ITUD960180A1 - Procedimento per l'ottenimento di vibrazioni delle pareti del cristallizzatore di una lingottiera mediante attuatori e - Google Patents
Procedimento per l'ottenimento di vibrazioni delle pareti del cristallizzatore di una lingottiera mediante attuatori e Download PDFInfo
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Description
Descrizione del trovato avente per tìtolo:
"PROCEDIMENTO PER L’OTTENIMENTO DI VIBRAZIONI DELLE PARETI DEL 'CRISTALLIZZATORE DI UNA LINGOTTIERA MEDIANTE ATTUATORI E RELATIVO DISPOSITIVO"
CAMPO DI APPLICAZIONE
Forma oggetto del presente trovato un procedimento per l'ottenimento di vibrazioni delle pareti del cristallizzatore di una lingottiera mediante attuatori, nonché il relativo dispositivo, come espressi nelle relative rivendicazioni principali.
Il presente trovato si applica nel settore della colata continua di billette, blumi o bramme di qualsivoglia tipo e sezione allo scopo di diminuire l'attrito fra prodotto colato e pareti del cristallizzatore, consentendo l'aumento della velocità di colata e riducendo il rischio di break-out della pelle del prodotto in formazione.
STATO DELLA TECNICA
Sono noti i problemi collegati ai tentativi di ridurre la forza richiesta per estrarre il prodotto noto infatti che la pelle in solidificazioni;
vole attrito nella fase di estrazione.
Per facilitare il distacco fra pelle e parete è noto il fatto di generare oscillazioni meccaniche verticali sulla lingottiera che facilitano l'estrazione del prodotto consentendo di aumentare la velocità di colata e migliorare la qualità superficiale del prodotto uscente dal cristallizzatore.
E' noto inoltre che nella parte inferiore del cristallizzatore la pelle ormai solidificata tende a staccarsi da dette pareti, creando un gap d’aria che determina la, diminuzione dello scambio termico fra parete raffreddata e pelle solidificata e quindi una riduzione del flusso termico asportato dal metallo fuso attraverso la parete del cristallizzatore.
La proponente, nella domanda di brevetto europeo EP-A-0686445, ha descritto l'utilizzo di un cristalliz.zatore a pareti sottili associato ad un procedimento di controllo delle deformazioni di dette pareti; in tale trovato, viene utilizzata la regolazione della pressione del fluido di raffreddamento che scorre nel canale di transito adiacente a dette pareti per compensare il differente ritiro della pelle del prodotto colato lungo il cristallizzatore in funzione del tipo di acciaio e della velocità di colata.
Secondo detto documento, le pareti del cristallizzatore assumono un andamento elastico in relazione alle differenti pressioni del fluido refrigerante che scorre all'esterno di esse, in modo da annullare, nel primo tratto del cristallizzatore, la conicità negativa indotta dal campo termico e, nella parte bassa del cristallizzatore, da minimizzare il gap d'aria che si viene a creare tra pelle solidificata e pareti.
Dette pressioni vengono calcolate in modo da ottenere la voluta deformazione delle pareti e vengono mantenute sostanzialmente fisse fino a che non vengono a mutare i parametri di colata, quali in particolare il tipo di acciaio e la velocità di colata .
La proponente, con il presente trovato, si è posta l'obiettivo di ottenere una soluzione applicabile sostanzialmente a qualsiasi tipo di cristallizzatore, che permetta di ottenere vantaggi in termini di riduzione della forza di estrazione richiesta nonché dell'incollaggio tra pelle e parete, di riduzione della forza di attrito tra parete del cristallizzatore e prodotto colato, di aumento della qualità superficiale nonché altri vantaggi ancora. A tal proposito, essa ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rispettive rivendicazioni principali.
Le rivendicazioni secondarie espongono varianti all'idea di soluzione principale.
Lo scopo del trovato è quello di realizzare un precedimento per ottenere vibrazioni delle pareti del cristallizzatore mediante attuatori che permetta di ridurre l'attrito fra parete del cristallizzatore e prodotto colato e di conseguenza consenta di ridurre l'entità della forza richiesta per estrarre il prodotto colato dal cristallizzatore.
