Кристаллизатор для литья металлов и их сплавов и способ его изготовления

 

Группа изобретений относится к металлургической промышленности, а именно к конструкции литейной формы любого профиля и способу ее изготовления. Кристаллизатор имеет ступенчатый, сужающийся книзу профиль и состоит из профилированной рамы, соединенной с пластинчатой крышкой с целью образования камеры для охлаждающей жидкости. На передней стенке рамы термически закреплено множество расположенных вплотную один к другому графитовых вкладышей, образующих литейную поверхность. Каждый вкладыш имеет один или два выступа, верхний из которых выполнен Г-образным. Выступы вкладышей устанавливают в канавках рамы без специальных крепежных средств, а только за счет предварительного их охлаждения с последующим нагревом и плотной фиксацией в соответствующих канавках рамы. На каждый метр периметра рамы может приходиться около 80 штук вкладышей, которые могут иметь как прямолинейную, так и криволинейную наружную поверхность, позволяя получить разнообразную по форме качественную поверхность отливки с одновременным улучшением условий проведения технологического процесса. Технический результат - снижение расхода исходных материалов, времени механической обработки, изготовления и сборки кристаллизатора, что приводит к снижению затрат на разливку металла. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к металлургической промышленности, а именно к непрерывной разливке расплавленных металлов, например магния, алюминия и их сплавов, в слитки требуемой длины. Более точно настоящее изобретение связано с методами изготовления литейных форм (кристаллизаторов) для непрерывной разливки расплавленных металлов и с конструкцией подобных литейных форм, имеющих разнообразную, как криволинейную, так и прямолинейную конфигурацию, обусловленную заданной формой отливки.

Кристаллизатор может иметь, например, прямоугольный, квадратный, круглый или любой иной профиль.

Непрерывная разливка расплавленных металлов в слитки любой требуемой длины является хорошо известной, и в данной области техники было описано множество литейных форм, позволяющих осуществлять непрерывную разливку, например, алюминия и его сплавов.

В патенте США №3688834 от 05.09.1972 описана конструкция литейной формы для непрерывной разливки расплавленного металла. Этот патент был направлен на решение внутренне присущей процессу проблемы термического коробления литейной формы, возникающего вследствие перепада температур. Поскольку отдельные части литейной формы имеют водяное охлаждение, а другие части литейной формы находятся в контакте с расплавленным металлом, этой конструкции внутренне присуще техническое коробление.

В прошлом конструкции графитовых литейных колец, как правило, имели круглую форму и обычно изготовлялись из единого куска графита. Эта практика, по-прежнему имеющая широкое применение, обладает множеством очевидных преимуществ.

Однако изготовить большое монолитное литейное кольцо некруглой формы с использованием металлорежущего, нагревательного и формообразующего оборудования, которое обычно имеется в механическом цехе литейной или у изготовителя установок для литья металлов, трудно.

В патенте США №4947925, кл. B 22 D 11/00, 14.08.1990 предложено изготовлять графитовое литейное кольцо из нескольких графитовых элементов, например пары боковых сторон и пары торцевых элементов. Поскольку единое графитовое кольцо должно быть герметичным для жидкости, т.е. в литейном кольце не должно быть пространства, в которое может затекать расплавленный металл, крайне важно, чтобы графитовые элементы располагались в тесном контакте друг с другом. В том типе литейного аппарата, который рассмотрен в вышеназванном патенте, элементы графитового литейного кольца закреплены между верхним и нижним элементами рамы для обеспечения механического опирания и позиционирования указанных элементов. Ранее было известно использование концепции “обруча бочки” размещения элементов кольца на верхней и нижней рамах и последующего закрепления указанных элементов с использованием стяжного обруча или иной конструкции - как, в принципе, делалось в течение веков при производстве деревянных бочек с металлическим обручем.

Этот подход не является удовлетворительным при производстве отличающихся от круглых графитовых конструкций для литья расплавленного металла, поскольку зажимающее усилие не прикладывается равномерно и поскольку графит является довольно хрупким и практически не обладает ударной вязкостью. Поэтому согласно известному патенту использовали специальные крепящие конструкции и методы, при использовании которых элементы зажимались перед тем, как помещаться между элементами верхней и нижней рамы. Очевидно, что все графитовые элементы должны располагаться на своих местах и быть неповрежденными перед тем, как может быть закреплен каждый из них. Концепция предварительного закрепления представляет собой усовершенствование, которое помогает осуществить изготовление графитовых литейных кольцевых форм более крупного размера, эта концепция создает также и сложности при упомянутой сборке, а также при ремонте, когда для выполнения небольшого ремонта необходимо демонтировать все кольцо. Кроме того, при изготовлении прямоугольных слитков размер кольца может быть очень большим, что требует сложной механической обработки очень большого куска графита. Помимо этого, по контуру стенки кольца необходимо предусмотреть специальные выпускные профили, и в результате изготовление литейной формы методом закрепления с использованием больших графитовых элементов требует очень много времени и является дорогим с точки зрения расхода материала и трудовых затрат.

