PL177723B1 - Wlew doprowadzający ciekły metal do krystalizatora w procesie ciągłego odlewania aluminium - Google Patents

Abstract

1. Wlew doprowadzajacy ciekly metal do kry- stalizatora w procesie ciaglego odlewania alumi- nium, skladajacy sie z rynny, z osadzonej w tej rynnie dyszy doprowadzajacej, w która jest we- tknieta zatyczka do regulowania doplywu cieklego metalu, przy czym zatyczka zamyka w najwezszym przekroju dyszy doprowadzajacej doplyw cieklego metalu, i korzystnie z ukladu regulacji w zalozonych granicach glebokosci zanurzenia zatyczki, zna- mienny tym, ze odleglosc (Al) od najwezszego przekroju dyszy doprowadzajacej (2) do jej wylo- tu (Y) i odleglosc (A2) od najwiekszego przekroju dyszy doprowadzajacej (2) do jej wlotu (X) wynosi co najmniej 7 cm, a w obrebie wlotu (X) dyszy doprowadzajacej (2), przestrzen pomiedzy ta dysza doprowadzajaca (2) a zatyczka (3) zweza sie na dlugosci (B), oraz ze minimalna odleglosc (C) wierzcholka zatyczki (S) do wylotu (Y) dyszy do- prowadzajacej (2) wynosi 2 cm. FIG. 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wlew doprowadzający ciekły metal do krystalizatora w procesie ciągłego odlewania aluminium, składający się z rynny, z osadzonej w tej rynnie dyszy doprowadzającej, w którą jest wetknięta zatyczka do regulowania dopływu ciekłego metalu, i korzystnie z układu regulacji w założonych granicach głębokości zanurzenia zatyczki.

Regulacja dopływu ciekłego metalu za pomocą dyszy doprowadzającej i zatyczki jest znana z różnych publikacji. I tak na przykład Niemieckie Towarzystwo Metaloznawstwa, stowarzyszenie zarejestrowane (Deutsche Gesellschaft fur Metallkunde e.V) zorganizowało sympozjum pod nazwą „Odlewanie ciągłe - stapianie - odlewanie - kontrola”, na którym została objaśniona zasada regulacji poziomu ciekłego metalu metodą prądu wirowego. W zbiorze tekstów odczytów wydanym w 1986 roku znajduje się na str. 331 rysunek układu regulacji

177 723 z zastosowaniem dyszy doprowadzającej i zatyczki. Dysza doprowadzająca jest osadzona w dnie rynny i wystaje swoim dolnym końcem do wnętrza krystalizatora.

Gdy w pewnych warunkach zmienia się prędkość przepływu ciekłego aluminium w dyszy doprowadzającej, wtedy zmienia się także ciśnienie statyczne. Przy bardzo dużych prędkościach ciekłego aluminium i występującym wtedy podciśnieniu, we wlocie do dyszy doprowadzającej lub w jej wylocie są zasysane do ciekłego metalu cząstki tlenków i zanieczyszczeń z powierzchni metalu w rynnie lub we wlewku co wpływa ujemnie na jakość wytwarzanych wlewków.

Na fig. 4a, 4b oraz 5a, 5b są pokazane przykładowo rozkłady ciśnień w znanych wlewach doprowadzających. W zamykanym u dołu wlewie doprowadzającym według fig. 4a, podciśnienie w wylocie z dyszy doprowadzającej nie może być redukowane, gdyż rozporządzalny przekrój w tym wylocie jest bardzo zmniejszony przez przerywanie strugi pod zatyczką. W wylocie z dyszy doprowadzającej występuje więc duże podciśnienie, które nie może być skompensowane przez zwiększenie głębokości zanurzenia (patrz fig. 5a).

Na fig. 4b jest przedstawiony znany zamykany u góry wlew doprowadzający. Podciśnienie wzrasta tu silnie wraz ze wzrostem różnicy poziomów (patrz fig. 5b). Powoduje to, że słupek ciekłego metalu znajdujący się w rynnie nad wlotem do dyszy doprowadzającej i związane z tym ciśnienie statyczne nie wystarcza do skompensowania podciśnienia powstającego we wlocie do dyszy doprowadzającej. Ponadto pod zalyczką następuje przerwanie strugi, które zmniejsza przekrój będący do dyspozycji. Przy większej różnicy poziomów to przerwanie strugi może wywierać wpływ rozciągający się aż do wylotu z dyszy doprowadzającej tak, że następuje tam zwiększenie podciśnienia z wymienionymi na wstępie szkodliwymi następstwami.

Rozkłady ciśnień we wlewie są zależne od każdorazowego położenia punktów pomiarowych. Dane przedstawione na fig. 5a, 5b są danymi dwuwymiarowymi, więc nie mówią one nic o równomierności przepływu na całym obwodzie dyszy doprowadzającej. Jak już wspomniano na wstępie, nierównomierności mogą jednak występować w zwykle stosowanych wlewach doprowadzających na całym obwodzie dyszy doprowadzającej, co powoduje powstawanie szczytowych prędkości, które także zwiększają podciśnienie.

