многоручьевой кристаллизатор для непрерывного литья слитков из меди и ее сплавов

Формула изобретения

1. Многоручьевой кристаллизатор для непрерывного литья слитков из меди и ее сплавов, выполненный соединенным с металлоприемником и состоящий из охлаждаемой части, выполненной в виде водоохлаждаемого металлического корпуса, неохлаждаемой части и графитовых втулок, отличающийся тем, что графитовые втулки выполнены тонкостенными с цилиндрической внутренней поверхностью и конической наружной поверхностью, расширяющейся в сторону охлаждаемой части кристаллизатора, и толщиной стенок от, примерно, 2,0 до, примерно, 4,0 мм, при этом неохлаждаемая часть кристаллизатора выполнена в виде графитового хвостовика и соединена с охлаждаемой частью графитовыми втулками, при этом между охлаждаемой и неохлаждаемой частями установлена теплоизолирующая прокладка, а кристаллизатор дополнительно оснащен средствами вторичного охлаждения слитка, установленными на выходе слитка из графитовых втулок и прижимающими наружную поверхность втулок к металлическому корпусу.

2. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что усилие прижатия графитовых втулок к металлическому корпусу средствами вторичного охлаждения слитка регулируется с помощью нажимных втулок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к непрерывному горизонтальному литью слитков из меди и ее сплавов.

Известны графитовые кристаллизаторы для многоручьевой непрерывной разливки заготовок металлов и сплавов, состоящие из графитовой формы с широкими стенками, которая крепится в водоохлаждаемую металлическую обойму (SU 430951, В 22 D 11/14, 1974).

Такая конструкция не позволяет приблизить охлаждение к зоне формирования слитка и производить регулирование охлаждения слитка. Кроме того, такое охлаждение приводит к интенсивному отводу тепла от части кристаллизатора, вмонтированной в металлоприемник, что снижает температуру расплава, поступающего в зону кристаллизации, и ухудшает качество слитка.

Аналогичные недостатки присущи конструкции кристаллизатора для непрерывного литья металлической заготовки, состоящего из внутренней гильзы и наружной охлаждаемой рубашки. При этом получают металлическую заготовку с затвердевшей коркой и жидкой сердцевиной, которую вытягивают из выпускного отверстия кристаллизатора (US 4523624, В 22 D 11/16, 1986).

Известен многоручьевой кристаллизатор для горизонтального непрерывного литья плоских слитков, содержащий металлический корпус, внутри которого устанавливается графитовая форма, собранная из отдельных охлаждаемых вкладышей. В каждом графитовом вкладыше выполнены каналы для циркуляции охлаждающей воды, что позволяет осуществлять равномерное охлаждение слитков по периметру (патент КZ 863, кл. В 22 D 11/04, 1994).

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрана конструкция кристаллизатора, используемого в многоручьевой установке для непрерывного литья плоских слитков, включающая рабочую графитовую втулку, которая крепится в охлаждаемой металлической обойме. При этом конец графитовой втулки вмонтирован в металлоприемник и является неохлаждаемой частью кристаллизатора. В теле широких стенок графитовых втулок перпендикулярно оси литья, с разным расстоянием и шагом, выполнены отверстия, в которые установлены водоохлаждаемые трубки, что позволяет регулировать интенсивность охлаждения слитка по длине и ширине кристаллизатора (SU 753528, В 22 D 11/04, 1980).

Основным недостатком прототипа, а также общим недостатком известных конструкций кристаллизаторов является недостаточно эффективное удаление газов, в частности водорода, из затвердевающей меди или медных сплавов. Расплавленная медь содержит значительные количества водорода и во время процесса затвердевания не весь водород высвобождается. Наличие водорода отрицательно влияет на определенные важные физические свойства медных заготовок. Например, медные прутки, содержащие водород, имеют высокую пористость и, соответственно, низкую плотность, вследствие чего склонны к растрескиванию или разрушению при изгибе.

Для повышения качества слитков требуется дополнительный отжиг после кристаллизации и горячая прокатка, позволяющие уменьшить пористость внутри слитка и увеличить механические свойства литой заготовки. Таким образом, известные конструкции кристаллизаторов не эффективны, так как не позволяют в процессе литья получать высококачественные медные слитки и требуется дальнейшая обработка заготовок, что увеличивает продолжительность процесса, возрастают энергозатраты и процесс значительно удорожается.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества отливаемых слитков и эффективности процесса литья.

