Способ виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл и устройство для его осуществления

 

1 . Способ виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл путем колебаний изложницы с металлом с частотой 20-40 Гц механическими ударами по ее стенке, обогащенными высокочастотными составляющими спектра, отличающийся тем, что, с целью улучшения-качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложницы, частоту колебаний 20-40 Гц создают ударом двойного воздействия с частотой следования удара 0,05-0,5 Гц, слитным по уровню 0,2-0,8 максимальной амплитуды первого воздействия, разобщенным малой и большой массами ударников, причем малой массой ударяют с длительностью удара 0,08 - 0,5 мс, большой массой ударяют с длительностью удара, создающего низкочастотные составляющие спектра, 10-50 мс, а изложницу с металлом вводят в резонанс на частоте 20 - 40 Гц. 2. Устройство для виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл, содержащее основание, изложницу , ударник, отличающеес я тем, что, с целью улучшения качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложниц, оно снабжено крепежным основанием для установки изложницы, соединенным с основанием через упругий элемент, ограничительным кольцом для фиксации верхней части изложницы, подвеской для ударника в виде шарнирно закрепленной на основании штанги, а ударник выполнен разобщенньм в виде малой и большой масс с общей осью и соотношением масс 20-50, связанных между собой упругим элементом, при этом нижний торец штанги размещен на большей массе ударника с прохождением оси штанги через центр ее тяжести. I (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

SU» 12027 0 (51) 4 В 22 D 27/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3 712228/22-02 (22) 18. 10. 83 (46) 07.01.86. Бюл. ¹ 1(71) Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко и Институт электросварки им. Е.О. Патона (72) В.В. Панасюк, Д.А. Дудко, А,И. Цыхан, В.В. Приймачек, А.В. Пащенко и В.П. Климов (53) 621.746.58(088.8) (56) Штейнберг С.С. Слиток стали.

Свердловск — N.: Уралогиз, 1933, с. 20-21, фиг. 15.

Романов А.А. Литье стали в вибрирующие формы. Москва-Свердловск; Машгиз, 1959, с. 33, 35. слитным по уровню 0,2-0,8 максимальной амплитуды первого воздействия, разобщенным малой и большой массами ударников, причем малой массой ударяют с длительностью удара 0,08—

0,5 мс, большой массой ударяют с длительностью удара, создающего низкочастотные составляющие спектра, 10-50 мс, а изложницу с металлом вводят в резонанс на частоте 20

40 Гц.

2. Устройство для виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл, содержащее основание, изложницу, ударник, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью улучшения качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложниц, оно снабжено крепежным основанием для установки изложницы, соединенным с основанием через упругий элемент, -ограничительным кольцом для фиксации верхней части изложницы, подвеской для ударника в виде шарнирно закрепленной на основании штанги, а ударник выполнен разобщенным в виде малой и большой масс с общей осью и соотношением масс 20-50, связанных между собой упругим элементом, при этом нижний торец штанги размещен на большей массе ударника с прохожением оси штанги через центр ее яжести. (54)СПОСОБ ВИБРОИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КРИСТАЛЛИЗУИЩИЙСЯ METAJIJI И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ виброимпульсного воздействия на кристаллизующийся металл путем колебаний изложницы с металлом с частотой 20-40 Гц механическими ударами по ее стенке, обогащенными высокочастотными составляющими спектра, отличающийся тем, что, с целью улучшения .качества металла крупных слитков и увеличения срока службы изложницы, частоту колебаний 20-40 Гц создают ударом двойного воздействия с частотой следования удара 0,05-0,5 Гц, Ф»

- s- Д

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " ", g

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ

А

1202700

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам и устройствам для получения крупных слитков, и может быть использовано для получения литого металла повышенного ка- 5 чества.

Цель изобретения — улучшение качества металла крупных слитков и увеличение срока службы изложницы.

На фиг, I изображено устройство виброимпульсного воздействия," на фиг. 2 — амплитудно-временная функция виброимпульсного удара.

Устройство для осуществления способа содержит изложницу 1, установленную в обхватывающее ее крепежное основание 2, соединенное калиброванной упругостью (пружиной) 3 с основанием 4,на котором закреплено также . ограничительное кольцо 5, предохраняющее изложницу 1 от опрокидывания.

Система содержит также ударник 6, выполненный разобщенным в виде ма— лой 7 и большой 8 масс с общей осью, связанных между собой калиброванной пружиной 9 другой жесткости. Сверху на большой массе 8 ударника расположен разъем 10, к которому присоединена штанга 11 подвески, при этом разъем 10 расположен так, что ось штанги 11 проходит через центр тя.жести ударника 6 при горизонтальном расположении ударника 6. Второй конец штанги 11 закреплен в шарнире

12 на другом неподвижном основании

13„ Ударник присоединен штоком 14 к приводу 15 с механизмом раскачки ударника.