Ulteriore scopo del trovato è quello di ottenere un conseguente aumento della qualità superficiale del prodotto colato cosi ottenuto.
Il trovato favorisce inoltre il distacco del metallo nella parte alta del cristallizzatore, riducendo l'attrito dovuto all'incollaggio e riducendo il .rischio di deterioramenti della superficie del prodotto colato dovuto agli strisciamenti della stessa sulla'parete .
SÌecondo il trovato, in cooperazione con almeno una delle pareti- del.cristallizzatore vengono predisposti attuatori magnetostrittivi idonei a generare vibrazioni di piccola ampiezza e frequenza ed accelerazione elevate sulle pareti- a cui sono associati.
Le vibrazioni indotte hanno queste caratteristiche di frequenza, accelerazione ed ampiezza in modo da favorire in continuo il distacco della pelle del prodotto colato dalla parete del cristallizzatore non appena la pelle comincia ad incollarsi a detta parete .
I materiali magnetostrittivi godono della proprietà di subire deformazioni meccaniche transitorie se sottoposti ad un campo magnetico, oppure di produrre un campo magnetico se sottoposti ad una deformazione meccanica. In altre parole, detti materiali magnetostrittivi rappresentano per il campo magnetico l'analogo di ciò che rappresentano i materiali piezoelettrici nel campo elettrico.
La lega magnetostrittiva può così essere utilizzata efficacemente per realizzare attuatori aventi prestazioni molto superiori agli attuatori che utilizzano materiali piezoelettrici.
In particolare, tali attuatori presentano una risposta molto rapida alle sollecitazioni, possiedono un'alta densità di energia e basse perdite, vengono attivati con basse tensioni di funzionamento e possiedono una elevata resistività.
Una tipica applicazione degli attuatori magnetostrittivi utilizzati nelle applicazioni del trovato prevede l’ottenimento di una forza prodotta compresa tra 4 e 30 kN in un intervallo di frequenze compreso tra 0 e 7 kHz con una accelerazione massima di 3000g ed uno spostamento massimo nell'intorno di 0,15 mm per una corrente massima di alimentazione pari a circa 145 A. Inoltre, le dimensioni di detti attuatori sono estremamente contenute.
Il principio di funzionamento di detti attuatori magnetostrittivi si basa sul fatto che una barra di lega magnetostrittiva posta a contatto, direttamente o mediante interposizione di un elemento spintore, con la parete del cristallizzatore e sottoposta ad un campo magnetico, si deforma meccanicamente inducendo una vibrazione della parete stessa.
La vibrazione delle pareti del cristallizzatore mediante tali attuatori può essere ottenuta secondo una pluralità di modi distinti.
Una prima soluzione prevede di applicare una eccitazione trasversale mediante detti attuatori sfruttando le proprietà elastiche del cristallizzatore , il quale è lasciato libero di vibrare.
La distribuzione degli attuatori, anche in funzione della forma di sezione del cristallizzatore, può prevedere un attuatore per ogni parete o faccia del cristallizzatore, ovvero due attuatori associati a facce opposte del cristallizzatore.
Secondo una variante, vengono previsti gruppi di tali attuatori disposti lungo l'asse del cristallizzatore allo scopo di distribuire l’effetto su tutta la lunghezza del cristallizzatore stesso.
Secondo tale soluzione, l'eccitazione delle pareti del cristallizzatore può avvenire o eccitando le frequenze proprie del cristallizzatore ovvero, secondo una variante, evitando di eccitare tali frequenze .
La soluzione di eccitare le frequenze proprie del cristallizzatore è vantaggiosa dal punto di vista del risparmio energetico, in quanto è sufficiente una bassa quantità di energia per ottenere un notevole effetto vibrante. Inoltre, dal punto di vista meccanico, è possibile determinare le caratteristiche di deformazione associate alle frequenze proprie che meglio soddisfano le necessitài di vibrazione.
