FI77586C

FI77586C - Apparatus for continuous casting of metal rods, pipes and plates.

Info

Publication number: FI77586C
Application number: FI803270A
Authority: FI
Inventors: Goeran Adolf Oehman; Hannu Kari Einari Heikkilae; Rauli Ilmari Stenfors
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1980-10-17
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1989-04-10
Also published as: EP0062676A1; EP0062676B1; FI803270L; FI77586B; WO1982001332A1

Description

1 775861 77586

Laite metallitankojen, -putkien ja -levyjen jatkuvaksi valamiseksi Tämä keksintö kohdistuu laitteeseen metallitankojen, -putkien ja -levyjen jatkuvaksi valamiseksi ja erityisesti sellaiseen laitteeseen, jossa on kokilli metallisulan vastaanottamiseksi, ainakin kokillin vetosuunnassa katsottuna sen jälkimmäisen osan ympärille sovitettu jääh-dytyselin, ainakin jäähdytyselintä suojaava tulenkestävä vuoraus ja elimiä kokillissa jähmettyneen tangon, putken tai levyn vetämiseksi jatkuvasti kokillista.This invention relates to an apparatus for the continuous casting of metal rods, tubes and plates, and in particular to an apparatus having a mold for receiving a metal melt, at least in the direction of pull of the mold, a cooling member arranged around the latter part, at least a cooling member refractory lining and means for continuously pulling the solidified rod, tube or plate from the mold.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tehostaa lämmönsiirtoa valettavasta materiaalista ja siten nostaa valamis-nopeutta ja aikaansaada edullisempi kiderakenne valettavassa kappaleessa, ainakin kun valetaan kuparia tai kupa-riseoksia.The object of the present invention is to enhance the heat transfer from the material to be cast and thus to increase the casting speed and to provide a more advantageous crystal structure in the casting, at least when casting copper or copper alloys.

Ennestään tunnetaan laitteita metallitankojen, -putkien tai -levyjen jatkuvaksi valamiseksi, joissa on metallisu-laa vastaanottava tulenkestävästä aineesta valmistettu kokilli, jonka ympärille on sovitettu jäähdytin, jonka kanavissa virtaa vettä tai sulaa metallia. Kokilli voi olla valmistettu grafiitista ja valettaessa johdetaan jähmettyvästä metallisulasta ja jähmettyneestä metallista kokilliin siirtyvä lämpö edelleen jäähdyttimessä kiertävään jäähdytysväliaineeseen. On erittäin tärkeää, että tämä lämmönsiirto on tehokas, sillä se ratkaisee miten suurella nopeudella jatkuva valu voidaan toteuttaa.Devices for the continuous casting of metal rods, tubes or plates with a melt-receiving mold made of refractory material, around which a condenser is arranged, in the channels of which water or molten metal flows, are known from the prior art. The mold may be made of graphite, and during casting, the heat transferred from the solidifying metal melt and solidified metal to the mold is passed on to a cooling medium circulating in the condenser. It is very important that this heat transfer is efficient as it decides how high speed continuous casting can be realized.