Предложенное изобретение позволяет осуществить изготовление крупногабаритных и разнообразных по форме графитовых литейных форм (кристаллизаторов) из большого числа графитовых элементов вставок литейного кольца, которые позиционируются по отдельности и фиксируются в требуемом положении индивидуально, не требуя закрепления крепежными средствами, что облегчает процесс сборки в случае необходимости некоторых графитовых элементов. Кроме того, возможность позиционирования конфигурации фронтальной поверхности каждого вкладыша позволяет значительно разнообразить форму получаемых отливок, а ступенчатая конструкция собранных вместе составляющих кристаллизатора направлена на повышение качества готовых отливок и улучшение условий проведения технологического процесса.

Данное изобретение воплощено в аппарате и методах технологических операций литья, которые существенно снижают расход исходных материалов, время механической обработки, время изготовления и сборки литейной формы, а следовательно, затраты на сборку, техническое обслуживание литейной формы и ее ремонт, приводя к суммарному существенному снижению затрат на механическую обработку и, в конечном счете, затрат на разливку металла.

Данное изобретение обеспечивает также низкозатратную альтернативу созданию технологической оснастки - прототипа, необходимой для формирования слитков различной формы и размеров, тем самым повышая гибкость операции разливки, позволяя быстро перенастраиваться на новые и усложненные размеры и очертания отливаемых изделий. Данное изобретение обеспечивает также экономию на технологической оснастке, расходных материалах и затратах на капиталовложения.

Указанный технический результат достигается для объекта “устройство” совокупностью следующих признаков.

Кристаллизатор содержит множество установленных вплотную один к другому графитовых вкладышей, образующих внутреннюю его стенку, которая предназначена для контакта с расплавленным металлом, профилированную раму, установленную с задней и нижней сторон вкладышей, выполненную с возможностью опоры на нее вкладышей и соединенную с помощью средств крепления с расположенной в нижней части кристаллизатора пластинчатой крышкой с образованием между ней и рамой камеры для охлаждающей жидкости. Кристаллизатор имеет ступенчатый, сужающийся книзу профиль, а поперечное сечение каждого вкладыша имеет прямолинейный или криволинейный контур.

Торцевые поверхности боковых кромок рядом расположенных вкладышей имеют ответную одна другой форму.

В верхней и/или нижней частях рамы кристаллизатора образованы канавки, а в соответствующих местах вкладышей выполнен, по меньшей мере, один ответный канавкам выступ, который предназначен для плотного вхождения и фиксации в указанной канавке.

Верхний выступ каждого вкладыша имеет Г-образную форму.

Толщина каждого вкладыша находится в пределах от 0,3 до 1,3 см, а высота - в пределах от 0,6 до 10 см.

На задней стенке каждого вкладыша образованы, по меньшей мере, две продольные канавки для подвода смазочного масла и/или газа, и/или жидкости.

На передней стенке каждого вкладыша образовано покрытие из смеси твердых коллоидных частиц графита и дисульфида молибдена, имеющих субмикронные размеры.

В верхней части над вкладышами установлен ступенчатый монтажный блок, соединенный с помощью средств крепления с рамой и выступающий за фронтальную поверхность вкладышей на расстояние 0,2-3,8 мм.

Выступ монтажного блока выполнен закругленным с радиусом от 2 до 5 мм.

Ширина уступа между ступенями монтажного блока составляет 2-8 мм.

Монтажный блок состоит из двух отдельных, расположенных один над другим элементов.

Нижняя часть вкладышей выступает за поверхность рамы на расстояние 0,2-3,8 мм, а рама выступает за поверхность пластинчатой крышки на расстояние 1-3 мм.

Данное изобретение представляет собой усовершенствование литейной формы для расплавленного металла. Входящая в нее рама представляет собой комбинацию опоры для вкладышей и части охлаждающей камеры. Рама служит для образования замкнутой (кольцевой) поверхности. В литьевую форму входит очень большое количество графитовых вкладышей (их число превышает 80 штук на каждый метр периметра формы). Они опираются без дополнительного крепления на опору для вкладышей в охлаждающей раме. Элементы вкладышей подгоняются кромка к кромке на опорной части рамы для формирования литейной поверхности для расплавленного металла. Элементы вкладышей в предпочтительном варианте конструкции образуют кромку, которая плотно садится в кольцевые канавки в опорной и охлаждающей раме для позиционирования и блокировки в них указанных элементов вкладышей. В предпочтительном варианте конструкции изобретения литейная машина спроектирована для обеспечения, в дополнение к графитовому кольцу, смазочного масла и дополнительной жидкой среды, выбранной из группы жидких сред, имеющих высокую испаряемость при нагреве с наличием или без наличия газовой среды, которые одновременно впрыскиваются через проницаемые для жидкости графитовые элементы таким образом, что масло и дополнительная жидкая среда попадают в полость в точках на внутренней обращенной к отливке поверхности.

В другом предпочтительном варианте конструкции обращенные к отливке поверхности элементов вкладышей покрыты пульпой из коллоидных частиц графита субмикронного размера и частиц дисульфида молибдена. Эти частицы осуществляют модификацию и определяют характеристики поверхности отливки, а также обеспечивают гладкую стойкую к прилипанию поверхность, позволяя преодолеть любые несоответствия, которые могут возникнуть в результате использования элементов вкладышей не в точности одной и той же толщины или тех, которые могут содержать в себе несовершенства.

