is carried out with smoothing blades (9) or a roller (8). In this case, the compaction of the surface layer is achieved either by pressing the blades into the surface of the lining, or by cold-working with a roller, while an increase in the sealing effect can be achieved by multiple passes over the surface, or by vibration.

Причинно-следственная связь между техническим результатом и существенными признаками формулы изобретения заключается в следующем:The causal relationship between the technical result and the essential features of the claims is as follows:

- достижение высокого качества механических характеристик футеровки за счёт её монолитного исполнения, возможности формирования любого количества слоёв футеровки, благодаря возможности смены различных по своему составу смесей;- achievement of high quality mechanical characteristics of the lining due to its monolithic design, the possibility of forming any number of lining layers, due to the possibility of changing mixtures of different composition;

- достижение высокой точности геометрических размеров за счёт применения для футеровки 3D-принтера с элементами ЧПУ.- achieving high accuracy of geometric dimensions due to the use of a 3D printer with CNC elements for the lining.

- возможности печати сложных по форме элементов футеровки, таких как выступов и каналов устройств.- the ability to print complex lining elements, such as protrusions and channels of devices.

- возможность заглаживания и уплотнения поверхности футеровки за счёт применения заглаживающих лопаток или валиков.- the possibility of smoothing and compacting the lining surface due to the use of smoothing blades or rollers.

Claims (2)

1. Способ изготовления футеровки металлоплавильного или металлоразливочного устройства аддитивным методом, включающий формирование теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки, отличающийся тем, что формирование слоев футеровки выполняют послойной укладкой смесей, соответствующих по своему составу укладываемому слою футеровки, методом торкретирования с помощью 3D-принтера, последовательным экструдированием смеси из печатающей головки 3D-принтера и послойной укладкой с формированием заданной геометрии и толщины футеровки устройства с помощью управляющего кода и в соответствии с компьютерной 3D-моделью футеровки.1. A method of manufacturing a lining of a metal-smelting or metal-casting device by the additive method, including the formation of heat-insulating, reinforcing and working layers of the lining, characterized in that the formation of lining layers is performed by layer-by-layer stacking of mixtures corresponding in their composition to the laid lining layer, by gunning using a 3D printer, sequential extrusion of the mixture from the print head of a 3D printer and layer-by-layer stacking with the formation of a given geometry and thickness of the device lining using a control code and in accordance with a computer 3D model of the lining. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев футеровки применяют заглаживающие лопатки или валики, обеспечивающие получение уплотнённой и гладкой поверхности футеровки.2. The method according to claim 1, characterized in that during the formation of the heat-insulating, reinforcing and working layers of the lining, smoothing blades or rollers are used to obtain a compacted and smooth surface of the lining.

Images