Metallitanko, -putki tai -levy kutistuu jähmettyessään ja jäähtyessään ja siten muodostuu valettavan kappaleen ja kokillin väliin rako, joka tunnetusti vaikeuttaa lämmön siirtymistä valettavasta kappaleesta kokilliin. Tätä rakoa ei voida täysin eliminoida, koska tällöin on vaarana, että valettava kappale tarttuu kokilliin, mikäli tämä 2 77586 tehdään vetosuunnassa kapenevaksi. Johtuen ilman ja kaasujen alhaisesta lämmönjohtavuudesta muodostaa jo hyvin kapea kutistumisrako huomattavan esteen lämmön siirtymiselle. Ammattimiespiireissä on sen vuoksi vallinnut se käsitys, että tämä kutistumisrako kokillin ja valukappaleen välillä on syynä siihen, että lämmön siirtyminen olemassa olevissa valulaitteistoissa on huomattavasti epäedullisempi kuin mitä sen laskelmien mukaan tulisi olla, mikäli ainoastaan lämmön siirto kokillissa, lämmön siirto jäähdytinmateriaalissa ja lämmönsiirtokerroin jäähdy ttimen jäähdytyskanavissa otetaan huomioon.The metal rod, tube or plate shrinks as it solidifies and cools, thus forming a gap between the casting and the die, which is known to make it difficult to transfer heat from the casting to the die. This gap cannot be completely eliminated, as there is a risk that the molded part will stick to the mold if this 2 77586 is made to taper in the drawing direction. Due to the low thermal conductivity of air and gases, the already very narrow shrinkage gap is a significant barrier to heat transfer. It has therefore been understood by those skilled in the art that this shrinkage gap between the mold and the casting is due to the fact that heat transfer in existing casting equipment is considerably less favorable than it should be if only heat transfer in the mold, heat transfer in the coolant and heat transfer coefficient taking into account.

Nyt on yllättäen ilmennyt, että edellä mainittu yleinen käsitys ainoastaan osittain on oikea. Suoritetuissa mittauksissa ja laskelmissa on osoittautunut, että käytetyissä valulaitteissa ilmenee huomattavaa lämpövastusta myös kokillin ja jäähdyttimen välisessä rajapinnassa.It has now surprisingly become apparent that the above general understanding is only partially correct. Measurements and calculations have shown that the casting equipment used also shows considerable thermal resistance at the interface between the mold and the condenser.

Tämä lämpövastus on erityisen merkittävä valettaessa jatkuvasti metallilevyjä. Todennäköinen syy tähän on, että aineen lämpölaajenemisliikkeiden johdosta syntyy kokillin ja jäähdyttimen väliin rakoja, joiden syntymistä ei edes pulttiliitoksilla ole voitu estää. Tutkimuksissa on nyt osoittautunut, että mikäli näiden rakojen aiheuttama läm-mönsiirtymistä heikentävä vaikutus kokillin ja jäähdyttimen välissä voitaisiin eliminoida, olisi mahdollista olennaisesti parantaa valulaitteen tehokkuutta siitäkin huolimatta, ettei mitään tehtäisi valukappaleen ja kokillin väliselle ilmaraolle.This thermal resistance is particularly significant when continuously casting metal sheets. The probable reason for this is that, as a result of the thermal expansion movements of the substance, gaps are formed between the mold and the condenser, the formation of which could not have been prevented even by bolted joints. Studies have now shown that if the detrimental effect of heat transfer between the mold and the cooler caused by these gaps could be eliminated, it would be possible to substantially improve the efficiency of the casting device despite doing nothing to the air gap between the casting and the mold.

Kokillin ja jäähdyttimen välisten rakojen syntyminen voitaisiin ajatella eliminoitavaksi tiiviillä pulttiliitoksilla tai muotoilemalla näiden molempien elinten pinnat sopivalla tavalla, mutta käytännössä tämä ei ole tuottanut toivottuja tuloksia. Tämän vuoksi on nyt yritetty löytää toisenlaisia ratkaisuja tähän ongelmaan.The formation of gaps between the mold and the radiator could be thought of as being eliminated by tight bolted joints or by shaping the surfaces of both of these members appropriately, but in practice this has not produced the desired results. Therefore, attempts have now been made to find different solutions to this problem.

7758677586

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on näin ollen aikaansaada laite metallitankojen, -putkien tai -levyjen jatkuvaksi valamiseksi, jossa laitteessa lämmön siirtyminen jähmettyvästä sulasta ja jäähtyvästä metallikappa-leesta on entistä tehokkaampi, niin että valunopeutta voidaan nostaa ja samalla mahdollisesti saada aikaan kiderakenteeltaan entistä parempi tuote.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus for the continuous casting of metal rods, tubes or plates, in which the heat transfer from the solidifying melt and the cooled metal body is more efficient so that the casting rate can be increased and possibly a better crystal structure product.

