WO2024049331A1 - Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов - Google Patents

Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов Download PDF

Info

Publication number
WO2024049331A1
WO2024049331A1 PCT/RU2023/050203 RU2023050203W WO2024049331A1 WO 2024049331 A1 WO2024049331 A1 WO 2024049331A1 RU 2023050203 W RU2023050203 W RU 2023050203W WO 2024049331 A1 WO2024049331 A1 WO 2024049331A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
casting
coolant
crystallizer
thermal
cylindrical
Prior art date
Application number
PCT/RU2023/050203
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Виктор Федорович ФРОЛОВ
Леонид Петрович ТРИФОНЕНКОВ
Александр Геннадьевич ПЕЛЕВИН
Антон Ильич БАРАНОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Объединенная Компания Русал Инженерно -Технологический Центр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2022123454A external-priority patent/RU2788042C1/ru
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Объединенная Компания Русал Инженерно -Технологический Центр" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Объединенная Компания Русал Инженерно -Технологический Центр"
Publication of WO2024049331A1 publication Critical patent/WO2024049331A1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/041—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for vertical casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/049—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for direct chill casting, e.g. electromagnetic casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/055—Cooling the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/07—Lubricating the moulds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/124—Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/06—Ingot moulds or their manufacture
    • B22D7/064—Cooling the ingot moulds

Definitions

  • the invention relates to metallurgy, in particular to foundry, and can be used for casting liquid metal, preferably from aluminum alloys, into cylindrical ingots on vertical casting machines of both semi-continuous and continuous casting with direct cooling of the ingots with water.
  • Casting machines for casting cylindrical ingots provide simultaneous casting of a large number of ingots due to the installation of molds in rows with the distribution of metal over a common collector evenly for each ingot.
  • Liquid metal is poured into the crystallizers through refractory bushings connected to a common manifold and ensuring the same metal consumption.
  • a movable a seed that provides the initial filling of metal to begin the formation of the bottom part of the ingot.
  • Crystallization of the metal begins when it touches the walls of the crystallizer with the formation of a primary crust, the thickness of which will depend on the diameter of the crystallizer, its height, casting speed and coolant flow rate entering through the channels of the crystallizer walls from the inside. Crystallization, during which the walls of the future ingot are formed without direct contact with the coolant, is called basic or primary. During secondary crystallization, the final formation of the ingot occurs due to the direct supply of water to the surface of the ingot walls.
  • Crystallization in the primary cooling zone is carried out with a liquid refrigerant in accordance with the well-known early technology, when the used refrigerant is directed through a common chamber in which the crystallizers are installed, into the crystallizer chamber, from where through the internal channels of the crystallizer into the secondary cooling zone directly onto the forming ingot.
  • the crystallizer chamber is formed by an assembly of individual elements with the installation of intermediate seals ensuring sufficient tightness of the connections. However, even if sufficient force was applied when installing the mold to deform the seals, over time they will wear out and leaks may still occur, which can lead to serious accidents and injuries on the job.
  • the crystallizer contains a casting chamber lined with permeable elements for supplying oil, has a sprue for supplying the melt, a primary cooling zone of the casting chamber and a secondary cooling zone, which is located directly below the primary cooling zone and in which direct cooling of the ingot with water is provided.
  • the device is also equipped with an additional circuit for supplying compressed air, the channel of which is connected to the channel for supplying coolant entering the secondary cooling zone. When compressed air is supplied, water is released into the secondary cooling zone, thereby breaking off the steam jacket on the surface of the cast ingot and improving cooling.
  • the disadvantage of this device is that the air supplied to the system squeezes water not only towards the ingot being cast, but also into the chamber from which the water comes. Refilling the channels with water takes some time, during which time the cast ingot will not cool.
  • the patent RU 113685 published on February 27, 2012, indicates that to expand the range of control of the cooling intensity of the ingot, increasing the rate of heat transfer and heat removal through the wall of the mold, improving the quality of the cast surface of the ingot, increasing the crust on the surface of the ingot, reducing surface segregation influxes and the depth of non-stinting (or the deep end of segregation strips), the mold is made with a reduced taper, and the body is made with a receiving chamber and distribution of coolant, isolated and concentrically located relative to each other, the annular chamber of initial cooling and the annular chamber of additional cooling, while the flow of coolant into the initial cooling chamber is carried out through separate supply channels through the chamber for receiving and distributing the coolant, and the lower end of the initial cooling chamber and
  • the additional cooling chamber is formed by a common removable liner, in which an annular belt of outlet holes of the initial cooling chamber and an annular belt of outlet holes of the additional cooling chamber are made.
  • the problem is solved by the fact that in a device for continuous vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys, containing a mold, a housing with cooling chambers, inlet and outlet cooling channels, a liquid lubricant supply system, a coolant receiving and distribution chamber, and isolated and an annular initial cooling chamber and an annular additional cooling chamber located concentrically relative to each other.
  • the device is equipped with supply channels for the flow of coolant into the initial cooling chamber through the chamber for receiving and distributing coolant, two pipes for supplying coolant to the chamber for receiving and distributing coolant, and two pipes for supplying coolant into the additional cooling chamber, the lower end of the chamber initial cooling and additional cooling chambers cooling is formed by a common removable liner, in which an annular belt of outlet holes of the initial cooling chamber and an annular belt of holes of the additional cooling chamber are made.
  • a device for casting round ingots of aluminum and aluminum alloys containing a crystallizer of the primary cooling zone, a zone of secondary direct cooling of the ingot with water, which comes from holes located in the lower part of the mold and a movable tray, in this case, water is supplied to the crystallizer through pipes arranged in series and installed at an angle of 30° to the cylindrical generatrix surface, while the ratio of the height of the cross-section of the pipe opening to the width is 3.5: 1.0.
  • the proposed design of the device prevents the possible formation of vapor locks and local disturbances of the liquid in the mold, which helps to increase the speed of liquid movement, uniform heat removal from the surface of the mold and reduce the likelihood of the formation of hot and cold cracks when casting ingots from aluminum alloys.
  • this device also does not solve the problem of stabilizing the heat balance of the mold, which significantly affects the quality of the cast ingots.
  • Crystallizers of the JASPER Company are also known, presented on the official website jasper-gmbh.de, the disadvantage of which is that although they are installed on top of the casting table and their thermal nozzle does not border on water, but due to the design of the casting equipment, trays for dispensing
  • the liquid melt in the crystallizers must be removed each time the crystallizer is replaced.
  • part of the ceramic seal (fiber) has to be removed, this leads to the seal getting into the melt and then into the mold, which can subsequently lead to defects in the cast ingot.
  • a technical solution is known according to patent RU 2268105, published on January 20, 2006, which describes a device for cooling a direct-flow crystallizer of an installation for semi-continuous casting of metal, in particular aluminum, containing at least one crystallizer, open at the top, mounted in a frame combined with water distribution box, and a movable tray covering the crystallizer from below at the beginning of each stage of the operation.
  • the crystallizer contains a casting chamber lined with permeable elements for supplying oil and/or gas, has a sprue for supplying the melt, a primary cooling zone of the casting chamber and a secondary cooling zone, which is located directly below the primary cooling zone and in which direct cooling of the ingot with water is provided.
  • the device is also equipped with a separate crystallizer re-cooling circuit, containing at least one cooling channel in the crystallizer wall and a piping system for supplying and discharging coolant.
  • the device is additionally equipped with a separate crystallizer re-cooling circuit containing at least one cooling channel in the crystallizer wall, two sealing rings installed above the cooling channel and/or cooling chamber, and a channel or drilled hole made between the sealing rings, passing through the wall of the water distribution box and designed to drain water flowing past the first of the sealing rings.
  • RU2268105 describes a more improved design of the crystallizer installation, which differs, for example, from US patent 4597432 in that in the channel that drains water when refrigerant leaks from the crystallizer chamber a sensor is installed to detect water leakage, connected to a drilled hole made between the O-rings, and a light source or sound signal to generate a leakage warning signal.
