CZ306775B6 - Kokilová sestava s vodním chlazením - Google Patents

Abstract

Kokilová sestava s vodním chlazením, určená pro odlévání ocelových ingotů, sestává z kokily (2), umístěné na licí desce (1), která je pod kokilou (2) opatřena do ingotu zatavitelným trubkovým chladičem (7), napojeným na přívod (5) a odvod (6) chladicí vody. Trubkový chladič (7) je tvořen např. do spirály stočenu kovovou trubkou, přičemž přívod (5) studené chladicí vody je do trubkového chladiče (7) zaústěn do jeho středu. Trubkový chladič (7) je přitom uložen přímo na povrchu licí desky (1) nebo je v licí desce (1) pro jeho zapuštění vytvořeno vybrání (8).

Description

Vynález se týká kokilové sestavy s vodním chlazením, určené pro odlévání ocelových ingotů, zejména pro odlévání těžkých kovářských ingotů.

Dosavadní stav techniky

Při odlévání tekuté oceli se běžně používá kokilová sestava, do které se tekutá ocel s teplotou například 1580 °C, tj. zhruba 40 °C nad teplotou likvidu, odlévá, aby utuhla. Ocel se do kokil odlévá buď horem, tj. přímo z licí pánve, která je opatřena uzavírátelnými výlevkami, nebo spodem, kdy se ocel nelije do kokil přímo, ale přes licí kůl a vtokové kanály, přičemž jako základny pro odlévání se používají licí desky. Kokily jsou obvykle litinové formy kruhového, čtvercového, obdélníkového nebo víceúhelníkového průřezu, v nichž tekutá ocel ztuhne v žádaný tvar, aby mohla být jako ocelový ingot dále zpracovávána válcováním nebo kováním.

Odvod tepla z tekuté oceli se děje přes licí desku a kokilu. Na začátku odlévání je odvod tepla z tekuté oceli a průběh tuhnutí spontánní, při kterém vznikají rovnoosé krystaly s homogenním chemickým složením. Postupně se odvod tepla zpomaluje, což způsobuje růst kolumnámích krystalů v ingotu. Dochází k odmíšení a segregacím prvků v kovové matrici železa.

Takovými prvky jsou např. C, Cr, Mo. Toto způsobuje v této oblasti chemickou nehomogenitu a v ingotu se potom, čím více ke středu, vyskytuje zvýšený obsah výše uvedených prvků. Tato chemická nehomogenita se nedá v průběhu dalšího zpracování oceli (válcování, kování, tepelné zpracování) odstranit a způsobuje odlišné kvalitativní vlastnosti oceli (např. mechanické vlastnosti, nepřípustná segregační pásma apod.).

Snahou všech výrobců tekuté oceli je proto odlévat ocel tak, aby nedocházelo k výrazným segregacím a odmíšeninám. Výrobci oceli se tedy snaží co nejvíce snížit teplotu odlévané oceli nad teplotu likvidu, zabezpečit optimální (nízkou) odlévací rychlost a samozřejmě danému cíli a technickým možnostem přizpůsobit i optimální tvar kokily.

Z článku A novel technique for reducing macrosegregation in heavy steel ingots, autorů Baoguang Sang a kol., uveřejněném v časopisu Joumal of Materials Processing Technology 210 (2010) 703-711, je například známá technologie, jejímž principem je vsypávání ocelových kuliček do odlévaného ingotu. Určitého stupně snížení teploty odlité oceli sice bylo dosaženo, nicméně při průmyslovém použití této technologie hrozí značné nebezpečí zanesení licího prášku do těla ingotu.

Pro omezení středových necelistvostí a segregací při odlévání velkých kovárenských ingotů byla rovněž zkoumána možnost vstřelování vibrující ocelové pásky do tuhnoucí oceli, při které by se měla podle propočtu snížit teplota oceli zhruba o 10 °C. Nevýhodou tohoto řešení je však jeho vysoká finanční a technická náročnost.