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.The main features of the invention appear from the appended claim 1.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa on kokil-lin ja jäähdytyseiimen välinen rako tai raot täytetty lämpöä hyvin johtavalla väliaineella, kuten metalli- tai suolasulalla, jolloin tämä rako edullisesti on yhdistetty ulkopuoliseen paisuntasäiliöön. Keksinnössä käyttökelpoisia lämpöä hyvin johtavia aineita on helppo löytää alan ammattikirjallisuudesta, joten tällaisten aineiden luetteleminen tässä yhteydessä on katsottu tarpeettomaksi. Voidaan kuitenkin mainita, että sellainen metallisula, jossa on ainakin noin 50 paino-% tinaa, on osoittautunut erääksi tällaiseksi lämpöäjohtavaksi aineeksi.In the solution according to the present invention, the gap or gaps between the mold and the cooling mold are filled with a highly thermally conductive medium, such as a metal or salt melt, this gap preferably being connected to an external expansion tank. Thermally conductive materials useful in the invention are readily found in the art literature, so listing such materials in this context has been considered unnecessary. It may be mentioned, however, that a metal melt containing at least about 50% by weight of tin has proven to be one such thermally conductive material.

Kahden kiinteän pinnan välisen kaasutilan täyttäminen me-tallisulalla parantuneen lämmönsiirron aikaansaamiseksi on periaatteessa sinänsä tunnettu. Tätä ratkaisua on jopa ehdotettu käytettäväksi valulaitteissa lämmönsiirron parantamiseksi kokillin ja valukappaleen välillä metallitankoja, -putkia ja -levyjä jatkuvasti valettaessa. Ratkaisu ei kuitenkaan ole tuottanut haluttuja tuloksia vaan siihen on liittynyt ilmeisiä ja erittäin suuria käytännön vaikeuksia, mm. vuotojen muodossa. Tämän vuoksi tämä ratkaisu ei ole saavuttanut mitään käytännön merkitystä. Esillä olevaa keksintöä kehitettäessä oli yllättävää todeta, että suuri osa lämpövastuksesta esiintyi kokillin ja jäähdyttimen välillä eikä pääasiallisesti kokillin ja valukappaleen välillä, kuten aikaisemmin oli oletettu.Filling the gas space between two solid surfaces with a metal melt to achieve improved heat transfer is in principle known per se. This solution has even been proposed for use in casting devices to improve heat transfer between the die and the casting during continuous casting of metal bars, tubes and plates. However, the solution has not produced the desired results but has involved obvious and very great practical difficulties, e.g. in the form of leaks. Therefore, this solution has not achieved any practical significance. In developing the present invention, it was surprising to find that much of the thermal resistance occurred between the die and the condenser and not primarily between the die and the casting, as previously assumed.

4 775864,77586

Lisäksi oli yllättävää, että ratkaisu, jota aikaisemmin oli sovellettu kokillin ja valukappaleen välisen lämmönsiirron parantamiseksi ja siinä todettu hankalaksi käyttää, osoittautuikin erittäin käyttökelpoiseksi kokillin ja jäähdyttimen välisen lämmönsiirron parantamiseksi .Furthermore, it was surprising that the solution previously applied to improve the heat transfer between the die and the casting and found it difficult to use proved to be very useful in improving the heat transfer between the die and the radiator.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa ratkaisussa käytetään näin ollen lämpöä hyvin siirtävää nestettä, kuten esimerkiksi metallisulaa, kokillin ja jäähdyttimen välisen raon tai rakojen täyttämiseen. Tässä ratkaisussa lämpöäsiir-tävä väliaine ei joudu kosketukseen valettavan metallin kanssa ja johtuen lämpötilaputouksesta kokillin seinämien välillä ei lämmönsiirtoväliaineen kiehumispisteen välttämättä tarvitse olla korkeampi kuin valettavan metallin jäh-mettymislämpötila. Mitään vuoto-ongelmia ei myöskään tarvitse pelätä tässä tapauksessa.Thus, in the solution according to the present invention, a heat-transfer fluid, such as a metal melt, is used to fill the gap or gaps between the mold and the condenser. In this solution, the heat transfer medium does not come into contact with the metal to be cast, and due to the temperature drop between the walls of the mold, the boiling point of the heat transfer medium does not necessarily have to be higher than the solidification temperature of the metal to be cast. There is also no need to fear any leakage problems in this case.

