Способ получения прямоугольной заготовки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к непрерывной разливке металла и производству сортового проката, преимущественно мелкосортного. Способ включает подачу жидкого металла в кольцевую полость кристаллизатора, образованную путем горизонтального сопряжения органов, выполненных в виде консольных валков с вогнутыми торцевыми поверхностями, один из которых - с отверстием для заливки. На торцевых поверхностях валков выполнены участки формирования и участки раскатки слитка, образующие одноименные зоны. Вращают кристаллизатор, формируя кольцевой слиток в радиальном направлении. Жидкий металл поступает в зону формирования. После начала роста корки твердой фазы второй валок перемещают и поворачивают относительно первого. Кристаллизующиеся участки устремляются в образующийся зазор (зону раскатки), где они обжимаются до сваривания и одновременно раскатываются участками раскатки до образования заготовки требуемых размеров, удерживаясь на линии раскатки при помощи как минимум трех опорных роликов. После этого специальным механизмом заготовка отделяется от слитка для дальнейшей обработки. Технический результат - получение прямоугольной заготовки, обладающей повышенным уровнем механических свойств, при этом ее толщина не превышает 12 мм, при общем снижении затрат на ее получение. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам производства сортового проката, преимущественно мелкосортного.

Известен способ непрерывной разливки заготовок прямоугольного сечения, заключающийся в подаче жидкого металла в вертикальный кристаллизатор, формировании слитка и последующем многократном обжатии кристаллизующихся участков слитка до сваривания корок между собой (1).

Недостатком данного способа является низкая скорость разливки, не превышающая 0,3-3,0 м/мин, что делает невозможной непосредственно за ней прокатку мелкого сорта, где скорость прокатки не должна быть ниже 5-10 м/сек. Ограничение скорости разливки создает необходимость в предварительном получении непрерывной разливкой заготовки со стороной 120-160 мм, дальнейшей ее порезке па мерные длины и последующей прокатке в черновой группе клетей с промежуточным подогревом, что для мелкого сорта со стороной 8-10 мм приводит к избыточной суммарной вытяжке, достигающей 150-200 единиц. Избыточная деформация формоизменения приводит к неоправданному завышению энергозатрат, увеличению металлоемкости оборудования, снижает эффективность процесса.

Известен способ получения квадратных заготовок, заключающийся в подаче жидкого металла в кольцевую полость кристаллизатора, формировании кольцевого слитка за счет вращения кристаллизатора вокруг вертикальной оси и отделении от слитка, заготовки путем накатки по спирали разделительной канавки, принятый за прототип (2).

Недостатком этого способа является то, что формирование кольцевого слитка происходит вдоль оси вращения кристаллизатора, в результате чего, минимальная толщина слитка составляет 80-120 мм и, следовательно, приводит к необходимости применения мощного оборудования для нанесения разделительной канавки, при этом не используются в должной мере все преимущества центробежного литья. Таким образом, этим способом невозможно получить качественную мелкосортную заготовку толщиной 8-10 мм.

Известна установка полунепрерывной разливки металлов и сплавов, содержащая кристаллизатор, выполненный в виде двух рабочих органов, причем оба установлены с возможностью вращения, а один из них и с возможностью перемещения относительно другого вдоль оси вращения и выполнен в виде шнека, также принятый за прототип (3).

Недостатками этого технического решения являются низкие значения механических характеристик получаемой заготовки вследствие преобладания в кристаллизующихся участках слитка, расположенных в винтовых проточках шнека, растягивающих напряжений, возникающих при усадке стали. Это приводит к образованию рыхлости, несплошности, горячих трещин.

В основу настоящего изобретения положена задача получения способом непрерывной разливки прямоугольной заготовки с повышенным уровнем механических свойств, толщина которой не превышает 12 мм, при общем снижении затрат на ее получение.

Достигается это за счет следующего.