Známé je i řešení podle české přihlášky vynálezu PV 2007-66, jejímž předmětem je způsob odlévání ingotů do kokil, zejména při odlévání ocelových ingotů litím spodem, a kokila pro provádění tohoto způsobu. Způsob odlévání spočívá ve vypouštění roztaveného kovu z tavící pece prostřednictvím licí soupravy do alespoň jedné kokily, v níž se roztavený kov ochlazuje a tuhne do ingotu, určeného pro další zpracování, přičemž se odlévaný kov v kokile od zahájení licího procesu až do utuhnutí ingotu v celém jeho průřezu podrobuje řízené krystalizaci s intenzivním odvodem tepla z jeho taveniny. Kokila je obvykle řešena jako dvouplášťová a nucené rovnoměrně ochlazovaná kontrolovaným množstvím chladicí vody, proudícím jejím tělesem, které je opat- 1 CZ 306775 B6 řeno chladicím systémem, napojeným na alespoň jeden vstup a jeden výstup chladicí vody. Spíše než na zvyšování kvality odlévaného ingotu z hlediska odstranění chemické nehomogenity v jeho středové oblasti, je toto řešení však zaměřeno na urychlení celého licího procesu, resp. chladnutí ingotu v kokile, čímž se jednak zvýší obrátkovost kokil, úspora jejich celkového počtu a zvýší se produktivita výroby a jednak se v případě, kdy se odlévá do více kokil současně, zamezí vzájemnému teplotnímu ovlivňování jednotlivých kokil mezi sebou sálavým teplem.

Z patentových spisů je pak známo i řešení podle spisu RO 2 364 466, jehož předmětem je kokila pro odlévání ingotů, která je ve své spodní části pro docílení intenzivnějšího chlazení do ní odlévané oceli opatřena vnější ochlazovací drážkou o šířce, rovnající se 0,23 až 0,27 velikosti vnitřního poloměru kokily, a jejíž hloubka činí 0,05 až 0,15 tloušťky stěny kokily. Nevýhodou tohoto řešení je zejména skutečnost, že odvod tepla je zde řešen pouze v podstatě sáláním a tudíž ne zcela optimálně.

Zvýšení jakosti odlévaných ocelových ingotů může být rovněž docilováno úpravou geometrie tvaru kokily, jako například podle užitného vzoru CZ 17175, jehož předmětem je ocelářská kokila pro odlévání velkých ingotů, a jehož podstata spočívá v definování štíhlosti těla kokily a definování úhlu zkosení jejích stěn. Obdobné řešení ocelářské kokily pro odlévání těžkých kovářských polygonálních ingotů je předmětem i užitného vzoru CZ 26739. Z patentu CZ 303558 nebo i z patentového spisu DE 1257365 a ze spisu DE 1483574 je pak dále známa kokila pro odlévání ingotů se zlepšenou vnitřní kvalitou s postupně po výšce kokily měnícím se jejím vnitřním průřezem.

Zvyšování jakosti odlitého ocelového ingotu těmito úpravami geometrie tvaru kokily je však zejména zaměřeno na eliminaci výskytu vnitřních necelistvostí typu trhlin a dutin, nikoli na eliminaci segregací a odmíšenin, a určeno pro odlévání zvláště nástrojových ocelí.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky jsou do značné míry odstraněny kokilovou sestavou s vodním chlazením pro odlévání ocelových ingotů, sestávající z kokily, umístěné na licí desce podle předkládaného vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že licí deska je pod kokilou opatřena do ingotu zatavitelným trubkovým chladičem, napojeným na přívod a odvod chladicí vody.

Trubkový chladič přitom může být uložen přímo na povrchu licí desky uvnitř kokily nebo ve vybrání, které je v licí desce za tímto účelem vytvořeno.

Podstata kokilové sestavy s vodním chlazením podle vynálezu spočívá dále v tom, že trubkový chladič ve svém základním provedení je tvořen do spirály stočenou kovovou trubkou, přičemž přívod chladicí vody je do trubkového chladiče zaústěn do jeho středu.