In questo caso, è possibile selezionare i singoli modi propri, o loro combinazioni lineari, che possiedono ventri e nodi in posizioni fisse e vantaggiose per il processo di colata.
Secondo questa soluzione, è anche possibile eccitare il cristallizzatore con una serie di frequenze proprie in modo che i nodi ed i ventri non rimangano fissi nel tempo ma creino un effetto migrante lungo il cristallizzatore.
Secondo il trovato, il numero e la posizione degli attuatori lungo il cristallizzatore è determinato dal tipo e dal numero dei modi propri del cristallizzatore che si vogliono eccitare.
Secondo una variante, viene utilizzato un sistema di rilevamento e di intervento in retroazione per ottenere l'aggancio alle frequenze proprie desiderate .
La variante in cui non vengono eccitate le frequenze proprie del cristallizzatore può essere utilizzata nel caso in cui sia richiesto l’ottenimento di una vibrazione locale del cristallizzatore, ad esempio nel caso in cui si determini l'esigenza di eccitare la sola parte superiore del cristallizzatore ove il fenomeno di incollaggio fra prodotto co,-lato e parete del cristallizzatore è piu rilevante. Secondo tale soluzione, il campo utile di frequenze utilizzabili è compreso tra circa 10 e circa 10000 Hz, mentre l’ampiezza massima delle vibrazioni è pari a circa 0,1 mm.
In una seconda soluzione del trovato, gli attuatori magnetostrittivi sono disposti in modo da indurre una vibrazione trasversale sul cristallizzatore vincolato lateralmente da supporti elastici. In questa soluzione, il cristallizzatore è ancorato alla parete esterna della lingottiera mediante supporti elastici che ne consentono un movimento rigido secondo una delle due direzioni trasversali alla verticale e perpendicolari alla parete del cristallizzatore stesso.
Utilizzando uno o più attuatori magnetostrittivi opportunamente disposti a contatto della parete del cristallizzatore trasversalmente ad essa, si possono indurre vibrazioni trasversali sul cristallizzatore in modo da farlo oscillare come un corpo rigido.
Questa soluzione presenta il vantaggio dal punto di vista meccanico di non sollecitare direttamente la struttura del cristallizzatore ma di scaricare almeno parte delle sollecitazioni al sistema elast.ico opportunamente scelto.
In questo caso, il campo utile di frequenze utilizzabili è compreso tra circa 100 e circa 10000 Hz, mentre l'ampiezza massima delle vibrazioni è pari a circa 0,05 mm.
Secondo un'ulteriore soluzione del trovato, gli attuatori magnetostrittivi sono disposti in modo da indurre sul cristallizzatore una vibrazione verticale che si sovrappone alla oscillazione meccanica generata sulle lingottiere note.
In questo caso, gli attuatori magnetostrittivi costituiscono un sistema che determina un'oscillazione verticale del cristallizzatore rispetto alla lingottiera, a sua volta oscillante verticalmente.
L'oscillazione indotta sul cristallizzatore dagli attuatori magnetostrittivi presenta parametri di frequenza elevata, ad esempio compresa fra circa 1 e circa 10 kHz, ed ampiezza estremamente ridotta, dell 'ordine di 0,01 mm.
Considerando il sistema lingottiera-cristallizzatore nel suo complesso, si ottiene in questo caso una oscillazione ad alta frequenza e piccola ampiezza, determinata dall'azione diretta degli attuatori magnetostrittivi sul cristallizzatore, modulata a bassa frequenza, fino a circa 5 Hz, dall'oscillazione principale di elevata ampiezza, fino a 6 generata sulla lingottiera.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Le figure allegate sono fornite a titolo esemplificativo non limitativo ed illustrano alcune soluzioni préferenziali del trovato.