Технический результат обеспечивается в конструкции многоручьевого кристаллизатора для непрерывного литья слитков из меди и ее сплавов, выполненного соединенным с металлоприемником и состоящего из охлаждаемой части, выполненной в виде водоохлаждаемого металлического корпуса, неохлаждаемой части и графитовых втулок, причем графитовые втулки выполнены тонкостенными с цилиндрической внутренней поверхностью и конической наружной поверхностью, расширяющейся в сторону охлаждаемой части кристаллизатора, и толщиной стенок от примерно 2,0 до примерно 4,0 мм, при этом неохлаждаемая часть кристаллизатора выполнена в виде графитового хвостовика и соединена с охлаждаемой частью графитовыми втулками, при этом между охлаждаемой и неохлаждаемой частями установлена теплоизолирующая прокладка, а кристаллизатор дополнительно оснащен средствами вторичного охлаждения слитка, установленными на выходе слитка из графитовых втулок и прижимающими наружную поверхность втулок к металлическому корпусу.

Усилие прижатия графитовых втулок к металлическому корпусу средствами вторичного охлаждения слитка регулируется с помощью нажимных втулок.

При кристаллизации металла в кристаллизаторе протекает ряд сложных процессов, связанных с теплопередачей, выделением газов из металлов и формированием макро- и микроструктуры слитка. Формирование структуры слитка в значительной степени зависит от системы охлаждения, используемой в кристаллизаторе.

Конструкция кристаллизатора при формировании слитков из цветных металлов и сплавов должна обеспечивать такое температурное поле, которое позволит при кристаллизации металла выделиться максимальному количеству газов из жидкой фазы и сформироваться слитку без дефектов на поверхности и внутри него.

Предлагаемый кристаллизатор в отличие от известных конструкций создает такое температурное поле в стенке графитовой формы, которое обеспечивает в зоне кристаллизации быстрое затвердевание поверхности слитка и вытеснение выделяющегося газа как через жидкую фазу к поверхности графитовой формы, так и через затвердевшую корочку. При этом отливаемые слитки обладают высокими физико-механическими свойствами.

В соответствии с изобретением этот результат достигается тем, что кристаллизатор имеет первичную и вторичную ступени охлаждения. Первичная ступень охлаждения представляет собой корпус кристаллизатора, выполненный, предпочтительно, из меди или другого металла с высокой теплопроводностью, упакованный в водоохлаждаемую металлическую рубашку. Водоохлаждаемый корпус поглощает тепло от расплавленного металла через тонкостенные рабочие графитовые втулки, расположенные по окружности в корпусе кристаллизатора и выполненные из высококачественного графита.

Неохлаждаемая часть кристаллизатора представляет собой графитовый хвостовик, изготовленный из электродного графита, и соединена с печью-металлоприемником с помощью графитовых втулок, при этом между медным охлаждаемым корпусом и графитовым хвостовиком устанавливается теплоизолирующая, например, асбестовая прокладка, которая разделяет зону нагрева и зону охлаждения графитовой формы.

Теплоизоляционная прокладка резко снижает непроизвольный отвод тепла от металлоприемника, повышая температуру обогреваемой части кристаллизатора, и обеспечивает подачу расплава в зону кристаллизации с более высокой температурой, что необходимо для лучшего питания отливки.

В результате расплавленный металл из печи начинает затвердевать на первой охлаждающей ступени, а тонкостенные графитовые втулки толщиной от примерно 2,0 до примерно 4,0 мм позволяют водороду и другим газам диффундировать через поры и трещины тонких стенок и выделившийся из металла газ максимально удаляется из зоны формирования слитка. При этом водород улетучивается через зазоры между внешней поверхностью графитовых втулок и внутренней поверхностью корпуса кристаллизатора.

При толщине стенок графитовых втулок больше примерно 4 мм процесс удаления газов ухудшается, при толщине меньше примерно 2 мм прочность стенок становится незначительной.