  • a disadvantage in this crystallizer design is the installation of a double set of o-rings, with a drilled hole for each crystallizer, ensuring water drainage through the wall of the water distribution box directly outward from the side of the casting installation frame, which complicates the design, as does the installation of a resistive sensor to detect water leakage connected to the drilled hole.
  • the proposed invention for a mold for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys has the following technical differences from the prototype:
  • the supply of coolant from the casting machine table to the crystallizer is implemented in such a way that there is no risk of getting coolant into the molten metal.
  • This is implemented using a bypass channel that transfers coolant from the casting machine table to the mold body, unlike the prototype, where the coolant is supplied directly from the casting machine table through the mold body with an intermediate seal;
  • the ring that presses the heat nozzle is made of high-carbon steel.
  • the prototype has a thermal attachment, the so-called “insulated profit extension,” which is not attached to the crystallizer, but is clamped between the dispensing chute (“metal manifold”) and the crystallizer;
  • the coolant chamber is divided into two chambers: a coolant mixing chamber and a curtain coolant distribution chamber.
  • this chamber is made in the intermediate space between the wall of the mold and the water distribution box of the frame (casting table).
  • this chamber is made inside the mold body, and is connected to the casting table by a bypass channel;
  • the design of the thermal nozzle for stabilizing the heat balance in the crystallizer is made in the form of a truncated cone with a cylindrical protrusion 19 (Fig. 7);
  • the graphite ring is made with a deep groove for lubrication.
  • the main objective of the invention is to expand the technological capabilities of the device (improving the quality of products, reducing the preparation time for the production of ingots, and reducing the cost of acquisition, storage and maintenance) using less expensive technical solutions due to: - an array and its own design of the thermal nozzle, made on the basis of calculating the heat balance for each standard size of the cast ingot, which stabilizes heat, reduces heat loss along the casting axis during the formation of the ingot and the transition of casting parameters from the start to the operating casting speed for each standard size of the cast ingot;
  • a new device for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys is proposed, as well as a corresponding crystallizer device with a cooling system for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys.
  • the technical result of the invention is to improve the quality of the surface of the ingots and the structure of their cortical zone due to improved cooling of the ingots during casting, and the safety of using the crystallizer during casting with simultaneous cooling.
  • Fig. 1 - a characteristic view of a segregation flow on the surface of an ingot of alloy 6026, with a diameter of 308 mm in section, casting on a different tooling (previously).
  • Fig. 2 - a characteristic view of the segregation flow on the surface of an ingot of alloy 6026, with a diameter of 308 mm in section, casting on a mold of the presented design (steel).
  • Fig. 3 - a characteristic view of the microstructure of the reverse segregation zone (ISZ) of an ingot of alloy 6026, with a diameter of 308 mm, where casting was done on a different tooling (was).
  • Fig. 4 is a characteristic view of the microstructure of the reverse segregation zone (ISZ) of an ingot of alloy 6026, with a diameter of 308 mm, where casting on a mold of the presented design (steel).
  • ISZ reverse segregation zone
  • Fig. 5 longitudinal section of the crystallizer.
  • FIG. 6 extension element A of FIG. 5 enlarged.
  • Fig. 7 - extension element B of Fig. 5 (design of the thermal nozzle according to the claimed device).
  • Fig. 8 design of the thermal head of the crystallizer according to the prototype.
  • a device for casting cylindrical ingots containing at least one crystallizer with a body, which can be made dismountable, and a cooling system, a tray covering the crystallizer from below, a casting machine with a dispensing tray for supplying liquid metal, a zone primary cooling of liquid metal and secondary cooling zone liquid metal located below the primary cooling zone, according to the claimed invention, contains a thermal nozzle with a thermal sleeve, configured to allow liquid metal to pass from the dispensing tray into the primary cooling zone, while the cooling system is located in the mold body and is divided into a curtain coolant distribution chamber and a coolant mixing chamber, wherein said chambers are connected to each other by means of holes evenly distributed around the perimeter of the mold body, and the casting machine is equipped with a casting table and at least one coolant supply bypass channel located in the lower part of the casting table and connected to the barrier , made with the possibility of uniform distribution of the coolant inside the crystallizer body, while the thermal nozzle is made in the form of
  • the thermal nozzle can be made of a heat-insulating material reinforced with ceramic fibers with a binder material, having high strength, withstanding thermal shocks, and having low thermal conductivity; such material is not wetted by molten aluminum and its alloys.
  • the thermal sleeve can be made integral with the transfer tray with the ability to remove and replace the collapsible mold body without the need to remove the transfer tray from the casting table of the casting machine.
  • the device can be equipped with sealing rings for connecting the dismountable parts of the crystallizer body.
  • the mold for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys is a separate collapsible block that distributes the coolant supplied to it evenly along the perimeter of the formed cylindrical ingot with a given flow rate, ensuring optimal heat removal from the surface of the formed cylindrical ingot, and allowing for the required surface quality.
  • the crystallizer block is attached to the casting machine in such a way that the distribution of the melt through the thermal nozzle has no contact with the cooling liquid, and that when replacing the crystallizer, dismantling of the tray system for distributing the melt is not required, while the shape of the thermal nozzle and the graphite ring makes it possible not to use gas supply to the zone primary crystallization of the ingot.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of the crystallizer
  • Fig. 6 shows the extension element A of FIG. 5 on an enlarged scale
  • FIG. 8 shows the design of the thermal head of the crystallizer according to the prototype
  • FIG. 7 shows remote element B of Fig. 5 (design of the thermal nozzle according to the claimed device).
  • the mold for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys contains the following structural elements:
  • the collapsible housing 1 consists of one, two or more parts, and forms inside itself a cavity for distributing coolant, as well as an area for primary and secondary cooling of the metal.
  • One of the parts of the collapsible mold body 1 divides it into two chambers: a coolant mixing chamber 18 and a curtain coolant distribution chamber 17, where the connection of these two chambers is made in the form of holes, the size of which is determined by calculation depending on the coolant flow rate specified by the casting technology, made evenly around the perimeter of the housing and providing the required coolant flow (m 3 /hour), which is set by the casting technology for each ingot diameter (Fig. 6).
  • the bypass channel 2 transfers the coolant from the table of the casting machine 3 to the mold body 1, which ensures that there is no possibility of contact of the coolant with the liquid metal, which in turn ensures the safety of using the crystallizer.
  • Barrier 4 evenly distributes the coolant inside the mold body 1.
  • the graphite ring 5 with a deep groove 16 evenly distributes the lubricant over the entire area of the primary cooling zone.
  • Thermal attachment 6 stabilizes the thermal balance during the formation of the ingot and the transition of casting parameters from start to operating casting speed.
  • O-rings 7 are necessary for additional sealing of the components of the crystallizer body relative to each other.
  • the fixing plate 8 secures the thermal nozzle 6 to the crystallizer body.
  • the dispensing tray 9 and the thermal sleeve 10 supply liquid metal to the primary cooling zone 14.
  • the tray (seed) 11 is intended for the initial formation of the bottom part of the cylindrical ingot and the further formation of the cylindrical ingot 13 itself.
  • the inventive device operates as follows.
  • Liquid metal flows from the dispensing tray 9 through the thermal sleeve 10 into the primary cooling zone 14 of the mold body with a temperature higher than the liquidus temperature by 50-100°C, depending on the properties and content of alloying elements of the alloy.
  • coolant is supplied to the crystallizer body 1 from the table of the casting machine 3 through the passage channel 2, distributed evenly inside the crystallizer body by means of a barrier 4, with minimal flow.
  • the flow of coolant leaving the curtain distribution chamber 17 can be determined visually by its jets, which should form a water curtain in the secondary cooling zone 15.
  • the flow rates of coolant and lubricant are set to the graphite ring 5, distributed evenly through the groove 16, both before the start of casting and when reaching the operating casting speed.
  • the lubricant flow mode consists of setting the parameters: pressure in the lubricant supply system, the number of lubricant supply pulses, and the idle time between pulses.
  • pallet 11 is inserted into the crystallizer to the lower level of the graphite ring 5. For a hot start of the casting machine, pallet 11 is inserted at a distance of 1-2 mm to the lower level of the graphite ring 5, and for a cold start at a distance of up to 5 mm, but no more. After this, the aluminum melt begins to be fed into the crystallizer.