Nelle tavole abbiamo che:
- la fig. la illustra una sezione longitudinale schematica e parziale di una lingottiera in cui viene applicato il procedimento di ottenimento di vibrazioni secondo il trovato;
- la fig. lb illustra il particolare A ingrandito di fig. la;
- la fig. 2 illustra schematicamente e parzialmente in sezione longitudinale una soluzione del trovato;
- la fig. 3 illustra con una sezione trasversale la soluzione di fig. 2;
- le figg. 4a e 4b illustrano, con due soluzioni, una variante del trovato,·
- la fig. 5 illustra un'ulteriore variante del trovato; .
- le figg. 6 e 7 illustrano schematicamente e parzialmente due ulteriori soluzioni del trovato .
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La lingottiera 10 illustrata in fig. 1 comprende un cristallizzatore 11 vantaggiosamente ma non esclusivamente del tipo a pareti sottili.
All’interno del cristallizzatore 11 viene colato il metallo liquido 23 mediante uno scaricatore 24 collocato al'di sotto del menisco 25.
La lingottiera 10 presenta pareti intermedie 12 disposte esternamente al cristallizzatore 11 e definenti con esso il canale 13 in cui circola il liquido di raffreddamento.
La parete intermedia 12 può essere mobile ortogonalmente al cristallizzatore 11 per concretizzare un canale di transito 13 a sezione variabile in funzione dei parametri di raffreddamento che si vogliono concretizzare.
II canale 13 è collegato ad una entrata 17a e ad un'uscita 17b del fluido refrigerante e coopera, esternamente alla parete intermedia 12, con una camera di adduzione/evacuazione liquido 14 definita da una parete esterna 15.
Nel caso di specie, in cooperazione con almeno una faccia del cristallizzatore 11 è presente un attuatoro magnetostrittivo 16 presentante almeno un elemento spintore 116 disposto sostanzialmente a contatto di detta faccia del cristallizzatore 11.
L'elemento spintore 16 si colloca a contatto della parete del cristallizzatore 11 passando attraverso un'apertura ricavata nella parete intermedia 12 ed è ancorato posteriormente, nel caso di specie, alla parete esterna 15.
Nella soluzione delle figg. 2 e 3 è presente un att.uatore magnetostrittivo 16 in corrispondenza di due facce opposte del cristallizzatore 11, mentre nella soluzione della fig. 6 sono presenti attuatori macnetostrittivi 16 in cooperazione con tutte le quattro facce del cristallizzatore 11.
La soluzione di fig. 7 prevede il caso in cui siano disposti più attuatori magnetostrittivi , nel caso di specie 16a e 16b, a diverse altezze longitudinalmente al cristallizzatore 11 allo scopo di distribuire il loro effetto su una vasta area del cristallizzatore stesso 11, eventualmente con parametri di funzionamento differenti in relazione al differente comportamento del prodotto colato alle diverse altezze del cristallizzatore 11.
L'attuatore magnetostrittivo 16 è costituito, nel caso di specie illustrato in fig. lb, da una barra 18 in lega magnetostrittiva disposta coassialmente con la sua base inferiore ed inducono su di esso oscillazioni verticali, indicate con 30, che si so vrappongono alle oscillazioni, indicate con 31, di grande ampiezza e di bassa frequenza generate dal sistema noto di oscillazione meccanica della lingottiera 10.
In questo caso, si ottiene un sistema globale di oscillazione verticale, generato dagli attuatori magnetostrittivi 16, che presenta caratteristiche di piccola ampiezza ed elevata frequenza ed accelerazione, modulato ad una frequenza più bassa dal sistema di oscillazione verticale della lingottiera 10.
zione delle bobine 19, sulle dimensioni della barra magnetostrittiva 18, sulla lunghezza dell'elemento spintore 116 e su altri parametri, possono essere ottenute, in funzione delle esigenze, eccitando i modi propri di vibrazione del cristallizzatore 11 oppure evitando di eccitare tali modi propri.
Secondo la soluzione illustrata schematicamente nelle figg. 4a e 4b, il cristallizzatore 11 è vincolato, su uno o più lati, al supporto rigido 26 della lingottiera 10 mediante supporti elastici 27.