Keksinnön etujen saavuttamiseksi ei millään muotoa ole välttämätöntä, että käytetty metalli- tai suolasula on virtaavassa liikkeessä, vaan se voi yhtä hyvin olla täysin paikallaan. Lämpöäsiirtävän väliaineen teho perustuu sen kaasuun nähden paljon parempaan lämmönjohtavuuteen, mikä on ratkaiseva tekijä tässä yhteydessä.In order to achieve the advantages of the invention, it is by no means necessary that the metal or salt melt used is in a flowing motion, but may just as well be completely stationary. The efficiency of a heat transfer medium is based on its much better thermal conductivity than a gas, which is a crucial factor in this context.

On tärkeää, että lämpöäsiirtävä väliaine mahdollisimman täydellisesti täyttää kokillin ja jäähdyttimen väliset raot, niin että mitään kaasutaskuja ei esiinny näissä tiloissa. Tämän vuoksi on edullista liittää kokillin ja jäähdyttimen välinen rako tai raot lämpöä siirtävän väliaineen paisuntasäiliöön, niin että lämpöä siirtävää väliainetta voi virrata kokillin ja jäähdyttimen väliseen rakoon tai rakoihin ja niistä pois rakojen tilavuuden vaihdellessa ympäröivien seinämien lämpölaajenemisliikkeen mukana.It is important that the heat transfer medium fills the gaps between the mold and the radiator as completely as possible so that no gas pockets are present in these spaces. Therefore, it is preferable to connect the gap or slots between the mold and the condenser to the expansion tank of the heat transfer medium so that the heat transfer medium can flow into and out of the gap or cooler between the mold and condenser as the volume of the slits varies with the thermal expansion movement of the surrounding walls.

5 775865,77586

Keksintöä selostetaan alla lähemmin viitaten oheiseen piirustukseen, joissa kuviot 1 ja 2 esittävät poikkileikattua sivukuvantoa kahdesta keksinnön suositusta suoritusmuodosta.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which Figures 1 and 2 show a cross-sectional side view of two preferred embodiments of the invention.