Предлагаемый способ отличается от наиболее близкого известного способа (2) тем, что металл заливают по оси вращения кристаллизатора в предварительно сомкнутые между собой, соосно установленные рабочие органы, формирование слитка ведут в радиальном направлении, а кристаллизующиеся участки формируемого слитка обжимают вдоль оси вращения кристаллизатора, сваривая корки образующейся твердой фазы и одновременно непрерывно раскатывая их до получения требуемой ширины заготовки путем вертикального перемещения и поворота одного из рабочих органов относительно другого, так, что минимальный зазор между ними определяется толщиной прямоугольной заготовки, а максимальный следует из зависимости: Hmax =k•h, где Нmах - максимальный зазор между рабочими органами в момент раскатки [мм], h - толщина заготовки [мм], k - эмпирический коэффициент, k=(1,1-3,0).

Устройство для осуществления предлагаемого способа, отличается от наиболее близкого устройства (3) тем, что оно снабжено механизмом отделения заготовки, а также роликовой проводкой, рабочий орган, установленный с возможностью перемещения вдоль оси вращения, также установлен и с возможностью поворота относительно другого рабочего органа, а кольцевая полость образована путем горизонтального сопряжения рабочих органов, каждый из которых выполнен в виде консольного валка с вогнутой торцевой поверхностью, содержащей кольцевые участки формирования и раскатки слитка. Кроме того, роликовая проводка снабжена по крайней мере тремя опорными роликами, каждый из которых установлен с возможностью радиального перемещения и размещен в зоне движения выступающей за контуры кристаллизатора заготовки, а в рабочем органе, установленном только с возможностью вращения, по оси вращения выполнено отверстие для подачи жидкого металла в кольцевую полость.

Сам же предлагаемый способ реализуется при помощи устройства для его осуществления следующим образом.

Через отверстие для подачи жидкого металла последний поступает в кольцевую полость кристаллизатора, образованную двумя предварительно сомкнутыми между собой вращающимися относительно вертикальной оси рабочими органами. Каждый из рабочих органов выполнен в виде консольного валка с вогнутой торцевой поверхностью, содержащей кольцевые участки формирования и раскатки слитка. Вращают кристаллизатор с угловой скоростью W, при которой гравитационный коэффициент Кг находится в интервале от 40...60 и определяется из выражения: Kг= WR/g, где W - угловая скорость [1/сек]; R - радиус вращения [м]; g= 9,8 м/сек.

Воздействия центробежных сил, в этом случае, достаточно, чтобы сформировать кольцевой слиток в радиальном направлении. При этом жидкий металл попадает в сужающийся по мере удаления от оси вращения канал, образованный кольцевыми участками формирования слитка. Геометрия канала и избыточное ферростатическое давление, возникающее в результате действия центробежных сил, обеспечивает кристаллизацию кольцевого слитка в условиях трехосного напряженно-деформированного состояния с преобладанием сжимающих напряжений. При контакте жидкого металла с кольцевыми участками формирования слитка начинается интенсивный рост корок твердой фазы, и поперечное сечение кольцевого слитка принимает V-образную форму. Одновременно с ростом корок твердой фазы один из рабочих органов перемещают и поворачивают относительно другого с образованием межвалкого зазора. Величина зазора зависит от угла поворота L этого рабочего органа относительно оси вращения и изменяется от минимальной величины, равной толщине h заготовки, до максимальной, определяемой из зависимости: Hmax= k•h, где Hmax - максимальный зазор между рабочими органами в момент раскатки [мм], h - толщина заготовки [мм], k - эмпирический коэффициент, k=(1,1-3,0) зависит от условий раскатки и марки стали. Угол поворота рабочего органа L определяется из зависимости: L=2•n•n, где п=3,14 рад, n= 0,1,2,3. .., где n - количество полных оборотов рабочего органа относительно оси вращения. Так максимальный зазор Hmax устанавливается при L=n•n.

Кристаллизующиеся участки кольцевого слитка устремляются в получаемый межвалковый зазор, являющийся одновременно и зоной раскатки, образованной кольцевыми участками раскатки, где обжимаются до сваривания корок твердой фазы и непрерывно раскатываются до получения требуемой ширины прямоугольной заготовки, при этом поперечное сечение кольцевого слитка принимает Y-образную форму.