Смазочное масло, содержащее или не содержащее испаряющиеся жидкости, предпочтительно подаваемое с помощью канавок, образованных на тыльной стороне, т.е. на стороне, не обращенной к литьевому кольцу, элементов вставок, вынуждается одновременно диффундировать через тело кольца, т.е. через каждый из элементов вставки, так, чтобы поступать на внутреннюю периферическую поверхность литейного кольца во время заливки и формования массы расплавленного металла.

Например, в некоторых вариантах конструкции дополнительной текучей средой является газ.

В другом варианте конструкции масло и газ подаются в проницаемые для текучей среды элементы вставок через множество протяженных канавок, простирающихся по тыльной стороне графитового кольца.

Предусмотрены также устройства подачи текучей среды для одновременного впрыска смазочного масла и дополнительной жидкой среды, выбранной из группы жидких сред, имеющих высокую испаряемость при нагреве с наличием или без наличия газовой среды, через проницаемые для текучей среды секции стенки так, что масло и дополнительная текучая среда поступают в полость в точках на внутренней поверхности секций стенки.

В варианте конструкции смазочное масло закачивается в упомянутые выше канавки вместе с потоком находящегося под давлением такого газа, как воздух. Масло и газ могут одновременно закачиваться в одну и ту же канавку или канавки или же это закачивание может осуществляться раздельно в соответствующие канавки, так что масло и газ диффундируют одновременно через тело графитовых вставок и поступают в полость на внутренней периферической поверхности литейного кольца во время подачи массы расплавленного металла и образования застывшей массы в виде удлиненной заготовки металла.

Графит представляет собой полученный методом горячего изостатического прессования или экструзии очень мелкозернистый, практически не содержащий трещин высокопрочный графит типа графита ATJ (производство США).

Желательно, чтобы он подвергался также механической обработке для получения высокой чистоты поверхности и имел высокую теплопроводность. Подобный графит имеет достаточно высокую проницаемость, позволяющую маслу и газу диффундировать сквозь него. Помимо этого, подобный графит допускает диффузию в твердой среде очень мелких, имеющих субмикронные размеры, коллоидных частиц порошка графита и дисульфида молибдена. В предпочтительной конструкции на поверхность графитовых вставок, которые становятся поверхностью отливки, наносится покрытие из смеси этих порошковых красок. Это покрытие наносится в виде порошка или порошков или, что удобно, в виде пульпы или суспензии подобных мелких порошков в смеси деионизированной воды и спирта.

В качестве иного, но эквивалентного варианта обеспечения газомасляной среды на поверхности отливки следует упомянуть подачу касторового или кокосового масла или иного смазочного масла, находящегося в виде суспензии в такой сильно испаряющейся жидкости-переносчике, как спирт, в одну из канавок, при этом для испарения переносчика за время, за которое смесь поступает к внутренней периферической поверхности формы, можно положиться на тепло, которое генерируется в графитовом кольце за время операции отливки. При этом пары переносчика становятся частью кольца вокруг металлической массы и могут полностью замесить газообразную среду, обычно подаваемую в канавки, что тем самым устраняет необходимость в подводке газа к канавкам. В качестве альтернативы или в дополнение к указанному можно использовать пары переносчика для модификации характера газов/паров в кольце и/или для оказания влияния на охлаждение металлической массы сверху.

Изобретение включает способ изготовления литейной формы (кристаллизатора) для расплавленного металла, которая представляет собой комбинацию опоры для вкладышей и охлаждающей рамы.

Вышеуказанный технический результат достигается для объекта “способ” совокупностью следующих признаков.

Способ изготовления кристаллизатора включает соединение профилированной рамы, имеющей монтажные канавки в верхней и нижней частях, с пластинчатой крышкой с образованием камеры для охлаждающей жидкости, с последующим размещением на передней стенке рамы множества графитовых вкладышей, которые устанавливают вплотную один к другому и термически закрепляют в указанных канавках рамы посредством одного или двух выступов, образованных в верхней и/или нижней частях вкладышей. По меньшей мере, часть вкладышей, включающую выступы, перед монтажом охлаждают, а после монтажа подвергают нагреву для плотного охвата и фиксации выступов стенками канавок рамы.

Охлаждению подвергают либо весь вкладыш, либо образованные в верхней и/или нижней его частях выступы.

В верхней части вкладыша выполняют Г-образный, а в нижней части прямой выступы.

В качестве охлаждающего агента используют жидкий азот.

После монтажа вкладышей на раме на их наружную поверхность наносят покрытие в виде порошка, пульпы или суспензии, включающих твердые коллоидные частицы графита и дисульфида молибдена, имеющие субмикронные размеры.

Вкладыши выполняют с возможностью диффундирования сквозь них смазочного масла, находящегося в жидкой или парообразной фазе, и/или газа, и/или жидкости, имеющей высокую степень испарения при нагреве.

После монтажа вкладышей на раме над ними устанавливают монтажный блок, который соединяют с рамой и пластинчатой крышкой с помощью средств крепления, при этом монтажный блок образует над вкладышами выступ, по сути равный 0,2-3,8 мм.

Раму выполняют из теплопроводного материала, например стали или алюминия, или их сплавов.

Данный способ включает охлаждение графитовых элементов вкладышей литейного кольца перед вставкой кромок соответствующих выступов вкладышей в кольцевые канавки в указанной раме и допускание нагрева и термического расширения указанных элементов вкладышей, что приводит тем самым к блокировке кромок в заданном положении в указанных канавках за счет термически вызванного усилия между элементом вкладыша и опорной рамой.