30

Способ осуществляют следующим образом, 40

Включают механизм раскачки ударника 6 и при помощи штока 14 привода

15 отводят ударник 6 от горизонтальногб положения в фиксированное. (задаваемое) наклонное, При этом штанга 11 подвески отходит от вертикали, поворачиваясь верхним концом в шарнире 12, закрепленном на неподвижном основании 13. Затем шток i4 приводом

i5 подают по направлению к изложни- 50 це 1, установленной в крепежное основание 2, и ударником 6 производят комбинированный удар по ее стенке, Вначале стенки изложницы 1 в верхней ее части достигает малый 55 ударник (изготовленный, например, иэ крепкой каленой стали), производя короткий удар, содержащий выс0кочастотные составляющие спектра, График амплитудно-временной функции такого удара представлен на фиг, 2 в виде малого импульса. Он характеризуется крутым фронтом нарастания амплитуды. Плительность такого удара, определяющая высокочастотную границу спектра, 0,08-0 5 мс..Такая длительность соприкосновения малой массы 7 ударника со стенкой изложницы обеспечивает соответствующий высокочастотный спектр. Длительность удара, меньшая чем 0,08 мс, трудно достижима в предлагаемой механической системе, а большая 0,5 мс — нецелесообразна, так как колебания малой амплитуды с частотой менее 2 кГц оказывают незначительное влияние на качество затвердевающего металла. Практически одновременно с началом первого удара калиброванная пружина 9 начинает сжиматься под действием большого ударника. Стенка изложницы 1 начинает воспринимать удар, наносимый большой массой 8 ударника.

Этот удар существенно длительнее первого и в связи с этим главным образом низкочастотные спектральные составляющие, Продолжается он до тех пор, пока пружина 9 не пройдет фазы сжатия и последующего расширения и обе.. части ударника не отойдут от стенки, Длительность второго удара регулируют упругомассовыми свойствами пружины 9, массой ударника и силой удара (углом отклонения штанги 11 подвески. Длительность удара большой массой ь (фиг.2) должна находиться в пределах 10—

50 мс. Если ьь 10 мс, время выделения энергии удара становится слишком мало, и это может привести к разрушению стенки изложницы. Если же о Б > 50 мс, то время соприкосновения ударника 6 со стенкой изложницы 1 становится слишком велико, что приводит к демпфированию колебаний ударником изложницы, начавшей колебаться с резонансной частотой

20 — 40 Гц.

На амплитудно-временной характеристике (фиг. 2) воздействие большого ударника на стенку изложницы 1 представлено в виле импульса большей амплитуды, передний фронт которого более или менее перекрывает первый (малый) импульс — его задний фронт по уровню 0,2 (кривая 16)-0,8

1202700 4 (кривая 17) максимальной амплитуды первого воздействия. В этом случае удар, наносимый ударником 6, воспри- нимается стенкой изложницы как слитный удар двойного воздействия малой и большой массами ударника. Если второй удар перекрывает первый по уровню выше 0,8 максимальной амплитуды первого воздействия, т.е. передний фронт второго импульса располагается выше кривой 17, то оба удара будут восприниматься стенкой изложницы как единичный удар. Практически это значит, что пружина 9 выбрана слишком жесткой, общая скорость выделения энергии удара велика и

1имеется угроза разрушения изложни-. цы 1.

Если второй удар перекрывает первый по уровню ниже 0,2 максимальной амплитуды первого импульса, т.е. передний фронт второго импульса располагается ниже кривой 16 (фиг. 2), то оба удара будут практически раздельными. Этот значит, что пружина 9 выбрана слишком слабой, малый ударник может успеть отойти от стенки перед нанесением удара большого ударника, а скорость выделения энергии удара большим ударником слишком мала (мягкий удар). Между кривыми 17 и 16 лежит "разрешенная" область, в которой должен находиться передний фронт большого импульса. Под влиянием первого удара, наносимого малым ударником,стенка изложницы 1 получает короткий импульс, при этом изложница

1 в целом не смещается, а колебания проникают в металл, высокочастотные составляющие спектра этого удара способствуют измельчению кристаллов слитка и выравниванию по объему его структуры. В результате второго удара,. наносимого по верхней части изложницы 1, последняя, установленная в крепежном основании 2, соединенном калиброванной пружиной 3 с основанием

4, получив толчок, отходит от положения равновесия.

Комбинированный удар не разрушает стенку изложницы 1 — массу малого ударника подбирают достаточно малой, а воздействие массы большого ударника достаточно растянуто во времени выбором упругости пружины 9.

После прекращения действия комплек сного удара и отвода приводом 15 ударника Ь в исходное (наклонное) по30 .частотой 20-40 Гц успеют затух35

1О

55 ложение изложницы 1 приобретает колебания, частота которых определяется качествами пружины 3 — ее упругомассовые свойства подбирают так, чтобы резонанс системы находился в области низких частот, точнее 20-40 Гц, что обусловливает улучшение качества металла и ускорение его охлаждения.

Ограничительное кольцо 5 установлено с таким зазором по отношению к изложнице 1, чтобы не мешать ее вынужденным колебаниям и в то же время препятствовать ее случайному опрокидыванию. После возвращения ударника 6 в начальное (наклонное) положение цикл снова повторяют. В простейшем случае ударник 6 периодически отводят механическим приводом 15 на заданный угол отклонения штанги 11 и затем отпускают, Удар осуществляют тогда под действием сил тяжести.