Po nalití tekuté oceli do kokily na trubkovém chladiči tekutá ocel utuhne a tento se stává součástí budoucího ingotu. Tím, že trubkový chladič je v tuhnoucí oceli zalit a zároveň v něm proudí chladicí voda, je teplo z tuhnoucího ingotu takto odváděno daleko intenzivněji, a to vedením, než u dosud známých systémů odlévání oceli do licí sestavy. Takto řešený rychlejší odvod tepla z tekuté oceli přitom zabezpečí rychlejší tuhnutí oceli, v důsledku čehož bude ocel krystalizovat rychleji s větším podílem rovnoosých krystalů s výrazným potlačením odmíšenin a segregací prvků v budoucím ingotu a zabezpečí zlepšení chemické homogenity ingotu po horizontálním i vertikálním průřezu ingotu.

Výhodou řešení podle vynálezu je zároveň skutečnost, že je použitelné pro nejrůznější tvary a velikosti kokil a pro odlévání oceli horem i spodem.

-2CZ 306775 B6

Po válcování nebo kování je sice nutno trubkový chladič s utuhlou ocelí před dalším zpracováním odlitého ingotu odstranit, což může znamenat mírné zvýšení předváhy, nicméně výše uvedené výhody řešení podle vynálezu tuto v podstatě marginální nevýhodu zcela eliminují. Do jisté míry je tato nevýhoda potlačena i umístěním trubkového chladiče do vybrání v licí desce, které množství utuhlé oceli se zalitým trubkovým chladičem poněkud omezí, čímž dojde i k určitému zmenšení odpadu.

Trubkový chladič může být tvořen např. ocelovou bezešvou či svařovanou trubkou kruhového průřezu o tloušťce stěny min. 1 mm. Rozměry této ocelové trubky, tj. její délka a vnitřní průřez resp. její průměr, jsou pak, zejména v závislosti na tvaru a velikosti kokil a v zájmu co největšího odvodu tepla, vždy voleny tak, že z ní vytvořený trubkový chladič co nejvíce pokrývá plochu licí desky uvnitř kokily a teplota ohřáté chladicí vody na svém výstupu nepřesahuje teplotu větší jak 60 až 70 °C.

Trubkový chladič nicméně může sestávat případně i ze dvou či více různě např. do labyrintu uspořádaných trubek, napojených na přívod a odvod chladicí vody samostatně.

Objasnění výkresů

Vynález je dále blíže objasněn pomocí výkresů dvou příkladných provedení kokilové sestavy podle vynálezu, kde je schematicky znázorněno:

Obr. 1 - kokilová sestava v prvním příkladném provedení

Obr. 2 - detail licí desky z obr. 1 s na ní umístěným trubkovým chladičem

Obr. 3 - kokilová sestava ve druhém příkladném provedení

Obr. 4 - detail licí desky z obr. 3 s trubkovým chladičem, umístěným v jejím vybrání

Obr. 5 - příkladné provedení trubkového chladiče

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Kokilová sestava v tomto prvním příkladném provedení, určeném pro odlévání spodem, sestává podle obr. 1 a obr. 2 z licí desky 1 s licím kanálkem 3 pro přívod tekuté oceli 4 do kokily 2, kde tekutá ocel 4 tuhne. Na licí desku 1 je v ose kokily 2 umístěn trubkový chladič 7 s přívodem 5 studené chladicí vody a odvodem 6 ohřáté chladicí vody.

Kokila 2 je shora opatřena hlavovým nástavcem, tvořeným žáruvzdorným betonem 11 a žáruvzdornou izolací 9. Vztahovou značkou 8 je zde označena odlitá ocel v hlavovém nástavci kokily 2 a vztahovou značkou 10 krycí zásyp.