Таким образом, система первичного охлаждения в предлагаемой конструкции кристаллизатора с помощью водоохлаждаемого корпуса, графитового хвостовика, тонкостенных графитовых втулок и теплоизолирующей прокладки позволяет создать такое температурное поле и такую скорость затвердевания, что только минимальное количество водорода остается в затвердевающем медном слитке, обеспечивая высокое качество отливаемых заготовок.

Вторая ступень охлаждения предназначена для непосредственного охлаждения слитка на выходе из графитовых втулок, при этом средства вторичного охлаждения упираются в графитовые втулки и плотно прижимают их к охлаждаемому металлическому корпусу.

Такое усилие прижатия необходимо для придания прочности тонким стенкам графитовых втулок, через которые осуществляется удаление водорода из расплавленного металла, и для лучшей передачи тепла от отливаемого слитка к охлаждаемому корпусу. С этой же целью наружная поверхность втулок выполнена конической, расширяющейся в сторону охлаждаемой части кристаллизатора. Усилие давления, создаваемое средствами вторичного охлаждения, обеспечивает плотное прижатие наружной поверхности втулок к металлическому корпусу. В качестве средств вторичного охлаждения слитка может быть использована система, включающая множество сопел, через которые струями подается охлаждающая жидкость непосредственно на сформированный слиток. Усилие прижатия регулируется с помощью нажимных втулок. При этом к кристаллизатору крепится опорный диск, по окружности которого на резьбе вворачиваются нажимные втулки.

Используемое в предлагаемом кристаллизаторе управление процессом затвердевания обеспечивает поддержание необходимого градиента температуры вдоль направления расплавленного потока металла, что позволяет быстро удалять водород из расплавленной меди перед и во время процесса затвердевания. Высококачественная медь, полученная при использовании предлагаемого кристаллизатора, имеет высокую плотность в диапазоне 8,92-8,94 г/см³ и ее можно сразу же обрабатывать волочением, без необходимости отжига и горячего проката, как это предусмотрено в известных конструкциях, что подтверждает высокую эффективность использования предлагаемого кристаллизатора в процессе непрерывного литья медных слитков.

На фиг. 1 изображен многоручьевой кристаллизатор, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид с торца.

Кристаллизатор состоит из охлаждаемой и неохлаждаемой частей.

Охлаждаемая часть представляет собой медный корпус 1, закрепленный в металлической рубашке 2. Подвод охлаждающей воды осуществляется через штуцер 3 и сливается вода через штуцер 4. Неохлаждаемая часть состоит из графитового хвостовика 5, изготовленного из электродного графита, который вставляется в специальный керамический блок 6, закрепленный в стенке печи-металлоприемника 7. Обе части кристаллизатора теплоизолированы друг от друга прокладкой 8 и соединены тонкостенными рабочими графитовыми втулками 9 из высококачественного графита, внутри которых кристаллизуется слиток 10. Графитовые втулки 9 имеют цилиндрическую поверхность внутри и коническую снаружи, расширяющуюся в сторону охлаждаемой части кристаллизатора.

На выходе слитка 10 из графитовых втулок 9 установлены средства вторичного охлаждения 11 в виде разбрызгивающих сопел и кольцевого канала для отвода воды. Вторичное охлаждение 11 плотно прижимает графитовую втулку 9 к медному корпусу 1. Усилие прижатия регулируется нажимными втулками 12, которые вворачиваются в опорный диск 13. Опорный диск 13 крепится с помощью болта 14 и промежуточной втулки 15 к корпусу кристаллизатора 1.

Работает кристаллизатор следующим образом.

Расплавленный металл из металлоприемника 7 поступает через рабочие отверстия графитовых втулок 9 в неохлаждаемую часть кристаллизатора - графитовый хвостовик 5, а затем в охлаждаемую часть - водоохлаждаемый медный корпус 1, где формируется слиток 10 и происходит интенсивное удаление газа из металла через тонкие стенки графитовых втулок 9.

На выходе из графитовых втулок 9 происходит дополнительное охлаждение слитка 10 средствами вторичного охлаждения 11, максимально приближенными к зоне формирования затвердевающего слитка путем его непосредственного охлаждения струями воды. Использование в предлагаемом кристаллизаторе двух ступеней охлаждения обеспечивает направленный тепловой поток вдоль слитка и высокоэффективное действие на процесс затвердевания с получением высококачественных медных продуктов.