Графитовым элементам вкладышей литейной формы может быть придана Г-образная форма.

В этом случае способ заключается в охлаждении Г-образной кромки выступа вкладыша с последующей вставкой указанной охлажденной кромки в кольцевую канавку рамы, а затем в нагреве и термическом расширении, которые блокируют кромку в заданном положении в указанной канавке за счет термически вызванного усилия между элементом вкладыша и опорной рамой.

В другом варианте рама имеет вторую кольцевую канавку, а графитовые вкладыши литейной формы изготовлены таким образом, что образуют в дополнение к указанной Г-образной кромке направленную вниз выступающую кромку вкладыша. Способ заключается в охлаждении указанной направленной вниз прямой выступающей кромки вкладыша с последующей вставкой указанной кромки в упомянутую вторую кольцевую канавку в раме, а затем в нагреве и термическом расширении упомянутой направленной вниз выступающей кромки вкладыша, что приводит к блокированию указанной кромки в кольцевой канавке за счет термически вызванного усилия между элементом вкладыша и опорной рамой.

Другие особенности и преимущества данного изобретения, в том числе несколько возможных вариантов его реализации, следуют из чертежей и приводимого ниже описания.

На фиг.1 представлен частичный продольный разрез кристаллизатора;

на фиг.2 изображен узел А по фиг.1;

на фиг.3 представлен вид с торца на один из графитовых вкладышей кристаллизатора;

на фиг.4 представлены варианты сечений В-В по фиг.3.

Согласно предложенному изобретению кристаллизатор может иметь любую конфигурацию внутренней поверхности, а именно эта поверхность, обращенная к металлу, может быть как прямолинейной, так и криволинейной.

Кристаллизатор состоит из профилированной рамы 1, нижний участок 2 которой служит опорой для графитовых вкладышей 3 (фиг.1). Профилированная рама 1 соединена с пластинчатой крышкой 4 с помощью средств крепления. Над вкладышами 3 установлен ступенчатый монтажный блок, ступени 5 и 6 которого из соображений экономии могут состоять из двух отдельных деталей или выполняться за одно целое. Монтажный блок изготовлен из керамического материала с дисперсными частицами графитовых волокон и соединен крепежным средством, например болтом 7, с рамой 1.

Между рамой 1 и пластинчатой крышкой 4 образована камера 8 для охлаждающей жидкости.

Ступенчатый профиль кристаллизатора образован сверху вниз элементами 5 и 6 монтажного блока, графитовыми вкладышами 3, нижней частью 2 рамы и пластинчатой крышкой 4. Между всеми перечисленными элементами образованы уступы следующей ширины: верхняя ступень 6 монтажного блока выходит за поверхность нижней ступени 5 этого блока на величину 2-8 мм; нижняя ступень 5 монтажного блока образует над вкладышем 3 уступ, равный 0,2-3,8 мм; такой же по величине уступ образован между вкладышем и нижней частью 2 рамы, которая, в свою очередь, выступает над поверхностью пластинчатой крышки на 1-3 мм.

На фиг.2 показано выполнение уступа, образованного нижней ступенью 5 над вкладышем, закругленным, при этом радиус этого закругления лежит в интервале значений 2-5 мм.

На фиг.3 изображен торец (боковая кромка) вкладыша 3, который согласно разным вариантам выполнения может иметь один или два выступа, образованных как в нижней, так и в верхней его части. Нижний выступ 9 выполнен прямоугольным, отстоящим внутрь от фронтальной поверхности вкладыша, и имеет протяженность вниз не менее чем на 2,5 мм. Верхний выступ 10 имеет Г-образную форму, его длина составляет примерно 8 мм.

На тыльной стороне вкладыша 3 выполнено от 2 до 10 продольных канавок 11 для подвода смазочного масла или других вышеназванных веществ, предназначенных для диффундирования сквозь графитовые вкладыши на внутреннюю поверхность кристаллизатора. Высота каждой канавки примерно 3 мм, а ее глубина около 1,5 мм.

Выступы 9 и 10 вкладыша служат для их размещения в соответствующих канавках 12 и 13 рамы.

На фиг.4 изображены некоторые из возможных вариантов конфигурации фронтальной поверхности вкладышей. В зависимости от требуемой формы боковой поверхности отливки вкладыши могут иметь криволинейный 14 (фиг.4а) или прямолинейный 15 (фиг.4б) контур.

Множество графитовых элементов вкладышей 3 кристаллизатора опираются полностью без крепления на опору для вкладышей и охлаждающую раму 1, будучи установленными бок о бок.

Г-образный выступ в верхней части и выступ в нижней части соответствующих графитовых элементов вкладышей кристаллизатора устанавливаются в канавки 13 и 12 в опоре вкладыша и в охлаждающей раме 1. Задние поверхности графитовых элементов вкладышей опираются на опорную поверхность рамы 1. Опора вкладышей и охлаждающая рама 1 опирается с помощью традиционных средств, например, на разливочный стол (не показан).