Эмпирический коэффициент k зависит от условий раскатки и марки стали. Под условиями раскатки понимаются определенные соотношения геометрических параметров - толщины, ширины прямоугольной заготовки, диаметров валков рабочих органов, ширины кольцевых участков формирования и раскатки слитка с температурными и скоростными режимами процесса. Во время раскатки устанавливаются оптимальные величины k, находящиеся в интервале 1,1-3,0, так как при отклонении k в меньшую сторону от оптимальной величины, затрудняется раскатка и центробежных сил недостаточно, чтобы выдавить кристаллизующиеся участки кольцевого слитка в межвалковый зазор. При отклонении k в большую сторону изменяются условия трехосного напряженно-деформированного состояния при кристаллизации и раскатке кольцевого слитка до появления по одной из осей растягивающих напряжений, приводящих к возрастанию брака по литейным дефектам. За границами интервала невозможно осуществить процесс. Так при <1,1 не идет раскатка кольцевого слитка вследствие малого угла раскатки, а при k>3,0 не удается обеспечить условия трехосного напряженно-деформированного состояния с преобладанием сжимающих напряжений, что приводит к резкому снижению качества заготовки, возрастает вероятность образования рыхлости, несплошности, горячих трещин и прорыва жидкого металла в межвалковый зазор. Автоматическая установка оптимальных величин k осуществляется за счет плавного изменения частоты вращения кристаллизатора и расхода охладителя, что позволяет свести к минимуму потери металла при начале и окончании процесса, или при переходе в процессе разливки на другую толщину, ширину заготовки. Под действием раскатки кольцевой слиток увеличивается в диаметре и начинает выступать за контуры кристаллизатора, формируясь в заготовку, где последняя подхватывается и удерживается роликовой проводкой, снабженной по крайней мере тремя опорными роликами, установленными с возможностью радиального перемещения для регулировки ширины получаемой прямоугольной заготовки, и размещенными в зоне движения заготовки. После того, как геометрические параметры заготовки достигли необходимых размеров, в результате поворота рабочего органа относительно оси вращения на угол L=360^o, происходит ее отделение от слитка специальным механизмом отделения. Следует отметить, что жидкий металл может подаваться в кольцевую полость через отверстие, выполненное в рабочем органе, установленном только с возможностью вращения, при этом ось отверстия совпадает с осью вращения рабочего органа.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении непрерывная раскатка кристаллизующихся в поле действия центробежных сил участков кольцевого слитка в условиях трехосного напряженно-деформированного состояния с преобладанием сжимающих напряжений позволяет получить качественную заготовку с повышенным уровнем механических характеристик, даже при толщине менее 12 мм, потому, что направление формирования слитка совпадает с направлением действия центробежных сил. Последнее обеспечивает устойчивый процесс раскатки при малых, менее 12 мм межвалковых зазорах, и малых, менее 1^o углах раскатки.

Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где на фиг.1, 2 показано перемещение характерных точек сечения кольцевого слитка ограниченного контуром ABCDEFGHJKL при повороте рабочих органов на 180^o, при этом точки контура ABCDEFGHJKL перемещаются соответственно в точки A'B'C'D'E'F'G'H'J'K'L', a Rb, Rc, Rd, Rf характеризуют текущие радиусы траекторий характерных точек соответственно B,C,D,F в зависимости от угла L поворота рабочих органов относительно оси вращения; на фиг. 3,4 устройство для осуществления технического решения; на фиг. 5 - форма поперечных сечений формирующегося слитка и заготовки, а в таблице - приведены экспериментальные данные с характеристикой протекания процесса и качества получаемых заготовок, для Ст.3 и условий раскатки аналогичных, указанным в примере 1 при различных значениях k.