Piirustuksessa on valettava sula merkitty viitenumerolla 1. Valettava sula voi olla sula-astiassa, jonka seinämä on yleisesti merkitty viitenumerolla 2 ja johon grafiitista valmistettu kokilli 4 on liitetty sulan vastaanottamiseksi. Säiliön seinämän 2 ulkopuolelle on kokillin 4 ympärille sovitettu jäähdytin 3, johon tunnetulla tavalla on muodostettu kanavia jäähdytysväliainetta varten. Kokil-liin 4 valuva sula 1 luovuttaa lämpöä kokillin 4 seinämille ja muodostaa jonkin matkan päässä kokillin 4 tulo-aukosta jähmettymisrintämän, joka piirustuksessa on merkitty katkoviivalla. Jähmettynyt metalli vedetään tangon 7 muodossa vetoelinten 9 avdlla kokillista 4. Jähmettyes-sään ja jäähtyessään metalli kutistuu jonkin verran, niin että tangon 7 ja kokillin 4 väliin muodostuu rako 5. Kokillin 4 ja jäähdyttimen 3 välissä on lisäksi tai siihen on erikseen muodostettu rako 6, joka keksinnön mukaisesti on täytetty lämpöä hyvin siirtävällä väliaineella. Siten lämmön siirtyminen kokillista 4 jäähdyttimeen 3 on tavallista tehokkaampi.In the drawing, the melt to be cast is indicated by reference numeral 1. The melt to be cast may be in a molten vessel, the wall of which is generally indicated by reference numeral 2 and to which a mold 4 made of graphite is attached to receive the melt. Outside the wall 2 of the tank, a cooler 3 is arranged around the mold 4, in which channels for the cooling medium are formed in a known manner. The melt 1 flowing into the mold 4 transfers heat to the walls of the mold 4 and forms a solidification front at some distance from the inlet of the mold 4, which is indicated by a broken line in the drawing. The solidified metal is drawn in the form of a rod 7 by means of traction members 9 from the mold 4. Upon solidification and cooling, the metal shrinks somewhat so that a gap 5 is formed between the rod 7 and the mold 4. A gap 6 is additionally or separately formed between the mold 4 and the radiator 3. which, according to the invention, is filled with a heat-transfer medium. Thus, the heat transfer from the mold 4 to the cooler 3 is more efficient than usual.

Kuvion 2 esittämässä tapauksessa on kokillin 4 ja jäähdyttimen 3 välinen rako 6 yhdistetty putkella 8 paisuntasäi-liöön 10, joka on osittain täytetty lämpöä hyvin siirtävällä väliaineella. Paisuntasäiliö 10 on ylempänä kuin rako 6, jossa siten vallitsee metallostaattinen paine, kun jäähdytysväliaineena käytetään metallisulaa. Metalli voidaan pitää sulana paisuntasäiliössä esim. sijoittamalla säiliön ympärille lämmitysvastus.In the case shown in Figure 2, the gap 6 between the mold 4 and the condenser 3 is connected by a pipe 8 to an expansion tank 10 which is partially filled with a heat-transfer medium. The expansion tank 10 is higher than the gap 6, whereby a metallostatic pressure thus prevails when a metal melt is used as the cooling medium. The metal can be kept molten in the expansion tank, e.g. by placing a heating element around the tank.

6 775866 77586

On selvää, että esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa mihin suuntaan tahansa tapahtuvaan jatkuvaan valuun. Mikäli esillä olevaa keksintöä sovelletaan ylöspäin tapahtuvaan jatkuvaan valuun ja mikäli jähmettyrnisrintama muodostetaan sulan pinnan alapuolella, tarkoittaa viitenumero 2 kuvassa 1 tulenkestävää vuorausta, joka estää sulaa pääsemästä suoraan kosketukseen jäähdyttimen 3 kanssa, joka tässä tapauksessa joudutaan laskemaan ainakin osittain sulan pinnan alapuolella olevaan tasoon.It is clear that the present invention can be applied to continuous casting in any direction. If the present invention is applied to upward continuous casting and if the solid front is formed below the molten surface, reference numeral 2 in Figure 1 means a refractory liner which prevents the melt from coming into direct contact with the radiator 3, which in this case must be lowered at least partially below the molten surface.

ilil

Claims

77586

Apparatus for the continuous casting of metal bars, tubes or plates with a mold (4) for receiving a metal melt (1), at least in the pulling direction of the mold (4), a cooling member (3) arranged around the latter, at least a refractory lining protecting the cooling member (3) 2) and means (9) for continuously pulling the solidified rod (7), tube or plate in the mold (4) from the mold (4), characterized by a highly conductive medium filling the gap (6) between the mold (4) and the cooling member (3).

Device according to claim 1, characterized in that said highly thermally conductive medium is in a molten state at least during casting.

Device according to Claim 2, characterized in that the gap (6) between the mold (4) and the cooling element (3) is connected (8) to an external expansion tank (10).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the highly thermally conductive substance is a metal melt containing at least about 50% by weight of tin.