  • the casting machine consists of a casting table 3 with cooled liquid 12 distributed inside it, a dispensing tray (chute) 9 through which molten metal is supplied, a crystallizer, a casting platform on which a tray (seed) 11 is attached, a caisson and various auxiliary equipment.
  • Casting control is provided by software according to the developed/specified technological parameters of casting. Technological parameters of casting for each diameter of a cylindrical ingot 13 and type of alloy in the software are divided into three stages: “start of casting”, “operating mode of casting”, “end of casting”.
  • the melt After filling the crystallizer, is held for several seconds until the bottom part of the cylindrical ingot 13 is formed, then the platform is launched (not shown in the drawings), on which the tray 11 is attached and the casting process begins .
  • Casting parameters at the “start of casting” stage take into account the initial casting speed, consumption of coolant, lubricants, casting time to form the bottom parts of the cylindrical ingot 13 and the time of acceleration of the casting speed to operating speed.
  • the melt located between the horizontal and vertical parts of the thermal nozzle 6 forms a meniscus and an oxide film, which transfer to the graphite ring 5 for the primary cooling of the resulting cylindrical ingot 13, while the conditions of cooling and lubrication entering the ingot through the groove to distribute the lubricant 16, made in the graphite ring 5, are installed so that there are no ruptures of the meniscus (oxide film) and there is no formation of defects in the cylindrical ingot 13 (non-slate, sag, crack).
  • the formation of defects in the cylindrical ingot 13 is directly related to the design of the crystallizer, the thermal nozzle 6 and the graphite ring 5.
  • the calculation of the optimal heat balance is taken into account, performed by the well-known finite method elements created by the design of the thermal nozzle 6, the dimensions of the graphite ring 5, the amount of lubricant passing through the graphite ring 5, and the design of the secondary cooling zone 15 in the crystallizer.
  • the design of the thermal nozzle in the prototype has the form shown in Fig. 8, where h is the height of the thermal nozzle, and the zone of meniscus formation is shown by position 20.
  • This design of the thermal nozzle has a thinner layer of heat-insulating material h, which in turn leads to cooling of the metal and the formation of a meniscus rupture - as a result of which ruptures appear in the film and straits.
  • Fig. 8 With an increase in the thickness of the layer of heat-insulating material of the thermal nozzle 6 due to the fact that the nozzle is made in the form of a truncated cone with a cylindrical protrusion 19 (Fig.
  • the material graphite has different permeability, which varies both from the grade of graphite and from the method of manufacturing the product from it. This parameter determines how much lubricant will be on the surface of the graphite ring in the primary cooling zone. If there is insufficient lubrication (due to the low permeability of the ring material), defects such as sagging, flaws and cracks begin to form on the surface of the ingot.
  • a new design of a graphite ring with a deep groove 5 was developed. This reduces the amount of material that the lubricant needs to overcome, an additionally enlarged groove improves the distribution of lubricant along the working surface in the pouring area and primary cooling of liquid metal 14.
  • the cooling of the zone of pouring and primary cooling of the liquid metal 14 with coolant is reduced by moving the cavity for distributing the coolant 12 away from the surface where pouring and primary cooling (crystallization) occurs, which ensures reduced heat exchange between the ingot and the wall of the mold 1.
  • the secondary cooling zone 15 is as close as possible to the primary cooling zone cooling 14, which reduces the risk of re-melting (defect “melt spillage”) of the crust of solidified metal freshly formed in the zone of pouring and primary cooling of liquid metal 14.
  • curtain design of the coolant supply 12 in the secondary cooling zone 15 ensures its more uniform distribution, which ensures consistency (repeatability) of the casting process and reduces the crust zone.
  • the casting parameters are calculated, which are interrelated with the optimal heat balance at the “start of casting” stage.
  • the formed cylindrical ingots 13 after the “start of casting” stage are transferred to the high-speed casting mode, taking into account the preservation of heat balance and the elimination of the formation of defects.
  • the melt also located between the horizontal and vertical surfaces of the thermal nozzle 6, continues to form a reliable meniscus and oxide film, which transfer to the graphite ring 5 for the primary cooling of the resulting ingot.
  • the consumption of coolant and lubricant increases.
  • casting is transferred to a smooth, quieting mode with a decrease in casting speed, coolant and lubricant consumption.
  • Casting stops according to the program the lubricant flow is closed, the water supply remains at a minimum flow rate to anneal the sprue part of the cylindrical ingot 13 to avoid the formation of a crack.
  • After casting is completed before removing the cylindrical ingot 13, wait for the final crystallization of the liquid metal inside the housing crystallizer 1 and thermal nozzle 6, after which the table of the casting machine 3 is removed and the cylindrical ingot 13 is removed.
  • a device for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys containing at least one crystallizer with a body (1) and a cooling system, a tray (11) covering the crystallizer from below, a casting machine with a dispensing tray (9) for supplying liquid metal to the primary cooling zone liquid metal (14) and a secondary cooling zone of liquid metal (15), located below the primary cooling zone, containing a thermal nozzle (6) with a thermal sleeve (10) and optionally (i.e.
  • a graphite ring (5 ) made with the possibility of liquid metal passing from the dispensing tray (9) into the zone of pouring and primary cooling of liquid metal (14), while the cooling system is located in the mold body (1) and is divided into a curtain coolant distribution chamber (17) and a chamber mixing the coolant (18), while these chambers (17, 18) are connected to each other through holes evenly distributed around the perimeter of the mold body (1), and the casting machine is equipped with a casting table (3) and at least one bypass channel (2 ) supply of coolant (12), located in the lower part of the casting table (3) and connected to a barrier (4), designed to evenly distribute the coolant inside the mold body (1), while the thermal nozzle (6) is made in the form of a truncated cone with a cylindrical protrusion (19).
  • the thermal nozzle (6) is preferably made of heat-insulating material reinforced with ceramic fibers with a binder material.
  • the cylindrical protrusion (19) of the thermal nozzle (6) is preferably made coaxial with the cylindrical surface graphite ring (5).
  • the thermal sleeve (10) can be made integral with the dispensing tray (9) with the ability to remove and replace the mold body (1) without the need to remove the dispensing tray (9) from the casting table (3) of the casting machine.
  • the graphite ring (5) is preferably made with a recessed lubricant supply groove (16) and is placed directly under the heat tip (6) so that the lower horizontal surface of the heat tip (6) forms a protrusion above the upper horizontal surface of the graphite ring (5).
  • the thermal attachment (6) preferably includes a fixing plate (8) for securing the thermal attachment (6) to the mold body (1).
  • the device can be equipped with sealing rings (7) for connecting the dismountable parts of the crystallizer body (1), if any.
  • a crystallizer device with a cooling system for vertical casting of cylindrical ingots of aluminum alloys made in the form of a separate block that distributes the coolant supplied to it evenly along the perimeter of the formed cylindrical ingot with a given flow rate, ensuring optimal heat removal from the surface of the formed cylindrical ingot, while the crystallizer device is attached to the casting machine in such a way that the distribution of the melt through the thermal nozzle has no contact with the coolant
  • the cooling system is located in the mold body and is divided into a curtain coolant distribution chamber (17) and a coolant mixing chamber (18), with these chambers ( 17, 18) are connected to each other through holes evenly distributed around the perimeter of the crystallizer body.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Устройство содержит кристаллизатор с корпусом и системой охлаждения, поддон, литейную машину с раздаточным лотком для подачи жидкого металла в зону первичного и зону вторичного охлаждения. Для прохождения металла от лотка в зону заливки и зону первичного охлаждения имеется тепловая насадка в виде усеченного конуса с выступом, тепловая втулка и графитовое кольцо. Система охлаждения размещена в корпусе и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости и камеру смешения охлаждающей жидкости. Камеры соединены отверстиями, равномерно распределенными по периметру корпуса. Литейная машина содержит литейный стол с перепускным каналом подачи охлаждающей жидкости в его нижней части, соединенным с барьером. Обеспечивается повышение качества слитка за счет снижения образования поверхностных дефектов.