Tali supporti elastici 27, in funzione della loro disposizione, permettono il movimento del cristallizzatore 11 secondo le due direzioni, indicate con 28 e 29 rispettivamente nelle figg. 4a e 4b, trasversali alla verticale ed ortogonali alla parete del cristallizzatore 11 stesso.
In questo caso, eccitando uno o più attuatori magnetostrittivi 16, il cristallizzatore 11 viene fatto oscillare trasversalmente come un corpo rigido, scaricando inoltre almeno parte delle sollecitazioni sui supporti elastici 27 e più in generale sul sistema di sostegno del cristallizzatore 11.
Secondo l'ulteriore soluzione illustrata in fig.
5, gli attuatori magnetostrittivi 16 sono disposti verticalmente,al cristallizzatore 11 in cooperazione all'elemento spintore 116, attorno alla quale è presente una bobina 19 atta ad indurre, quando attivata dal passaggio di corrente, un campo magnetico.
L' attivazione di detto campo magnetico, in funzione dei parametri di funzionamento, determina deformazioni meccaniche controllate di detta barra magnetostrittiva 18 tali da generare, attraverso l'elemento spintore 116, una conseguente vibrazione della parete del cristallizzatore 11.
Nel caso di specie, tra la bobina 19 e la barra 18 è presente una lamina di alluminio 20 mentre trasversalmente alla barra 18, sui due lati di essa, sono presenti magneti 21 realizzati in lega di Samario-Cobalto atti ad amplificare l'effetto del campo magnetico sul materiale magnetostrittivo della barra 18.
L'attuatore magnetostrittivo 16 comprende inoltre un circuito di raffreddamento ad acqua 22 per raffreddare le bobine 19 durante il funzionamento.
La soluzione illustrata nelle figg. la, lb, 2, 3, 6 e 7 prevede di indurre sul cristallizzatore 11 vibrazioni in senso trasversale sfruttandone le proprietà elastiche, essendo il cristallizzatore 11 stesso libero di oscillare.
Tali vibrazioni, agendo sui parametri di alimenta
Claims (1)
- (11) ed associati ad una faccia del cristallizzatore (11). 3 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che sul cristallizzatore (11) vengono indotte vibrazioni verticali generate da attuatori magnetostrittivi (16) disposti paralleli all'asse longitudinale del cristallizzatore (11) ed associati alla base inferiore del cristallizzatore (11). 4 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che le vibrazioni trasversali vengono ottenute, sfruttando le proprietà elastiche del cristallizzatore (11), mediante eccitaz.ione di almeno un attuatore magnetostrittivo (16) associato ad almeno una parete del cristallizzatore (11), detto ‘cristallizzatore (11) essendo libero di oscillare . 5 - Procedimento come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'eccitazione dell 'attuatore magnetostrittivo (16) è eseguita con parametri tali da eccitare le frequenze proprie di vibrazione del cristallizzatore (11). 6 - Procedimento come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'eccitazione dell 'attuatore magnetostrittivo (16) è eseguita con parametri RIVENDICAZIONI 1 Procedimento per l'ottenimento di vibrazioni delle pareti del cristallizzatore (11) di una lingottiera (10) mediante attuatori, detta lingottie (10) presentando almeno un canale di circolazione (13) liquido di raffreddamento definito fra una parete intermedia (12) e la faccia esterna del cristallizzatore (11), detta lingottiera (10) essendo associata ad un sistema convenzionale di oscillazione verticale a bassa frequenza ed elevata ampiazza, caratterizzato dal fatto che sul crists.llizzatore (11) vengono indotte vibrazioni di piccola ampiezza ed elevata frequenza ed accelerazicne ottenute mediante eccitazione di un attuatore (16) comprendente un elemento in lega magnetostrittiva (18) disposto in cooperazione con almeno una faccia, o con la base inferiore, del cristallizzatore (11) stesso, detto elemento in lega magnetostrittiva (18) essendo associato a mezzi (19) di generazione di un campo elettromagnetico. 2 - Procedimento come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sul cristallizzatore (11) vengono indotte vibrazioni trasversali generate da attuatori magnetostrittivi (16) disposti ortogonalmente all'asse longitudinale del cristallizzatore tali da eccitare frequenze diverse da quelle proprie di vibrazione del cristallizzatore (11). 