Устройство содержит станину, состоящую из двух вертикальных колонн 1, 2 и двух горизонтальных поперечин 3, 4. Кристаллизатор состоит из двух соосных рабочих органов, выполненных в виде консольных валков, верхнего 5 и нижнего 6 с вертикальными осями вращения. Валки 5, 6 установлены своими подшипниковыми опорами, имеющими водяное охлаждение, в поперечинах 3, 4 соответственно. Поперечины 3, 4 выполнены с возможностью поворота относительно своих продольных осей 7, 8. Привод поворота поперечины 4 состоит из червячного редуктора 13, электродвигателя 14. Поперечина 3 имеет механизм осевой регулировки 9 и механизм угловой регулировки 10. Сопрягаемые торцевые поверхности 17, 18 валков 5, 6 вогнуты, имеют форму тарелок и образуют полость кристаллизатора кольцевой формы 24, содержащую кольцевые участки формирования 19 и раскатки 20, 21 слитка. Кольцевые участки формирования слитка 19 выполнены из теплоотводящего материала, например меди. Кольцевые участки раскатки слитка 20, 21, выполнены с рабочей поверхностью из инструментальной стали. В центре нижнего валка 6 установлена вставка 22 из теплоизоляционного материала, в которой проложен электронагреватель 23 для нагрева кольцевой полости 24 кристаллизатора. Вставка 22 имеет углубление 25 сферической формы. Нижний валок 6 имеет привод возвратно-поступательного движения вдоль оси вращения 16, который выполнен в виде винтового нажимного механизма, состоящего из винтовой пары 26, червячного редуктора 27, электродвигателя 28. В верхнем валке 5 выполнено сквозное осевое отверстие 29, в которое установлен питатель 30 для подачи жидкого металла в кольцевую полость. Питатель 30 имеет электронагреватель 31. Привод вращения валков 5, 6 осуществляется через шкивы 32, 33 и ременную передачу 34 от приводного вала 35, установленного в вертикальной колонне 1, который приводится во вращение электродвигателем 36. Подшипниковые опоры 11, 12 валков 5, 6 оснащены тормозными устройствами 63, 64. На нижней поперечине 4 установлен кожух 37, выполненный в виде ванны с возможностью заполнения жидким охладителем, имеющей слив 38. В кожухе 37 смонтирован механизм отделения заготовки, выполненный в виде роликового отрезного устройства 39, и роликовая проводка, снабженная тремя опорными роликами 40, 41, 42, каждый из которых установлен с возможностью радиального перемещения для регулировки ширины получаемой заготовки и размещен в зоне движения выступающей за контуры кристаллизатора заготовки. В кожухе 37 смонтирован также датчик контроля величины максимального межвалкового зазора 15. По периметру кристаллизатора установлены форсунки 43, к которым подведен напорный трубопровод с жидким охладителем.