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЛИТЬЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СЛИТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Область техники
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству, и может быть использовано для разливки жидкого металла, предпочтительно из алюминиевых сплавов, в цилиндрические слитки на вертикальных литейных машинах как полунепрерывного, так и непрерывного литья с прямым охлаждением слитков водой.
Уровень техники
В настоящее время на литейных заводах для производства цилиндрических слитков широко используются литейные машины вертикального полунепрерывного литья с прямым охлаждением слитков водой с использованием кристаллизаторов различной конструкции. В последнее время нашли применение литейные машины с использованием кристаллизаторов с тепловыми насадками, графитовыми вставками, кристаллизаторов, оборудованными системами автоматической подачи смазки, подачи газа в зону образования мениска. Все эти решения дают эффект в повышении качества продукции и производительности литейных машин.
Литейные машины для литья цилиндрических слитков обеспечивают литье одновременно большого количество слитков за счет установки рядами кристаллизаторов с распределением металла по общему коллектору равномерно на каждый слиток.
Жидкий металл заливается в кристаллизаторы через огнеупорные втулки, соединённые с общим коллектором и обеспечивающие одинаковый расход металла. В нижней части кристаллизатора устанавливается подвижная затравка (поддон), обеспечивающая первичное заполнение металла для начала формирования донной части слитка. При перемещении поддона относительно оси литья производится вытягивание формирующего слитка из кристаллизатора.
Кристаллизация металла начинается при касании стенок кристаллизатора с образованием первичной корки, толщина которой будет зависеть от диаметра кристаллизатора, его высоты, скорости литья и расхода охлаждающей жидкости, поступающие по каналам стенок кристаллизатора с внутренней стороны. Кристаллизация, при которой формируются стенки будущего слитка без прямого контакта с охлаждающей жидкостью, называется основной или первичной. При вторичной кристаллизации производится окончательное формирование слитка за счет непосредственной подачи воды на поверхность стенок слитка.
Кристаллизация в зоне первичного охлаждения осуществляется жидким хладагентом в соответствии с известной ранней технологией, когда использованный хладагент направляется через общую камеру, в которой установлены кристаллизаторы, в камеру кристаллизатора, откуда по внутренним каналам кристаллизатора в зону вторичного охлаждения непосредственно на формирующиеся слиток. Камера кристаллизатора образуется сборкой из отдельных элементов с установкой промежуточных уплотнений обеспечивающих достаточную герметичность соединений. Тем не менее, даже если при установке кристаллизатора было обеспечено достаточное усилие для деформации уплотнений, со временем происходит их износ и утечки все равно могут происходить, что может привести к серьезным авариям и травмам на производстве.
Известны кристаллизаторы для вертикального литья слитков из алюминия и алюминиевых сплавов с применением указанных выше технических решений отечественных и зарубежных фирм, например Wagstaff, Hycast, JASPER GmbH, Norsk Hydro ASA и другие. В патенте US 4597432, опубликован 01.07.1986, описано и показано оборудование указанного выше типа, в котором воду при утечке через уплотнения отводят вверх к верхней стороне камеры, в которой смонтированы кристаллизаторы, где просочившаяся вода сливается в сторону от жидкого металла. Такое решение хотя и обеспечивает отвод утечек воды от горячих частей кристаллизатора, которые могут быть разрушены при контакте с водой, но не исключает наличие таких случаев при неправильной установке уплотнений. Также такое устройство не содержит системы предупреждения в случае появления утечек или решения проблемы простоя между операциями литья слитков.
В патенте US 4693298, опубликован 15.09.1987, описано устройство для литья металлов с контролируемым прямым охлаждением слитка во время литья. В устройстве кристаллизатор содержит литейную камеру, футерованную проницаемыми элементами для подачи масла, имеет литник для подачи расплава, зону первичного охлаждения литейной камеры и зону вторичного охлаждения, которая расположена непосредственно ниже первичной зоны охлаждения и в которой предусмотрено прямое охлаждение слитка водой. Устройство также снабжено дополнительным контуром для подачи сжатого воздуха, канал которого соединяется с каналом подачи охлаждающей жидкости, поступающей в зону вторичного охлаждения. При подаче сжатого воздуха происходит выброс воды в зону вторичного охлаждения, тем самым срывается паровая рубашка на поверхности отливаемого слитка и улучшается охлаждение.
Недостатком данного устройства является то, что подаваемый в систему воздух выдавливает воду не только в сторону отливаемого слитка, но и в камеру, откуда поступает вода. Повторное заполнение каналов водой занимает некоторое время, которое отливаемый слиток не будет охлаждаться.
В патенте RU 113685, опубликован 27.02.2012, указывается, что для расширения диапазона регулирования интенсивности охлаждения слитка, увеличения скорости теплопередачи и отвода тепла через стенку кристаллизатора, улучшения качества литой поверхности слитка увеличения корочки на поверхности слитка, уменьшения поверхностных ликвационных наплывов и глубины залегания неслитин (или глубинное окончание ликвационных полос) кристаллизатор выполнен с уменьшенной конусностью, а корпус выполнен с наличием камеры приемки и распределения охлаждающей жидкости, изолированных и концентрично расположенных относительно друг друга кольцевой камеры начального охлаждения и кольцевой камеры дополнительного охлаждения, при этом поступление охлаждающей жидкости в камеру начального охлаждения осуществляется посредством отдельных подводящих каналов через камеру приемки и распределения охлаждающей жидкости, а нижний торец камеры начального охлаждения и камеры дополнительного охлаждения образуется общим съемным вкладышем, в котором выполнены кольцевой пояс выпускных отверстий камеры начального охлаждения и кольцевой пояс выпускных отверстий камеры дополнительного охлаждения. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для непрерывного вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, содержащем кристаллизатор, корпус с охлаждающими камерами, подводящими и отводящими охлаждающими каналами, систему подвода жидкой смазки, в корпусе выполнены камера приема и распределения охлаждающей жидкости, и изолированные и концентрично расположенные относительно друг друга кольцевая камера начального охлаждения и кольцевая камера дополнительного охлаждения. При этом устройство снабжено подводящими каналами для поступления охлаждающей жидкости в камеру начального охлаждения через камеру приема и распределения охлаждающей жидкости, двумя патрубками для подачи охлаждающей жидкости в камеру приема и распределения охлаждающей жидкости и двумя патрубками для подачи охлаждающей жидкости в камеру дополнительного охлаждения, нижний торец камеры начального охлаждения и камеры дополнительного охлаждения образован общим съемным вкладышем, в котором выполнены кольцевой пояс выпускных отверстий камеры начального охлаждения и кольцевой пояс отверстий камеры дополнительного охлаждения.
В указанной полезной модели не решен вопрос стабилизации теплового баланса кристаллизатора, что снижает качество отливаемых слитков и значительно уменьшает скорость литья, тем самым производительность литейных машин с такими кристаллизаторами низкая.
Из патента RU 100931, опубликован 10.01.2011, известно устройство для литья слитков круглого сечения из алюминия и алюминиевых сплавов, содержащее кристаллизатор первичной зоны охлаждения, зону вторичного прямого охлаждения слитка водой, которая поступает из отверстий, расположенных в нижней части кристаллизатора и перемещаемый поддон, при этом воду в кристаллизатор подают по патрубкам, последовательно расположенным и установленным под углом 30° к цилиндрической образующей поверхности, при этом отношение высоты сечения отверстия патрубка к ширине 3,5: 1,0. Утверждается, что предлагаемая конструкция устройства предотвращает возможное образование паровых пробок, местных возмущений жидкости в кристаллизаторе, что способствует повышению скорости движения жидкости, равномерному отводу тепла от поверхности кристаллизатора и снижению вероятности образования горячих и холодных трещин при литье слитков из алюминиевых сплавов. Однако, в данном устройстве также не решена проблема стабилизации теплового баланса кристаллизатора, что существенно влияет на качество отливаемых слитков.