Пластинчатая крышка 4, прикрепленная к нижней части опоры вкладыша и охлаждающей рамы 1, образует в сочетании с опорой и охлаждающей рамой камеру для охлаждения воды. Расплавленный металл заливается в форму (кристаллизатор), а слиток опускается вниз по мере добавления дополнительного расплавленного металла. Расплавленный металл удерживается у графитовой литейной поверхности, образуемой большим числом графитовых элементов вкладышей кристаллизатора, опираемых на блокируемые в заданном положении нижние участки 2 рамы и получающих охлаждение от рамы 1, охлаждаемая камера которой образуется рамой и нижней крышкой 4, которые могут удерживаться вместе с помощью любого удобного крепежного средства, например болта 7 и сопутствующих шайб, гаек, или с использованием иных крепежных элементов. Керамические монтажные блоки 5 и 6 используются в сочетании с литейной формой.

По одному из вариантов выполнения вкладыша кристаллизатора (фиг.4б) его фронтальная (передняя) поверхность является гладкой и плоской. Поскольку передняя поверхность вкладыша представляет собой поверхность, на которую выливается расплавленный металл, желательно, чтобы она была гладкой для предотвращения прилипания расплавленного металла. Согласно предложению, литейная форма может быть любого размера и в том числе угловой формы с использованием графитовых элементов вкладышей кристаллизатора, имеющих плоскую поверхность; однако могут быть изготовлены указанные элементы, у которых эти поверхности имеют дугообразную (фиг.4а) или любую искривленную форму (не показана). Графит представляет собой прессованный в форме очень мелкозернистый, практически не содержащий трещин высокопрочный графит типа графита ATJ, продаваемого Отделом углеродных продуктов корпорации Union Carbide, Чикаго, шт. Иллинойс, США. Предпочтительно, чтобы он подвергался также механической обработке для получения высокой чистоты поверхности и имел высокую теплопроводность. Подобный графит имеет достаточно высокую проницаемость, позволяющую маслу и газу диффундировать сквозь него.

Помимо этого, подобный графит допускает диффузию в твердой фазе очень мелких, имеющих субмикронные размеры, коллоидных частиц порошка графита и дисульфида молибдена. В предпочтительном варианте конструкции на поверхность графитовых вставок, которые становятся поверхностью отливки, наносится покрытие из смеси этих порошковых красок. Это покрытие может наноситься в виде порошка или порошков, или, что удобно, в виде пульпы или суспензии подобных мелких порошков в масле.

Задняя (тыльная) поверхность графитового элемента вкладыша кристаллизатора является, как правило, гладкой, но в данном варианте конструкции имеет ряд продольных канавок 11, простирающихся по задней поверхности вкладыша. Эти канавки используются как резервуары со смазывающей жидкостью, которая проталкивается через графитовые элементы. Эти канавки также полезны для снятия термических напряжений во время сборки кольца и при его использовании.

Графитовые элементы вкладыша кристаллизатора были описаны применительно к конструкциям с плоской поверхностью, однако эти элементы, которые являются небольшими и легко подвергаются механической обработке, могут быть изготовлены практически любой формы для сборки в любом месте формы для получения любой требуемой ее конфигурации.

В отличие от элементов и систем известных конструкций, графитовые элементы вкладыша кристаллизатора, сущность которых представлена здесь, являются самопозиционирующимися и самоблокирующимися в конструкции кристаллизатора, не требуя крепления какого-либо типа.

Более того, для полной опоры и определения положения графитовых элементов вкладыша кристаллизатора используется только один рамный элемент.

Обратимся более подробно к фиг.1 и 3, на которых представлена опора вкладышей и охлаждающая рама 1, которая обеспечивает часть контура циркуляции охлаждающей среды и общее механическое опирание и позиционирование графитовых элементов вкладыша кристаллизатора и их связь с элементами литейной формы.

Опора вкладышей и охлаждающая рама 1 имеет такую форму и изготовлена таким образом, что определяет опорную и охлаждающую поверхность графита такой конфигурации, что тыльная сторона графитовых элементов вкладыша кристаллизатора плотно прилегает к этой поверхности. Эта опорная и охлаждающая поверхность графита обращена внутрь, т.е. в направлении пространства, ограничиваемого формой, и, как правило, простирается в вертикальном направлении, т.е. более или менее перпендикулярно плоскости кристаллизатора. Простирающийся вперед от нижней части рамы 1 в направлении к центру формы передний опорный выступ 2 имеет такую форму и изготовлен таким образом, что образует простирающийся вверх выступ, который определяет канавку 12, которая имеет такую форму и изготовлена таким образом, что плотно размещает в себе нижний выступ 9 вкладыша 3.

Простирающийся вверх от передней грани рамы элемент имеет такую форму и изготовлен таким образом, что образует простирающийся вверх выступ, который образует канавку 13, которая имеет такую форму и изготовлена таким образом, что плотно размещает в себе выступ 10 графитового элемента вкладыша кристаллизатора. После расширения за счет нагрева указанных выступов края графитовых элементов вкладышей оказываются сжатыми друг с другом, что тем самым создает между ними герметичное для жидкости уплотнение, предотвращая попадание между ними расплавленного металла.

Таким образом, графитовые элементы вкладышей кристаллизатора опираются и позиционируются без какого-либо дополнительного закрепления на охлаждающей раме 1.