7 -- Procedimento come alle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che il campo di frequenze utilizzabili va da circa 10 a circa 10000 Hz mentre l'ampiezza massima delle vibrazioni è circa pari a 0,1 mm . 8 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che le vibrazioni trasversali vengono ottenute mediante eccitazione di almeno un attuatore magnetostrittivo (16) associato ad almeno una parete del cristallizzatore (11), detto cristallizzatore (11) essendo vincolato al supporto (26) della lingottiera (10) da mezzi elastici (27) ed essendo libero di oscillare come un corpo rigido secondo una o l'altra delle due direzioni (28, 29) trasversali alla verticale ed ortogonali alla parete del cristallizzatore (11). 9 - Procedimento come alla rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il campo di frequenze utilizzabili va da circa 100 a circa 10000 Hz mentre l'ampiezza massima delle vibrazioni è circa pari a 0,05 mm . 10 - Procedimento come alla rivendicazione 1 o 3, caratterizzato dal fatto che le vibrazioni verticali generate dagli attuatori magnetostrittivi (16) associati alla base del cristallizzatore (11) presentano alta frequenza, compresa in un campo fra circa 1 e circa 10 kHz e limitata ampiezza dell'ordine di 0,01 mm, e vengono modulate a bassa frequenza dalla vibrazione generata dal sistema di oscillazione verticale della lingottiera (10). 11 - Dispositivo per l'ottenimento di vibrazioni delle pareti del cristallizzatore (11) di una lingottiera (10) mediante attuatori, detta lingottiera (10) presentando almeno un canale di circolazione (13) liquido di raffreddamento definito fra una parete intermedia (12) e la faccia esterna del cristallizzatore (11), detta lingottiera (10) essendo associata ad un sistema convenzionale di oscillazione verticale a bassa frequenza ed elevata ampiezza, caratterizzato dal fatto che in cooperazione con almeno una parete del cristallizzatore (11) è presente almeno un attuatore (16) comprendente un elemento (18) realizzato in lega magnetostrittiva associato a mezzi (19) di generazione di un campo magnetico. 12 - Dispositivo come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che 1'almeno un attuatore magnetostrittivo (16) è disposto trasversalmente alla parete del cristallizzatore (11) (figg. la, 1b 2, 3, 4, 6,7) 13 - Dispositivo come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che 1'almeno un attuatore magnetostrittivo (16) è disposto parallelo all'asse verticale del cristallizzatore (11) e coopera con la sua base inferiore (fig.‘ 5). 14 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 11 in poi, caratterizzato dal fatto che l'attuatore magnetostrittivo (16) presenta un elemento spintore (116) coassiale all'elemento (18) in lega magnetostrittiva e disposto a contatto con la parete del cristallizzatore (11) passando attraverso un'apertura ricavata nella parete intermedia (12). 15 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da il in poi, caratterizzato dal fatto che tra l'elemento (18) in lega magnetostrittiva ed i mezzi (19) di generazione del campo magnetico è presente una lamina in alluminio (20). 16 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 11 in poi, caratterizzato dal fatto che frontalmente all'elemento (18) in lega magnetostrittiva sono presenti magneti (21) in lega Samario-Cobalto. 17 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti da 11 in poi, caratterizzato dal fatto che presenta una pluralità di attuatori magnetostrìttivi (16a, 16b) disposti a diverse altezze lungo il cristallizzatore (11). 18 - Procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni da 1 a 10, caratterizzato dal fatto che adotta i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni. 19 - Dispositivo come ad una o l'altra delle rivendicazioni da 11 a 17, caratterizzato dal fatto che adotta i contenuti di cui alla descrizione ed ai disegni.
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