Известны также кристаллизаторы Компании «JASPER», представленные на официальном сайте jasper-gmbh.de, недостатком которых является то, что хоть они и установлены сверху литейного стола и их тепловая насадка не граничит с водой, но из-за конструкции литейной оснастки лотки для раздачи жидкого расплава в кристаллизаторы необходимо снимать при каждой замене кристаллизатора. В результате данной операции часть керамического уплотнения (волокно) приходится убирать, это приводит к попаданию уплотнения в расплав и затем в кристаллизатор, что в последствии может приводить к браку отливаемого слитка.
Известно техническое решение по патенту RU 2268105, опубликован 20.01.2006, в котором описано устройство для охлаждения прямоточного кристаллизатора установки для полунепрерывной разливки металла, в частности, алюминия, содержащее, по меньшей мере, один кристаллизатор, открытый сверху, смонтированный в раме, объединенной с водораспределительным коробом, и перемещаемый поддон, закрывающий кристаллизатор снизу в начале каждой стадии операции. При этом кристаллизатор содержит литейную камеру, футерованную проницаемыми элементами для подачи масла и/или газа, имеет литник для подачи расплава, зону первичного охлаждения литейной камеры и зону вторичного охлаждения, которая расположена непосредственно ниже первичной зоны охлаждения и в которой предусмотрено прямое охлаждение слитка водой. Также устройство снабжено отдельным контуром повторного охлаждения кристаллизатора, содержащим по меньшей мере один охлаждающий канал в стенке кристаллизатора и систему трубопроводов для подачи и отвода охладителя. Устройство дополнительно снабжено отдельным контуром повторного охлаждения кристаллизатора, содержащим по меньшей мере один охлаждающий канал в стенке кристаллизатора, два уплотнительных кольца, установленных над охлаждающим каналом и/или камерой охлаждения, и канал или просверленное отверстие, выполненное между уплотнительными кольцами, проходящее сквозь стенку водораспределительного короба и предназначенное для отвода воды, протекающей за первое из уплотнительных колец. Кроме того, в RU2268105 описано более усовершенствованная конструкция установки кристаллизатора отличающемся, например, от патента US 4597432 тем, что в канале, отводящем воду при утечке хладагента из камеры кристаллизатора установлен датчик для определения утечки воды, соединённый с просверленным отверстием, выполненным между уплотнительными кольцами, и источником света или звуковым сигналом для генерации предупредительного сигнала об утечке.
Недостатками данной конструкции кристаллизатора является установка дополнительного контура для охлаждения стенок кристаллизатора после завершения литья. Контур для повторного охлаждения каждого кристаллизатора подводится и отводится по отдельному трубопроводу с внешней стороны стенки каждого кристаллизатора и ошибочно предполагается, что это обеспечит более ускоренную выемку слитков после завершения литья, так как нет необходимости ждать остывания стенок кристаллизатора. Но на самом деле все известные технологии литья цилиндрических слитков обеспечивают выемку слитков только после кристаллизации металла в донной части, при этом стенки кристаллизаторов не нагреваются до такой степени, чтобы влиять на время нахождения слитков в литейной машине. Также недостатком в данной конструкции кристаллизатора является установка двойного комплекта уплотнительных колец, с просверленным отверстием для каждого кристаллизатора, обеспечивающего отвод воды сквозь стенку водораспределительного короба прямо наружу с боковой стороны рамы установки для разливки, что усложняет конструкцию, как и установка резистивного датчика для определения утечки воды, соединённого с просверленным отверстием.
Известное техническое решение по патенту RU 2268105, являющееся наиболее близким по технической сущности, выбрано за прототип.
Предлагаемое изобретение на кристаллизатор для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов имеет следующие технические отличия от прототипа:
- подача охлаждающей жидкости из стола литейной машины в кристаллизатор реализована таким образом, что отсутствует риск попадания охлаждающей жидкости в расплав металла. Это реализовано с помощью перепускного канала, который передаёт охлаждающую жидкость из стола литейной машины в корпус кристаллизатора, в отличие от прототипа, где подача охлаждающей жидкости происходит напрямую из стола литейной машины через корпус кристаллизатора с промежуточным уплотнением;
- кольцо, прижимающее тепловую насадку, выполнено из высокоуглеродистой стали. В прототипе имеется тепловая насадка, так называемая «утеплённая прибыльная надставка», которая не крепится к кристаллизатору, а зажимается между раздаточным желобом («металлический коллектор») и кристаллизатором;
- для равномерного распределения воды и теплоотвода в кристаллизаторе, камера охлаждающей жидкости разделена на две камеры: камера смешения охлаждающей жидкости и камера шторного распределения охлаждающей жидкости. В прототипе эта камера выполнена в промежуточном пространстве между стенкой кристаллизатора и водораспределительного короба рамы (литейного стола). В отличие от прототипа в заявляемом кристаллизаторе эта камера выполнена внутри корпуса кристаллизатора, и соединена с литейным столом перепускным каналом;
- конструкция тепловой насадки для стабилизации теплового баланса в кристаллизаторе выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическим выступом 19 (фиг. 7);
- графитовое кольцо выполнено с углубленной канавкой для смазки.
Раскрытие изобретения
Основной задачей изобретения является расширение технологических возможностей устройства (повышение качества выпускаемой продукции, снижение времени подготовки к производству слитков, и снижение затрат на приобретение хранение и обслуживание) с применением менее затратных технических решений за счет: - массива и собственной конструкции тепловой насадки, выполненной на основании расчёта теплового баланса для каждого типоразмера отливаемого слитка, что стабилизирует тепло, снижает потери тепла по оси литья при формировании слитка и переходе литейных параметров от старта до рабочей скорости литья для каждого типоразмера отливаемого слитка;
- конструкции графитового кольца и распределения смазки по углубленной канавке, где открывается возможность применять графитовые кольца с разной плотностью. Углубление канавки уменьшает слой материала графитового кольца, который необходимо преодолеть смазочному материалу. Данное решение позволяет получать равномерное распределение смазочного материала вдоль зоны первичного охлаждения, в то время как графитовое кольцо может быть произведено с различной или с не равномерной плотностью;
- вторичного шторного охлаждения, что дает более равномерный теплоотвод от слитка, уменьшая образование поверхностных дефектов.
Предложено новое устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, а также соответствующее устройство кристаллизатора с системой охлаждения для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов.
Техническим результатом изобретения является повышение качества поверхности слитков и структуры их корковой зоны в связи с усовершенствованным охлаждением слитков при литье, и безопасность использования кристаллизатора при литье с одновременным охлаждением.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
Фиг. 1 - характерный вид ликвационного наплыва на поверхности слитка сплава 6026, диаметром 308 мм в разрезе, литьё на другой оснастке (было).
Фиг. 2 - характерный вид ликвационного наплыва на поверхности слитка сплава 6026, диаметром 308 мм в разрезе, литьё на кристаллизаторе представленной конструкции (стало). Фиг. 3 - характерный вид микроструктуры зоны обратной сегрегации (ISZ) слитка из сплава 6026, диаметром 308 мм, где, литьё на другой оснастке (было).
Фиг. 4 характерный вид микроструктуры зоны обратной сегрегации (ISZ) слитка из сплава 6026, диаметром 308 мм, где, литьё на кристаллизаторе представленной конструкции (стало).
Фиг. 5 - продольный разрез кристаллизатора.
Фиг. 6 - выносной элемент А фиг. 5 в увеличенном масштабе.
Фиг. 7 - выносной элемент Б фиг. 5 (конструкция тепловой насадки по заявляемому устройству).
Фиг. 8 - конструкция тепловой насадки кристаллизатора по прототипу.