С целью обеспечения точного положения отдельных графитовых элементов вкладыша кристаллизатора эти элементы собираются с использованием следующего метода. Опорное кольцо рамы размещается в установленном положении. Каждый из отдельных графитовых элементов вкладышей устанавливается предварительно, а затем при необходимости обрезается до соответствующей длины и/или подвергается механической обработке до требуемой конфигурации, например, один из торцов может быть скошен для образования угла с другим графитовым элементом вкладыша, имеющего скос кромки. Затем отдельный графитовый элемент вкладыша охлаждается в жидком азоте, что приводит к термическому сжатию графита. Затем охлажденный с помощью жидкого азота отдельный графитовый элемент вкладыша размещается на опоре и охлаждающей раме 1, при этом задняя поверхность отдельного графитового элемента вкладыша покоится на обращенной внутрь поверхности опоры вкладыша и охлаждающей раме, выступ 9 попадает в канавку 12, а выступ 10 попадает в канавку 13. После нагревания кромки графита расширяются в соответствующих канавках и фиксируют положение отдельного графитового элемента вкладыша в раме 1.

Кристаллизатор включает в себя дополнительные элементы, которые здесь не описаны, поскольку не относятся непосредственно к данному изобретению.

Нижняя пластинчатая крышка 4 имеет такую форму и изготовлена таким образом, что образует большое число выпускных отверстий для охлаждающей воды, окружающих отливаемый слиток, одно из них обозначено позицией 16. Угол наклона отверстия к горизонтали составляет 55-84°. Ступенчатая конфигурация охлаждающей камеры в данном изобретении отличается от известных конструкций.

Стенка внутренней поверхности нижней пластинчатой крышки при формировании стенки формы фактически имеет уступ (лежащий в диапазоне от 0,2 до 2,5 мм) относительно внутренней стенки опорной рамы за счет формирования уступа на внутренней поверхности формы. Этот уступ является важной отличительной особенностью данного изобретения, поскольку он предотвращает повторное касание между затвердевшей оболочкой слитка и стенкой формы, тем самым предотвращая образование продолжения связей подповерхностной ликвации.

В верхней поверхности пластинчатой крышки может быть выполнена канавка для кольцевого уплотнения (не показана).

Для того чтобы герметизировать охлаждающую камеру, болт 7 проходит через каналы, образованные в опоре вкладыша и охлаждающей раме 1 и пластинчатой крышке 4 для того, чтобы стянуть вместе две половинки для уплотнения элементов с помощью кольцевых прокладок.

Необходимо отметить, что данное стягивающее действие не является частью позиционирования и сборки отдельных графитовых элементов вкладыша кристаллизатора. На практике вся конструкция водяной камеры обычно собирается перед присоединением отдельных графитовых элементов вкладышей.

Монтажный блок, состоящий из кольцевой керамической пластины 5 и кольцевой керамической перегородки 6, крепится к литейной форме с помощью кронштейна 17 и болта 7, предназначенных для удерживания этих элементов вместе. Следует отметить, что крепление керамического блока не связано непосредственно с позиционированием отдельных графитовых элементов вкладышей, которые являются самоблокирующимися относительно опоры вкладыша и охлаждающей рамы 1, как это было показано выше. Как видно из фиг.1, кристаллизатор имеет ступенчатый, сужающийся книзу профиль.

Ступенька 18, образованная между элементами 5 и 6 монтажного блока, имеет протяженность примерно 2-8 мм и служит для задерживания разнообразных окислов металлов на поверхности расплава.

Уступ 19, изображенный укрупненно на фиг.2, имеет скругленную форму и протяженность от 0,2 до 2,5 мм. Он служит для направления расплавленного металла таким образом, чтобы угол контакта между мениском расплава и графитовыми вкладышами контролировался в требуемом диапазоне.

Протяженность уступов или ступенек 20 и 21 составляет примерно 0,4-2,5 мм, а уступ 22 является существенно более глубоким и в предпочтительном варианте представляет собой просто скошенную кромку. Как показано на фиг.1, опора вкладыша и охлаждающая рама, а также графитовые элементы вкладышей кристаллизатора спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы создать направленный вовне уступ, лежащий в пределах от примерно 0,2 до примерно 2,5 мм над центральной частью литейной формы между верхней частью графитовой литейной поверхности и нижней частью монтажного блока, и уступ, лежащий в пределах от примерно 0,2 до примерно 2,5 мм между нижней частью графитовой литейной поверхности и конструкцией нижеуказанной литейной поверхности. Эти уступы являются важной отличительной особенностью данного изобретения, поскольку они предотвращают повторное касание затвердевшей оболочки слитка и стенки кольца, тем самым предотвращая образование продолжения связей подповерхностной ликвации.

Аппарат для литья спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать в дополнение к графитовому кольцу использование смазочного масла и дополнительной текучей среды, выбираемой из группы, состоящей из жидких сред, имеющих высокую испаряемость при нагреве, и газообразной среды, которые одновременно впрыскиваются через проницаемые для жидкости графитовые вкладыши.

Смазочное масло и газ подаются любым известным способом. Например, источник смазочного масла и/или газа может подавать масло и/или газ в канавки 11 на тыльной стороне вкладышей через соответствующие каналы и отверстия (не показаны), образованные в раме.

Масло и газ заставляют одновременно диффундировать через каждый из элементов вкладышей так, чтобы они поступали на внутреннюю периферическую поверхность кристаллизатора во время заливки в форму массы расплавленного металла.