Сопла форсунок 43 направлены на поверхности кромок валков 5, 6, а также по траектории движения отрезаемой прямоугольной заготовки 45. На колоннах 1, 2 установлен разливочный стол 53 с промковшом 54. Промковш 54 оснащен шиберным затвором 55 для регулирования расхода жидкого металла и соединен разливочным стаканом 56, вставленным в питатель 30, с кольцевой полостью 24 кристаллизатора. За отрезным роликовым устройством 39 установлена отводящая роликовая проводка 46 для передачи отрезаемой прямоугольной заготовки 45 в линию прокатки 47, состоящую из чистовой группы клетей 48, линии ускоренного охлаждения 49, двух моталок 50, 51, крюкового транспортера 52.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом разливки включаются нагреватели 23, 31, которые нагревают внутреннюю кольцевую полость 24 до температуры 600-650^oС. После подачи команды на разливку из разливочного ковша 57 жидкую сталь начинают подавать в промковш 54. По достижении требуемого уровня зеркала в промковще 54 открывается шиберный затвор 55 и металл через разливочный стакан 56 и питатель 30 начинает поступать в полость 24 кристаллизатора. Для предотвращения размывания поверхности вставки 22 жидким металлом она имеет углубление 25 сферической формы. В момент заполнения жидкой сталью полости 24 валки 5, 6 плотно сжаты между собой, без зазора по кромкам. Включается электродвигатель 36, размыкаются тормозные устройства 41, 42 и вращение от приводного вала 35 через ременную передачу 34, шкивы 32, 33 передается на валки 5, 6. При контакте жидкого металла с кольцевыми участками формирования слитка 19 начинается интенсивный рост корок твердой фазы и поперечное сечение слитка принимает V-образную форму. Непрерывно снимаются показания термопар, а также датчика контроля величины максимального межвалкового зазора 15, и производится компьютерная обработка в реальном масштабе времени температурного поля на поверхностях формирования слитка 19 кольцевой полости 24 кристаллизатора. В соответствии с разработанной математической моделью процесса роста корки твердой фазы и напряженно-деформированного состояния кристаллизующихся участков формируемого кольцевого слитка, компьютером выбирается скоростной режим вращения валков 5, 6, а также перемещения и поворота валка 6 по отношению к валку 5. При этом дается команда на включение двигателей 14, 28. Нижний валок 6 под действием винтового нажимного механизма через червячный редуктор 27 и винтовую пару 26 опускается вниз вдоль оси вращения 16. Между валками 5, 6 начинает образовываться межвалковыйзазор. Одновременно поперечина 4 под действием привода поворота через червячный редуктор 13 поворачивается относительно своей продольной оси 8 и разворачивает валок 6 относительно валка 5. Одновременно с образованием межвалкового зазора начинают работать форсунки 43, которые предотвращают перегрев рабочих поверхностей кольцевых участков раскатки 20, 21 и образуют вторичную зону охлаждения кольцевого слитка. Под действием центробежных сил кристаллизующиеся участки кольцевого слитка устремляются в получаемый межвалковый зазор, являющийся одновременно и зоной раскатки, образованной кольцевыми участками раскатки. Величина зазора зависит от угла L вращения валков 5, 6 и изменяется от минимального зазора, равного h - толщине прямоугольной заготовки, при L=2•п•n, где п=3,14, n= 0,1,2,3. .., до Hmax=k•h, при L=n•n, где n=3,14, n=l,2,3..., k=(1,1-3,0). Между рабочими поверхностями валков 5, 6, при угле L из интервала 180-360^o, образуется сектор 57 уменьшения зазора, в котором в зоне раскатки кристаллизующиеся участки формируемого слитка 62 обжимают вдоль оси вращения 16 до сваривания корок образующейся твердой фазы между собой на дуге 59, а на дуге 58 сектора 57, образовавшийся кольцевой слиток 62 пластически деформируют раскаткой до требуемой ширины прямоугольной заготовки, при этом поперечное сечение кольцевого слитка принимает Y-образную форму (фиг.5). Под действием деформации между кольцевыми участками раскатки 20, 21 валков 5, 6, кольцевой слиток 62 увеличивается в диаметре и на дуге 61 в секторе 60 увеличения зазора при L= 0-180^o, выступает за кромки валков 5, 6 кристаллизатора, где подхватывается и удерживается опорными роликами 40, 41, 42, которые задают траекторию движения выступающей из кристаллизатора части кольцевого слитка 62 до отрезного устройства 39, обеспечивая постоянство ширины прямоугольной заготовки. Отрезное устройство 39 роликового типа, расположенное на участке 58, отделяет от выступающей части кольцевого слитка 62 прямоугольную заготовку 45, объем которой равен в каждый момент времени приращению диаметра кольцевого слитка 62, и равен приращению твердой фазы на поверхностях кольцевых участков формирования слитка 19 кольцевой полости 24 кристаллизатора. Это равенство поддерживается плавным изменением частоты вращения валков 5, 6 и изменением величины расхода охладителя через форсунки 43. При этом возвратно-поступательным перемещением нижнего валка 6 обеспечивается постоянство величины минимального зазора h, а шиберным затвором 55 регулируют объем поступающего в полость кристаллизатора жидкого металла, не допуская его переполнения. Отделяемая прямоугольная заготовка 45 устремляется в отводящую роликовую проводку 46, которая передает ее в линию прокатки 47.

В линии прокатки 47, проходя через чистовую группу клетей 48, прямоугольная заготовка 45 окончательно калибруется, охлаждается в линии ускоренного охлаждения 49, сматывается на моталках 50, 51, транспортируется на склад крюковым транспортером 52.

Пример 1.

Производили разливку стали 45, на сечение профиля заготовки - квадрат 10 мм, с последующей прокаткой в катанку диаметром 6,5 мм.