Как частный пример, при производстве цилиндрических слитков из сплавов серии 2ХХХ и 6ХХХ на машинах полунепрерывного литья вертикального типа и при использовании кристаллизаторов представленной конструкции качество поверхности слитков улучшилось. Высота ликвационных наплывов на поверхности слитков сплава 6026 диаметром 308 мм с содержанием висмута 0,6%, свинца 0,4% составила 0,4 - 2,1 мм. При этом при литье того же сплава на другой литейной оснастке высота ликвационных наплывов была от 2 до 8 мм. Характерный вид ликвационных наплывов в разрезе показан на фиг. 1 и фиг. 2 (на чертежах изображено усреднённое значение). Оценка качества микроструктуры в области поверхности слитков показала, что зона обратной сегрегации (сокращенно на англ. ISZ) составила 0,9 - 2,4 мм (было от 2,5 до 12 мм), характерная микроструктура приведена на фиг. 3 и фиг. 4.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для литья цилиндрических слитков, содержащее по меньшей мере один кристаллизатор с корпусом, который может быть выполнен разборным, и системой охлаждения, поддон, закрывающий кристаллизатор снизу, литейную машину с раздаточным лотком для подачи жидкого металла, зону первичного охлаждения жидкого металла и зону вторичного охлаждения жидкого металла, расположенную ниже зоны первичного охлаждения, согласно заявляемому изобретению, содержит тепловую насадку с тепловой втулкой, выполненную с возможностью прохождения жидкого металла от раздаточного лотка в зону первичного охлаждения, при этом система охлаждения размещена в корпусе кристаллизатора и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости и камеру смешения охлаждающей жидкости, при этом упомянутые камеры соединены между собой посредством отверстий, равномерно распределенных по периметру корпуса кристаллизатора, а литейная машина снабжена литейным столом и по меньшей мере одним перепускным каналом подачи охлаждающей жидкости, размещенным в нижней части литейного стола и соединенным с барьером, выполненным с возможностью равномерного распределения охлаждающей жидкости внутри корпуса кристаллизатора, при этом тепловая насадка выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическим выступом.
Способствуют достижению технического результата следующие дополнительные признаки:
Тепловая насадка может быть выполнена из теплоизоляционного материала, армированного керамическими волокнами со связующим материалом, имеющего высокую прочность, выдерживающего термоудары, имеющего низкую теплопроводность, такой материал не смачивается расплавом алюминия и его сплавами.
Тепловая втулка может быть выполнена заодно с раздаточным лотком с возможностью съема и замены разборного корпуса кристаллизатора без необходимости снятия раздаточного лотка с литейного стола литейной машины.
Устройство графитового кольца с углубленной канавкой для подачи смазки и размещенное непосредственно под тепловой насадкой таким образом, что нижняя горизонтальная поверхность тепловой насадки образует выступ на расстояние не менее чем 0,1 мм и не более чем 1 мм над верхней горизонтальной поверхностью графитового кольца. Выступ
И обеспечивает образование прочного мениска без разрыва пленки расплава.
Устройство может быть снабжено уплотнительными кольцами для соединения разборных частей корпуса кристаллизатора.
Кристаллизатор для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов представляет собой отдельный разборный блок, распределяющий поданную в него охлаждающую жидкость равномерно вдоль периметра сформированного цилиндрического слитка с заданным расходом, обеспечивающим оптимальный теплоотвод с поверхности сформированного цилиндрического слитка, и позволяющий обеспечить требуемое качество поверхности. Блок кристаллизатора крепится к литейной машине таким образом, что раздача расплава через тепловую насадку не имеет контакта с охлаждающей жидкостью, и что при замене кристаллизатора демонтаж лотковой системы раздачи расплава не требуется, при этом форма тепловой насадки и графитового кольца позволяет не использовать подачу газа в зону первичной кристаллизации слитка.
Краткое описание конструкции
На фиг. 5 показан продольный разрез кристаллизатора, на фиг. 6 показан выносной элемент А фиг. 5 в увеличенном масштабе, на фиг. 8 показана конструкция тепловой насадки кристаллизатора по прототипу, на фиг. 7 показан выносной элемент Б фиг. 5 (конструкция тепловой насадки по заявляемому устройству).
Кристаллизатор для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов содержит следующие конструктивные элементы:
1 - разборный корпус кристаллизатора;
2 - перепускной канал для передачи охлаждающей жидкости из стола литейной машины в корпус кристаллизатора;
3 - стол литейной машины;
4 - барьер;
5 - графитовое кольцо с углубленной канавкой;
6 - тепловая насадка; 7 - уплотнительные кольца;
8 - фиксирующая пластина;
9 - раздаточный лоток;
10 тепловая втулка;
11 - поддон (затравка);
12 - охлаждающая жидкость;
13 - цилиндрический слиток;
14 - зона заливки и первичного охлаждения жидкого металла;
15 - зона вторичного охлаждения, сформированного в зоне первичного охлаждения слитка;
16 - канавка для распределения смазки;
17 - камера шторного распределения охлаждающей жидкости;
18 - камера смешения охлаждающей жидкости;
19 - цилиндрический выступ тепловой насадки;
20 - зона образования мениска.
Разборный корпус 1 состоит из одной, двух или более частей, и образует внутри себя полость для распределения охлаждающей жидкости, а также зону для первичного и вторичного охлаждения металла.
Одна из частей разборного корпуса кристаллизатора 1 разделяет его на две камеры: камеру смешения охлаждающей жидкости 18 и камеру шторного распределения охлаждающей жидкости 17, где соединение этих двух камер выполнено в виде отверстий, размер которых определяется расчетом в зависимости от заданного технологией литья расхода охлаждающей жидкости, выполненных равномерно по периметру корпуса и обеспечивающих необходимый расход охлаждающей жидкости (м3/час), который задается технологией литья для каждого диаметра слитка (фиг. 6).
Перепускной канал 2 передает охлаждающую жидкость из стола литейной машины 3 в корпус кристаллизатора 1, что обеспечивает отсутствие вероятности контакта охлаждающей жидкости с жидким металлом, что в свою очередь обеспечивает безопасность использования кристаллизатора.
Барьер 4 равномерно распределяет охлаждающую жидкость внутри корпуса кристаллизатора 1.
Графитовое кольцо 5 с углублённой канавкой 16 равномерно распределяет смазку по всей площади зоны первичного охлаждения.
Тепловая насадка 6 стабилизирует тепловой баланс при формировании слитка и переходе литейных параметров от старта до рабочей скорости литья.
Уплотнительные кольца 7 необходимы для дополнительного уплотнения составных частей корпуса кристаллизатора друг относительно друга.
Фиксирующая пластина 8 крепит тепловую насадку 6 к корпусу кристаллизатора.
Раздаточный лоток 9 и тепловая втулка 10 подают жидкий металл в зону первичного охлаждения 14.
Поддон (затравка) 11 предназначен для первоначального формирования донной части цилиндрического слитка и дальнейшего формирования самого цилиндрического слитка 13.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Жидкий металл (алюминиевый расплав) поступает из раздаточного лотка 9 через тепловую втулку 10 в зону первичного охлаждения 14 корпуса кристаллизатора с температурой выше температуры ликвидуса на 50-100°С, в зависимости от свойств и содержания легирующих элементов сплава. Перед заполнением кристаллизатора расплавом в корпус кристаллизатора 1 из стола литейной машины 3 через пропускной канал 2 подается охлаждающая жидкость, распределяемая равномерно внутри корпуса кристаллизатора посредством барьера 4, с минимальным расходом. Расход охлаждающей жидкости, выходящий из камеры шторного распределения 17, может определяться визуально по ее струям, которые должны образовать водяную шторку в зоне вторичного охлаждения 15. С помощью программного обеспечения для кристаллизатора устанавливаются режимы расхода подачи охлаждающей жидкости и смазки на графитовое кольцо 5, распределяемую равномерно через канавку 16, как перед началом литья, так и с выходом на рабочую скорость литья. Режим расхода смазки заключается в установке параметров: давление в системе подачи смазки, количество импульсов подачи смазки, время простоя между импульсами. Далее поддон 11 заводится в кристаллизатор до нижнего уровня графитового кольца 5. Для горячего запуска литейной машины поддон 11 вводится на расстояние 1-2 мм до нижнего уровня графитового кольца 5, а для холодного запуска на расстояние до 5 мм, но не более. После этого алюминиевый расплав начинают подавать в кристаллизатор. При заполнении кристаллизатора и тепловой насадки 6 кристаллизатора производится запуск литья на литейной машине. Литейная машина состоит из литейного стола 3 с распределяемой внутри неё охлаждаемой жидкостью 12, раздаточного лотка (желоба) 9, по которому подаётся расплавленный металл, кристаллизатора, литейной платформы, на которую крепится поддон (затравка) 11, кессон и различное вспомогательное оборудование.