Каждый удар по изложнице 1 приводит к прохождению в металл высокочастотных колебаний и появлению ее колебаний с частотой 20-40 Гц затухающей

1амплитуды. Частота следования ударов

0,05-0,5 Гц.

При частоте следования ударов ниже 0,05 Гц колебания изложницы 1 нуть между смежными ударами. Частота следования ударов выше 0 5 Гц нецелесообразна вследствие того, что колебания изложницы .с частотой

20-40 Гц еще не затухнут между смежными ударами.

Величины масс ударников можно варьировать в зависимости от размера слитков в пределах 20-50, при этом для слитков меньшей массы соотношение масс большого и малого ударников ближе к 20, а для слитков большей массы оно ближе к 50, поскольку для раскачки более тяжелой изложницы с металлом нужно больше толкающее усилие массы большого ударника. Если соотношение масс ударников меньше 20, то удар малым ударником слишком мощный, что приводит к быстрому разрушению стенки изложницы, а если это соотношение больше 50, то высокочастотный импульс от удара первым ударником слишком слаб для обарботки всего объема металла в изложнице. Для замены -(подбора) пар ударников 7 и 8 предусматривают крепление ударника 8 к штанге 11 подвески на разъеме 10. При

1202700 этом условие прохождения оси штанги 1 подвески через, центр тяжести ударника 6 обеспечивает устойчивость его в момент соприкосновения со стенкой изложницы.

Возможна обработка ряда изложниц 1 с помощью ударников 6, например, с применением одного привода 15. Для снижения общего уровня шума предусмотреть неодновременный удар по из- 10 ложницам ударниками. Калиброванные упругости 9 и особенно 3 выполняют не только в виде отдельных пружин, но и в виде прутков, пластин, брусков, изготовленных из пружинной ста- 15 ли и т,д.

Пример . Виброимпульсной обработке подвергают залитую в изложницу спокойную сталь Ст. 6. Раэвес слитка 7,0 т, масса изложницы 9,5 т. 20

Параметры калиброванной упругости, установленной между крепежным и неподвижным основаниями, выбраны из соображений обеспечения резонанса системы изложница-металл-упругость на частоте 25 Гц. Эта упругость (стальной пруток), рассчитанная по известным формулам теории вибрации, имееет для резонирующей массы

16 65 т длину 0,5 м и диаметр 0,2 м, 30

Иассы малого ударника выбирается равной 5 кг, большого — 100 кг.

Стальная пружина, соединяющая их, при толщине 1 см, количестве вит- ков 10, диаметре пружины 4,3 см

35 имеет резонансную частоту также 25 Гц.

J Длину штанги подвески из конструктивных соображений принимают равной

4 мм. Ударник на штанге отклоняют при помощи штока привода, привязанного через блок к поворотному эксцентрику.

Длительность импульса удара малой (5 кг) и большой (100 кг) массами измеряют с помощью стандартной 45 измерительной аппаратуры, позволяющей фиксировать начало и конец импульса.

Для этого пьезоэлектрический датчик сигнала прикрепляют к стенке изложницы в районе удара и с помощью элект- 50 роннолучевого осциллографа по калиброванной шкале развертки-определяют длительность импульса.

Ь

Изменяя угол наклонения штанги подвески с прикрепленным к ней комбинированным ударником, регулируют силу удара и длительность импульса удара. При угле отклонения штанги от вертикали 80 длительность удара малой массой составляет 0,11 мс, большой — 22 мс, При этом удары слитны по уровню 0,4 максимальной амплитуды малого удара. Требуемый режим обработки. кристаллизующегося металла совместно низко-высокочастотными колебаниями обеспечивают раскачивая штангу с ударником с частотой 0,2 Гц, при этом колебания изложницы с частотой

25 Гц успевают затухнуть к началу нового удара.

Виброимпульсную обработку металла начинают с момента окончания заливки его в изложницу и продолжают в течение 95 мин, после чего прекращают, так как внешная поверхность изложницы разогревается до 650 С и теряет упругие свойства и высокочастотные составляющие спектра смещаются в сторону низких частот. Процесс кристаллизации слитка заканчивается через

115 мин от момента завершения заливки, т.е. на 80 мин раньше, чем при спокойной кристаллизации. Усадочная раковина в слитке отсутствует.

Последующий металлографический анализ образцов, вырезанных из разных частей слитка, показывает, что структура слитка однородна, дендриты имеют размеры не более 1 мкм. Изложница, выдерживает 47 заливок при обработке кристаллизующего металла предположенным способом.

Виброимпульсная обработка металла по предлагаемому способу с использованием данной системы позволяет производить виброимпульсную обработку более крупного сортамента слитков.

Полученные слитки лишены структурной неоднородности, имеют размельченную структуру металла. Кроме этого, кристаллизация металла завершается за более короткий промежуток времени (на 30-407), так как при дроблении дендритов резко увеличивается количество центров кристаллизации.

1202700

А1

Аав

"az см

Составитель Ю. Яковлев

Текред 3.Палий Корректор Г. Решетник

Редактор А, Шандор

Тираж 746 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 8353/11

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4