Смазочное масло закачивается в упомянутые выше канавки вместе с потоком находящегося под давлением такого газа, как воздух. Масло и газ могут одновременно закачиваться в одну и ту же канавку или канавки или же это закачивание может осуществляться раздельно в соответствующие канавки, так что масло и газ диффундируют одновременно через тело графитовых вкладышей и поступают в полость на внутренней периферической поверхности кристаллизатора во время подачи массы расплавленного металла и образования застывшей массы в виде удлиненной заготовки металла.

В качестве иного, но эквивалентного способа обеспечения газомасляной среды на поверхности отливки следует упомянуть подачу касторового или кокосового масла или иного смазочного масла, находящегося в виде суспензии в такой сильно испаряющейся жидкости-переносчике, как спирт, в одну из канавок, при этом для испарения переносчика за время, за которое смесь поступает к внутренней периферической поверхности кристаллизатора, можно положиться на тепло, которое генерируется в графитовом кольце вкладышей за время операции отливки. При этом пары переносчика становятся частью этого кольца, образующегося вокруг металлической массы, и могут полностью заместить газообразную среду, обычно подаваемую в канавки, что тем самым устраняет необходимость в подводе газа к канавкам. В качестве альтернативы или в дополнение к указанному можно использовать пары переносчика для модификации характера газов/паров в кольце и/или для усиления охлаждения металлической массы сверху.

Группа изобретений реализуется в усовершенствованном аппарате для разливки расплавленного металла (кристаллизаторе) и способе его изготовления.

Опора вкладыша и охлаждающая рама, которым придана форма и которые изготовлены таким образом, чтобы образовать замкнутое плоское кольцевое пространство, очерчивают кольцевую опорную поверхность, которая обращена к кольцевому пространству и, как правило, располагается перпендикулярно плоскости указанного кольцевого пространства. Опорная поверхность находится в прямой тесной термической связи с камерой для охлаждающей жидкости, например, через теплопроводящую систему. Рама изготовлена из теплопроводящего материала, например стали, алюминия или его сплавов или других металлов и металлических сплавов. Таким образом, опорная поверхность охлаждается с помощью охлаждающей жидкости, например воды, в охлаждающей камере. Известен способ впрыска воды из охлаждающей камеры в направлении формируемого слитка с целью обеспечения непосредственного водяного охлаждения на поверхности слитка для сохранения его целостности и твердого состояния, подобный способ предусмотрен и в данном изобретении. Большое число графитовых элементов вкладышей литейного кольца опираются без крепления специальными металлическими средствами на опорную поверхность охлаждающей рамы. В результате элементы вкладышей охлаждаются через теплопроводящий материал рамы и опорную поверхность за счет охлаждающей воды, находящейся в охлаждающей камере.

В раме выполнена одна или большее число кольцевых канавок, примыкающих к указанной кольцевой поверхности. Элементы вкладышей подгоняются краями друг к другу на кольцевой поверхности, определяя литейное кольцо для расплавленного металла.

Пример осуществления способа.

Кромки выступов вкладышей плотно подгоняются в кольцевые канавки в опоре и охлаждающей раме для позиционирования и закрепления в них указанных элементов вкладышей. Установка, в предпочтительном варианте конструкции, изготовляется путем охлаждения графитовых элементов вкладышей литейного кольца перед вставкой соответствующих элементов вкладышей в кольцевые канавки в раме и последующего нагрева и термического расширения указанных элементов вкладышей, что приводит тем самым к блокировке кромки соответствующих вкладышей в заданном положении в указанной канавке за счет термически вызванного усилия между элементом вкладыша и опорной рамой. Элементы вкладышей подгоняются краями друг к другу вокруг указанной кольцевой рамы для образования указанной литейной поверхности, обращенной к расплавленному металлу, и крепятся на нем за счет термически вызванной силы сцепления между указанным вкладышем и указанной опорой вкладыша и охлаждающей рамой. Элементы вкладышей уплотняются друг к другу термически вызванной силой сцепления, т.е. когда элементы удаляются из охлаждающей среды, жидкого азота, и помещаются на опорную поверхность и им дается возможность нагреться, термическое расширение сжимает вместе их края, образуя герметичное для жидкости уплотнение и порождая термически вызванные силы между частями элементов и опорной рамой, например, кромка соответствующего выступа расширяется в канавке, образуя плотную конструкцию с надежной зажимающей силой.

Затем на всю верхнюю внутреннюю стенку графитового кольца наносится покрытие из коллоидного графита с целью маскировки небольших рассогласований, при их наличии, вдоль краев двух графитовых элементов вкладышей. Нанесение указанного покрытия обеспечивает ровную и гладкую поверхность у отливаемого расплавленного металла или его сплавов.

Данное изобретение значительно уменьшает затраты на необработанные материалы, т.е. стоимость графита; время механической обработки, т.е. время механической обработки опорной плоскости и время механической обработки графита, а тем самым уменьшает и затраты на механическую обработку; время на изготовление и сборку кристаллизатора, а тем самым и затраты на его сборку и затраты на техническое обслуживание и ремонт литейной формы. Все перечисленное ведет к суммарному значительному уменьшению затрат на технологическую оснастку и, в конечном счете, затрат на разливку металла. Данное изобретение обеспечивает также низкозатратную альтернативу созданию технологической оснастки-прототипа, необходимой для формирования слитков различной формы и размеров, тем самым повышая гибкость операции разливки, позволяя быстро перестраиваться на новые и усложненные размеры и очертания отливаемых изделий, а ступенчатая, сужающаяся книзу форма кристаллизатора позволяет повысить качество производимых отливок. Данное изобретение обеспечивает также экономию на технологической оснастке, расходных материалах и затратах на капиталовложения.