Управление литьём обеспечивается программным обеспечением по разработанным/заданным технологическим параметрам литья. Технологические параметры литья для каждого диаметра цилиндрического слитка 13 и вида сплава в программном обеспечении разделены на три стадии: «начало литья», «рабочий режим литья», «окончание литья».
На стадии «начало литья», в зависимости от свойств сплава и температуры, расплав после заполнения кристаллизатора выдерживается несколько секунд до формирования донной части цилиндрического слитка 13, затем производится запуск платформы (на чертежах не показана), на которой крепится поддон 11 и начинается процесс литья. Параметры литья на стадии «начало литья» учитывают начальную скорость литья, расход охлаждающей жидкости, смазки, время литья для формирования донной части цилиндрического слитка 13 и время разгона скорости литья до рабочей скорости. В период «начало литья» расплав, находящийся между горизонтальной и вертикальной частью тепловой насадки 6, образует мениск и окисную пленку, которые переходят на графитовое кольцо 5 для первичного охлаждения образовавшегося цилиндрического слитка 13, при этом условия охлаждения и смазки, поступающей на слиток через канавку для распределения смазки 16, выполненную в графитовом кольце 5, устанавливаются такими, чтобы не было разрывов мениска (окисной пленки) и не было образования дефектов цилиндрического слитка 13 (неслитина, наплыв, трещина).
Образование дефектов цилиндрического слитка 13 напрямую связано с конструкцией кристаллизатора, тепловой насадки 6 и графитового кольца 5. При литье в кристаллизатор с графитовым кольцом 5 для исключения дефектов цилиндрического слитка 13 (неслитина, наплыв, трещина) учитывается расчет оптимального теплового баланса, выполненный известным методом конечных элементов, создаваемого конструкцией тепловой насадки 6, размерами графитового кольца 5, количеством проходящей через графитовое кольцо 5 смазки, и конструкцией зоны вторичного охлаждения 15 в кристаллизаторе.
Конструкция тепловой насадки в прототипе имеет вид, изображенный на фиг. 8, где h - высота тепловой насадки, а зона образования мениска показана позицией 20. Такая конструкция тепловой насадки имеет более тонкий слой теплоизоляционного материала h, что в свою очередь приводит к захолаживанию металла и к образованию разрыва мениска - в следствии чего появляются разрывы в плёнке и проливы. С увеличением толщины слоя теплоизоляционного материала тепловой насадки 6 за счет того, что насадка выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическим выступом 19, (фиг. 7, размер Н), эта проблема уходит - более толстый слой теплоизоляционного материала ограничивает теплопередачу от холодных частей литейной машины к горячей части тепловой насадки, что предотвращает захолаживание жидкого металла при касании последнего с тепловой насадкой 6, что в свою очередь снижает риск образования разрыва мениска. При этом нижняя горизонтальная поверхность цилиндрического выступа 19 тепловой насадки 6 параллельна верхней горизонтальной плоскости графитового кольца 5 и выступает над ним на некоторое смещение (выступ) А равный, по меньшей мере 0,1 мм, но не более 1 мм, благодаря чему размер зоны образования мениска стремится к нулю, тогда как в прототипе она значительно больше. В прототипе это место показано радиусным переходом. Представленная конструкция тепловой насадки 6 предотвращает такие дефекты поверхности слитка, как неслитины и надиры.
Материал графит имеет различную проницаемость, которая варьируется как от марки графита, так и от способа изготовления изделия из него. От этого параметра зависит то, сколько смазки будет на поверхности графитового кольца в зоне первичного охлаждения. Если смазки будет недостаточно (из-за низкой проницаемости материала кольца) на поверхности слитка начинают образовываться дефекты, такие как наплывы, рванины и трещины. Для того, чтобы уменьшить влияние различности материалов и различности технологии изготовления изделия, была разработана новая конструкция графитового кольца с углублённой канавкой 5. Это позволяет снизить количество материала, которое необходимо преодолеть смазке, дополнительно увеличенная канавка улучшает распределение смазочного материала вдоль рабочей поверхности в зоне заливки и первичного охлаждения жидкого металла 14.
В предложенной конструкции разборного корпуса кристаллизатора 1 охлаждение зоны заливки и первичного охлаждения жидкого металла 14 охлаждающей жидкостью снижено отдалением полости для распределения охлаждающей жидкости 12 от поверхности, где происходит заливка и первичное охлаждение (кристаллизация), что обеспечивает уменьшенный теплообмен между слитком и стенкой кристаллизатора 1. В то же время зона вторичного охлаждения 15 находится максимально близко к зоне первичного охлаждения 14, что позволяет уменьшить риск повторного расплавления (дефект «пролив расплава») свежеобразованной в зоне заливки и первичного охлаждения жидкого металла 14 корочки затвердевшего металла.
К тому же шторная конструкция подачи охлаждающей жидкости 12 в зоне вторичного охлаждения 15 обеспечивает более равномерное её распределение, что обеспечивает постоянство (повторяемость) процесса литья и уменьшает корковую зону.
Для каждого диаметра цилиндрического слитка 13 и вида сплава, для исключения образования дефектов, производится расчет параметров литья, которые взаимосвязаны с оптимальным тепловым балансом на стадии «начало литья».
На стадии «рабочий режим литья», согласно технологическим параметрам управляемым программным обеспечением, образовавшиеся цилиндрические слитки 13 после стадии «начало литья» переходят в скоростной режим литья с учетом сохранения теплового баланса и исключения образования дефектов. Расплав, также находящийся между горизонтальной и вертикальной поверхностью тепловой насадки 6, продолжает образовывать надежный мениск и окисную пленку, которые переходят на графитовое кольцо 5 для первичного охлаждения образовавшегося слитка. С повышением скорости литья по программе увеличивается расход охлаждающей жидкости и смазки.
На стадии «окончание литья», согласно технологическим параметрам, управляемыми программным обеспечением, литье переводится в плавный, затихающий режим со снижением скорости литья, расхода охлаждающей жидкости и смазки. Литье останавливается по программе, расход смазки закрывается, подача воды остается на минимальном расходе для отжига литниковой части цилиндрического слитка 13 во избежание образования трещины. После окончания литья перед выемкой цилиндрического слитка 13 выжидают окончательной кристаллизации жидкого металла внутри корпуса кристаллизатора 1 и тепловой насадки 6, после чего убирают стол литейной машины 3 и вынимают цилиндрический слиток 13.
Правовая охрана группы изобретений испрашивается для следующей совокупности признаков:
Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, содержащее по меньшей мере один кристаллизатор с корпусом (1) и системой охлаждения, поддон (11), закрывающий кристаллизатор снизу, литейную машину с раздаточным лотком (9) для подачи жидкого металла в зону первичного охлаждения жидкого металла (14) и зону вторичного охлаждения жидкого металла (15), расположенную ниже зоны первичного охлаждения, содержащее тепловую насадку (6) с тепловой втулкой (10) и опционально (т.е. может содержаться или отсутствовать) с графитовым кольцом (5), выполненную с возможностью прохождения жидкого металла от раздаточного лотка (9) в зону заливки и первичного охлаждения жидкого металла (14), при этом система охлаждения размещена в корпусе кристаллизатора (1) и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости (17) и камеру смешения охлаждающей жидкости (18), при этом указанные камеры (17, 18) соединены между собой посредством отверстий, равномерно распределенных по периметру корпуса кристаллизатора (1), а литейная машина снабжена литейным столом (3) и по меньшей мере одним перепускным каналом (2) подачи охлаждающей жидкости (12), размещенным в нижней части литейного стола (3) и соединенным с барьером (4), выполненным с возможностью равномерного распределения охлаждающей жидкости внутри корпуса кристаллизатора (1), при этом тепловая насадка (6) выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическим выступом (19).