Вес плавки составлял одну тонну. Диаметр кромок валков кристаллизатора Д=800 мм, ширина кольцевого участка формирования слитка 19 кольцевой полости 24 кристаллизатора - 150 мм, коэффициент k=2,5, частота вращения кристаллизатора изменялась в пределах 250-350 об/миy, скорость разливки достигала 10 м/сек, время разливки одной плавки 2, 3 мин. Температура прямоугольной заготовки на отрезном устройстве 39 не превышала 1200-1150^oС. Линия прокатки состояла из четырех клетьевой группы чистовых калибров, величина удлинения не превышала 2,5-3, температура 1050-950^o, температура смотки 750-650^oС.

Пример 2.

Производили разливку стали 20Х13, на сечение профиля прямоугольной заготовки 11х13 мм с последующей прокаткой в катанку диаметром 8 мм. При совпадении условий разливки описанных в примере 1, k=2,1.

Пример 3.

Производили разливку стали Х12, на сечение профиля полосовой заготовки 10х12 мм с последующей прокаткой в катанку диаметром 7,5 мм. При совпадении условий разливки, описанных в примере 1, k=1,8.

Испытания по пределу текучести полученной катанки во всех случаях, указанных в примерах, показали равные величины по сравнению с образцами, полученными известным способом, а по относительному удлинению и ударной вязкости, особенно при отрицательных температурах, наблюдалось превышение на 5-10%.

Это подтверждает то, что даже удлинением 2,5-3 удается полностью проработать центробежно-литую, предварительно уплотненную кольцевой раскаткой, структуру металла полосовой заготовки и получить требуемый диаметр катанки без избыточной деформации формоизменения.

Таким образом, технический результат изобретения состоит в том, что за счет увеличения скорости разливки, которая в примерах достигала 10 м/сек и уменьшения сечения получаемой полосовой заготовки до квадрата 10-12 мм появилась возможность непосредственного сопряжения с линией прокатки и получения стальной катанки диаметром 6,5-8 мм, с одного литейного нагрева и без избыточных величин деформации формоизменения с высоким уровнем механических характеристик получаемой стали при общем снижении затрат на ее производство.

Источники информации 1. A(SU) 1771870, кл. В 22 D 11/12, 1991.

2. C(RU) 2017568, кл. B 22 D 11/00, 1990.

3. А (SU) 231073, кл. В 22 D 11/04, 1966.

Формула изобретения

1. Способ получения прямоугольной заготовки, включающий подачу жидкого металла в кольцевую полость кристаллизатора, образованную двумя соосно установленными рабочими органами, формирование кольцевого слитка за счет вращения кристаллизатора относительно вертикальной оси и отделение от слитка заготовки, отличающийся тем, что металл заливают по оси вращения кристаллизатора в предварительно сомкнутые между собой рабочие органы, формирование слитка ведут в радиальном направлении, а кристаллизующиеся участки формируемого слитка обжимают вдоль оси вращения кристаллизатора, сваривая корки образующейся твердой фазы и одновременно непрерывно раскатывая их до получения требуемой ширины заготовки путем вертикального перемещения и поворота одного из рабочих органов относительно другого так, что минимальный зазор между ними определяется толщиной прямоугольной заготовки, а максимальный следует из зависимости Hmax = k•h, где Нmax - максимальный зазор между рабочими органами в момент раскатки, мм; h - толщина заготовки, мм; k - эмпирический коэффициент, k=1,1-3,0, зависящий от условий раскатки и марки стали.

2. Устройство для получения прямоугольной заготовки, содержащее кристаллизатор с кольцевой полостью, образованной двумя рабочими органами, соосно установленными с возможностью вращения и с возможностью перемещения одного из них относительно другого вдоль оси вращения, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом отделения заготовки, а также роликовой проводкой, при этом рабочий орган, установленный с возможностью перемещения вдоль оси вращения, также установлен с возможностью поворота относительно другого рабочего органа, причем последний выполнен с отверстием для подачи жидкого металла в кольцевую полость, ось которого совпадает с осью вращения кристаллизатора, а кольцевая полость образована путем горизонтального сопряжения рабочих органов, каждый из которых выполнен в виде консольного валка с вогнутой торцевой поверхностью, содержащей кольцевые участки формирования и раскатки слитка.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что роликовая проводка снабжена, по крайней мере, тремя опорными роликами, каждый из которых установлен с возможностью радиального перемещения и размещен в зоне движения выступающей за контуры кристаллизатора заготовки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6