Формула изобретения

1. Кристаллизатор, содержащий множество установленных вплотную один к другому графитовых вкладышей, образующих внутреннюю его стенку, предназначенную для контакта с расплавленным металлом, профилированную раму, выполненную с возможностью опоры на нее вкладышей и соединенную с помощью средств крепления с расположенной в нижней части кристаллизатора пластинчатой крышкой с образованием между ней и рамой камеры для охлаждающей жидкости, при этом кристаллизатор имеет ступенчатый, сужающийся книзу профиль, а поперечное сечение каждого вкладыша имеет прямолинейный или криволинейный контур.

2. Кристаллизатор по п.1, в котором торцевые поверхности боковых кромок рядом расположенных вкладышей имеют ответную одна другой форму.

3. Кристаллизатор по любому из пп.1 и 2, в верхней и/или нижней частях рамы которого образованы канавки, а в соответствующих местах вкладышей выполнен, по меньшей мере, один ответный канавкам выступ, предназначенный для плотного вхождения и фиксации в указанной канавке.

4. Кристаллизатор по п.3, в котором верхний выступ каждого вкладыша имеет Г-образную форму.

5. Кристаллизатор по любому из пп.1-4, толщина каждого вкладыша которого находится в пределах 0,3 - 1,3 см, а высота - в пределах 0,6 - 10 см.

6. Кристаллизатор по любому из пп.1-5, на задней стенке каждого вкладыша которого образованы, по меньшей мере, две продольные канавки для подвода смазочного масла, и/или газа, и/или жидкости.

7. Кристаллизатор по любому из пп.1-6, на передней стенке каждого вкладыша которого образовано покрытие из смеси твердых коллоидных частиц графита и дисульфида молибдена, имеющих субмикронные размеры.

8. Кристаллизатор по любому из пп.1-7, в верхней части которого над вкладышами установлен ступенчатый монтажный блок, соединенный с помощью средств крепления с рамой и выступающий за фронтальную поверхность вкладышей на расстояние 0,2-3,8 мм.

9. Кристаллизатор по п.8, в котором выступ монтажного блока выполнен закругленным с радиусом 2 - 5 мм.

10. Кристаллизатор по любому из пп.8 и 9, в котором ширина уступа между ступенями монтажного блока составляет 2-8 мм.

11. Кристаллизатор по любому из пп.8-10, в котором монтажный блок состоит из двух отдельных, расположенных один над другим элементов.

12. Кристаллизатор по любому из пп.1-11, в котором нижняя часть вкладышей выступает за поверхность рамы на расстояние 0,2-3,8 мм.

13. Кристаллизатор по любому из пп.1-12, в котором рама выступает за поверхность пластинчатой крышки на расстояние 1-3 мм.

14. Кристаллизатор по любому из пп.1-13, в котором на каждом метре периметра рамы установлено около 80 штук вкладышей.

15. Способ изготовления кристаллизатора, включающий соединение профилированной рамы, имеющей монтажные канавки в верхней и нижней частях, с пластинчатой крышкой с образованием камеры для охлаждающей жидкости, с последующим размещением на передней стенке рамы множества графитовых вкладышей, которые устанавливают вплотную один к другому и термически закрепляют в указанных канавках рамы посредством одного или двух выступов, образованных в верхней и/или нижней частях вкладышей, при этом по меньшей мере часть вкладышей, включающую выступы, перед монтажом охлаждают, а после монтажа подвергают нагреву для плотного охвата и фиксации выступов стенками канавок рамы.

16. Способ по 15, согласно которому охлаждению подвергают весь вкладыш.

17. Способ по п.15, согласно которому в верхней части вкладыша выполняют Г-образный, а в нижней части - прямой выступы, которые перед монтажом подвергают охлаждению.

18. Способ по любому из пп.15-17, согласно которому в качестве охлаждающего агента используют жидкий азот.

19. Способ по любому из пп.15-18, характеризующийся тем, что после монтажа вкладышей на раме на их наружную поверхность наносят покрытие в виде порошка, пульпы или суспензии, включающих твердые коллоидные частицы графита и дисульфида молибдена, имеющие субмикронные размеры.

20. Способ по любому из пп.15-19, в котором вкладыши выполняют с возможностью диффундирования сквозь них смазочного масла, находящегося в жидкой или парообразной фазе, и/или газа, и/или жидкости, имеющей высокую степень испарения при нагреве.

21. Способ по любому из пп.15-20, согласно которому после монтажа вкладышей на раме над ними устанавливают монтажный блок, который соединяют с рамой и пластинчатой крышкой с помощью средств крепления, при этом монтажный блок образует над вкладышами выступ, по существу, равный 0,2-3,8 мм.

22. Способ по любому из пп.15-21, в котором раму выполняют из теплопроводного материала, например, стали, или алюминия, или их сплавов.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4