Тепловая насадка (6) предпочтительно выполнена из теплоизоляционного материала, армированного керамическими волокнами со связующим материалом. Цилиндрический выступ (19) тепловой насадки (6) предпочтительно выполнен соосно с цилиндрической поверхностью графитового кольца (5). Тепловая втулка (10) может быть выполнена заодно с раздаточным лотком (9) с возможностью съема и замены корпуса кристаллизатора (1) без необходимости снятия раздаточного лотка (9) с литейного стола (3) литейной машины. Графитовое кольцо (5) предпочтительно выполнено с углубленной канавкой для подачи смазки (16) и размещено непосредственно под тепловой насадкой (6) таким образом, что нижняя горизонтальная поверхность тепловой насадки (6) образует выступ над верхней горизонтальной поверхностью графитового кольца (5). Тепловая насадка (6) предпочтительно содержит фиксирующую пластину (8) для крепления тепловой насадки (6) на корпусе кристаллизатора (1). Устройство может быть снабжено уплотнительными кольцами (7) для соединения разборных частей корпуса кристаллизатора (1) при наличии таковых.
Устройство кристаллизатора с системой охлаждения для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, выполненное в виде отдельного блока, распределяющего поданную в него охлаждающую жидкость равномерно вдоль периметра сформированного цилиндрического слитка с заданным расходом, обеспечивающим оптимальный теплоотвод с поверхности сформированного цилиндрического слитка, при этом устройство кристаллизатора крепится к литейной машине таким образом, что раздача расплава через тепловую насадку не имеет контакта с охлаждающей жидкостью, система охлаждения размещена в корпусе кристаллизатора и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости (17) и камеру смешения охлаждающей жидкости (18), при этом указанные камеры (17, 18) соединены между собой посредством отверстий, равномерно распределенных по периметру корпуса кристаллизатора.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, содержащее по меньшей мере один кристаллизатор с корпусом (1) и системой охлаждения, поддон (11), закрывающий кристаллизатор снизу, литейную машину с раздаточным лотком (9) для подачи жидкого металла в зону первичного охлаждения жидкого металла (14) и зону вторичного охлаждения жидкого металла (15), расположенную ниже зоны первичного охлаждения, отличающееся тем, что содержит тепловую насадку (6) с тепловой втулкой (10) и опционально с графитовым кольцом (5), выполненную с возможностью прохождения жидкого металла от раздаточного лотка (9) в зону заливки и первичного охлаждения жидкого металла (14), при этом система охлаждения размещена в корпусе кристаллизатора (1) и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости (17) и камеру смешения охлаждающей жидкости (18), при этом указанные камеры (17, 18) соединены между собой посредством отверстий, равномерно распределенных по периметру корпуса кристаллизатора (1), а литейная машина снабжена литейным столом (3) и по меньшей мере одним перепускным каналом (2) подачи охлаждающей жидкости (12), размещенным в нижней части литейного стола (3) и соединенным с барьером (4), выполненным с возможностью равномерного распределения охлаждающей жидкости внутри корпуса кристаллизатора (1), при этом тепловая насадка (6) выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрическим выступом (19).
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловая насадка (6) выполнена из теплоизоляционного материала, армированного керамическими волокнами со связующим материалом.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрический выступ (19) тепловой насадки (6) выполнен соосно с цилиндрической поверхностью графитового кольца (5).
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловая втулка (10) выполнена заодно с раздаточным лотком (9) с возможностью съема и замены корпуса кристаллизатора (1) без необходимости снятия раздаточного лотка (9) с литейного стола (3) литейной машины.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что графитовое кольцо (5) выполнено с углубленной канавкой для подачи смазки (16) и размещено непосредственно под тепловой насадкой (6) таким образом, что нижняя горизонтальная поверхность тепловой насадки (6) образует выступ над верхней горизонтальной поверхностью графитового кольца (5).
6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловая насадка (6) содержит фиксирующую пластину (8) для крепления тепловой насадки (6) на корпусе кристаллизатора (1).
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено уплотнительными кольцами (7) для соединения разборных частей корпуса кристаллизатора (1) при наличии таковых.
8. Устройство кристаллизатора с системой охлаждения для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов, выполненное в виде отдельного блока, распределяющего поданную в него охлаждающую жидкость равномерно вдоль периметра сформированного цилиндрического слитка с заданным расходом, обеспечивающим оптимальный теплоотвод с поверхности сформированного цилиндрического слитка, отличающееся тем, что устройство кристаллизатора крепится к литейной машине таким образом, что раздача расплава через тепловую насадку не имеет контакта с охлаждающей жидкостью, система охлаждения размещена в корпусе кристаллизатора и разделена на камеру шторного распределения охлаждающей жидкости (17) и камеру смешения охлаждающей жидкости (18), при этом указанные камеры (17, 18) соединены между собой посредством отверстий, равномерно распределенных по периметру корпуса кристаллизатора.
PCT/RU2023/050203 2022-09-02 2023-09-01 Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов WO2024049331A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2022123454A RU2788042C1 (ru) 2022-09-02 Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов
RU2022123454 2022-09-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024049331A1 true WO2024049331A1 (ru) 2024-03-07

Family

ID=88316025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2023/050203 WO2024049331A1 (ru) 2022-09-02 2023-09-01 Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024049331A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5685359A (en) * 1994-02-25 1997-11-11 Wagstaff, Inc. Direct cooled annular mold
US6675870B2 (en) * 2000-05-15 2004-01-13 Ravindra V. Tilak Direct chill casting mold system
RU2268105C2 (ru) * 2000-05-26 2006-01-20 Норск Хюдро Аса Устройство для охлаждения прямоточного кристаллизатора установки для полунепрерывной разливки
KR20190069953A (ko) * 2017-12-12 2019-06-20 이인영 압출용 경합금 빌렛의 제조장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5685359A (en) * 1994-02-25 1997-11-11 Wagstaff, Inc. Direct cooled annular mold
US6675870B2 (en) * 2000-05-15 2004-01-13 Ravindra V. Tilak Direct chill casting mold system
RU2268105C2 (ru) * 2000-05-26 2006-01-20 Норск Хюдро Аса Устройство для охлаждения прямоточного кристаллизатора установки для полунепрерывной разливки
KR20190069953A (ko) * 2017-12-12 2019-06-20 이인영 압출용 경합금 빌렛의 제조장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3780789A (en) Apparatus for the vertical multiple continuous casting of aluminum and aluminum alloys
EP2292351B1 (en) Gas pressure controlling casting mold
US3286309A (en) Method and apparatus for horizontal casting of ingots
CN109304432B (zh) 一种超薄大规格含铝钢异型坯的单点非平衡保护浇铸装置及使用方法
AU653399B2 (en) Temperature measurement ingot mould
AU612869B2 (en) Twin-roll type continuous casting machine
CN101342586B (zh) 钢水真空溢流法浇铸多支钢锭的设备和工艺
RU2142863C1 (ru) Пластинчатый кристаллизатор для получения слитков из стали
EP1140392B1 (en) High speed continuous casting device and relative method
CN104493112B (zh) 钢锭铸造模具和铸造方法
US2414269A (en) Method for cooling ingots in continuous casting
US4875519A (en) Method of manufacturing hollow billet and apparatus therefor
RU2788042C1 (ru) Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов
WO2024049331A1 (ru) Устройство для вертикального литья цилиндрических слитков из алюминиевых сплавов
CN111054896A (zh) 一种铸造用水冷引锭头装置
CN113333707B (zh) 一种r10米弧连铸机无夹持段浇注矩形坯的方法
JPH057100B2 (ru)
EP1345720B1 (en) Process for optimizing cooling in continuous casting mold
US20020174971A1 (en) Process of and apparatus for ingot cooling during direct casting of metals
CN210098958U (zh) 一种具有挡渣作用的预制分流器
CN204413083U (zh) 钢锭铸造模具
US4355680A (en) Method and apparatus for continuous casting of hollow articles
CN211679909U (zh) 一种铸造用水冷引锭头装置
JPH0631403A (ja) 連続鋳造用鋳型
JPS5935856A (ja) 連続鋳造用鋳型

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23786797

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1