Příklad 2

Kokilová sestava v tomto druhém příkladném provedení sestává podle obr. 3 a obr. 4 rovněž jako v příkladu 1 z licí desky 1 s licím kanálkem 3 pro přívod tekuté oceli 4 do kokily 2 a z trubkového chladiče 7 s přívodem 5 studené chladicí vody a odvodem 6 ohřáté chladicí vody.

-3 CZ 306775 B6

Kokilová sestava v tomto příkladném provedení je rovněž určena pro odlévání spodem, na rozdíl od příkladu 1 je v licí desce 1 pro umístění trubkového chladiče 7 vytvořeno vybrání 12, do kterého je trubkový chladič 7 zapuštěn,

V obou případech se jedná o osmihrannou kovárenskou kokilu 2 o výšce 1 100 mm, vyrobenou z materiálu hematit, která společně s hlavovým nástavcem slouží pro odlévání ingotu o celkové hmotnosti cca 1650 kg.

Rovněž tak trubkový chladič 7, jak je pak blíže patrno z obr. 5, je v obou případech zhotoven z jedné bezešvé trubky o průměru 22 mm a tloušťce stěny 3,2 mm, která je stočena do spirály celkově o 5ti závitech s vnitřním průměrem 140 mm, vnějším průměrem 380 mm a s chladicí plochou cca 150 000 mm². Přívod 5 studené chladicí vody je do trubkového chladiče 7 zaústěn do jeho středu kolem vyústění 14 licího kanálku 3 pro vtok tekuté oceli 4 do kokily 2.

Trubkový chladič 7 je zhotoven v obou těchto příkladných provedení z běžné oceli, obsahující v hmotn. množství až 0,18 % C, max. 0,60 % Mn, max. 0,30 % Si, zbytek Fe a nezbytné doprovodné přimíseniny a nečistoty.

Vztahovou značkou 13 je pak na obr. 5 naznačena plocha licí desky 1 uvnitř kokily 2.

Pokud se jedná o odlévání horem, trubkový chladič 7 může být v kokilové sestavě podle vynálezu vytvořen zcela obdobně jako při odlévání spodem, tj. např. jako ve výše uvedených dvou příkladných provedení kokilové sestavy, přičemž zejména vzhledem k absenci licího kanálku 3 v licí desce 1 a jeho vyústění 14 pro vtok tekuté oceli 4 do kokily 2 může pokrývat celou plochu 13 licí desky 1 uvnitř kokily 2.

Jak při odlévání spodem, tak i při odlévání horem přitom trubkový chladič 7 vždy výrazně pomáhá chladnutí tekuté oceli 4 v kokile 2, kdy ocel rychleji přechází ze stavu tekutého do stavu tuhého s omezenou možností tvorby odmíšenin a segregací. Tím, že trubkový chladič 7 je součástí tuhnoucího ingotu, je teplo z ingotu odváděno tím nej efektivnějším způsobem, a to vedením.

Průmyslová využitelnost

Kokilovou sestavu podle vynálezu lze široce používat pro odlévání všech typů ocelí ingotovou cestou.

Claims (4)

1. Kokilová sestava s vodním chlazením pro odlévání ocelových ingotů, sestávající z kokily (2), umístěné na licí desce (1), vyznačující se tím, že licí deska (1) je pod kokilou (2) opatřena do ingotu zatavitelným trubkovým chladičem (7), napojeným na přívod (5) a odvod (6) chladicí vody.

2. Kokilová sestava podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkový chladič (7) je tvořen do spirály stočenou kovovou trubkou, přičemž přívod (5) studené chladicí vody je do trubkového chladiče (7) zaústěn do jeho středu.

3. Kokilová sestava podle alespoň jednoho z předcházejících nároků la2, vyznačující se t í m , že trubkový chladič (7) je uložen na povrchu licí desky (1).

-4CZ 306775 B6

4. Kokilová sestava podle alespoň jednoho z předcházejících nároků 1 a 2, vyznačující se t í m , že v licí desce (1) je pro umístění trubkového chladiče (7) vytvořeno vybrání (8).