W praktyce zdarza się także często, że krzywo ustawione lub krzywe zatyczki wpływają dodatkowo na warunki przepływu przez zwiększenie jego niejednorodności. W znanych układach przepływ odbywa się niekiedy tylko na połowie obwodu dyszy doprowadzającej. Wynikają więc z tego problemy, które szkodliwie odbijają się na automatycznej regulacji poziomu.

Znane wlewy doprowadzające mają tendencję do wytwarzania turbulencji, co jest pokazane na fig. 7 i bliżej objaśnione poniżej. Ciekły metal płynie w kierunku strzałki przez rynnę do dyszy doprowadzającej. Wskutek podciśnień występujących we wlocie do dyszy doprowadzającej i w wylocie z niej, ciśnienie powietrza powoduje powstawanie wgłębień w powierzchni ciekłego metalu, co może wywoływać rozrywanie warstwy tlenku i wsysanie cząstek tlenu oraz zanieczyszczeń do wnętrza ciekłego metalu. Nieodkształcalne zanieczyszczenia osadzają się w zakrzepłej warstwie wlewka. Podczas późniejszego procesu walcowania dostają się one na powierzchnię i powodują pękanie taśmy walcowej lub uszkodzenia walców.

Zadaniem wynalazku jest więc takie ulepszenie wlewu doprowadzającego, aby bez wprowadzania większych zmian w instalacji zmniejszyć podciśnienie na wlocie i wylocie dyszy doprowadzającej i stworzyć jak najlepsze warunki przepływu w dyszy doprowadzającej. Sposób pracy wlewu doprowadzającego powinien tak zmniejszyć tworzenie wirów w ciekłym metalu, aby żadne wiry nie występowały zarówno na powierzchni ciekłego metalu w rynnie jak i na powierzchni ciekłego metalu w krystałizatorze.

Zgodnie z wynalazkiem zadanie to zostało rozwiązane dzięki temu, że odległości od najwęższego przekroju dyszy doprowadzającej do jej wlotu i jej wylotu wynoszą co najmniej 7 cm, że w obszarze wlotu dyszy doprowadzającej, przestrzeń między tą dyszą, a zatyczką zwęża się na określonej długości oraz, że minimalna odległość wierzołka zatyczki od wylotu dyszy doprowadzającej wynosi 2 cm.

Korzystnie, odcinek zwężenia otworu dyszy doprowadzającej wynosi od 0 do 10 cm lub od 1 do 10 cm.

177 723

Zgodnie z wynalazkiem, powyżej najwęższego przekroju otworu dyszy doprowadzającej jest utworzona pomiędzy kształtką wylewową a zatyczką zwężająca się przestrzeń pierścieniowa, natomiast poniżej najwęższego przekroju otworu dyszy doprowadzającej, przestrzeń pomiędzy kształtką wylewową a zatyczką rozszerza się, przy kącie rozwarcia wynoszącym co najmniej 4°, przy czym wierzchołek zatyczki posiada zaokrąglenie o promieniu od 10 do 14 cm.

Korzystnie, krawędzie wlotu i wylotu dyszy doprowadzającej są zaokrąglone promieniem od 5 do 25 mm.

Korzystnie, ścianki boczne zawarte między dyszą doprowadzającą i zatyczką są nieznacznie zbieżne w kierunku przepływu, a ich zbieżność wynosi około 1°.

Korzystnie, nad wlotem dyszy doprowadzającej poziom metalu w rynnie jest na wysokości co najmniej 5 cm, a mierzona od wylotu dyszy doprowadzającej głębokość zanurzenia dyszy doprowadzającej w ciekłym metalu w krystalizatorze wynosi co najmniej 2 cm.

Dzięki wynalazkowi okazało się, że można uniknąć porywania cząstek tlenków i innych zanieczyszczeń z powierzchni metalu przez specjalne ukształtowanie konturu wewnętrznego dyszy doprowadzającej oraz przez przestrzeganie zanurzenia jej na odpowiednią głębokość w strefie ciekłego metalu tworzącej się powyżej dna. Ponadto należy zapewnić odpowiedni poziom ciekłego metalu w rynnie. Przede wszystkim zmniejsza się do minimum podciśnienie panujące na wylocie z dyszy a następnie odmierza taką głębokość zanurzenia dyszy doprowadzającej, aby pozostające jeszcze podciśnienie było kompensowane przez słupek ciekłego metalu o wysokości co najmniej 2 cm.

Według wynalazku kształtka wylewowa ma taki kontur, że w jej środku znajduje się najwęższy przekrój i wskutek tego występuje w nim największa prędkość. Dzięki nadaniu kształtce wylewowej takiego konturu unika się przerywania strugi, które mogłoby zmniejszać powierzchnię przekroju przepływu. Przepływ przez kształtkę wylewową jest więc równomierny w całym jej przekroju, co umożliwia nastawienie najlepszego strumienia objętościowego.

W przypadku stosowania rynien o tradycyjnych konfiguracjach, występują we wlewie doprowadzającym różne warunki przepływu, zależnie od tego z której strony dyszy doprowadzającej najpierw napływa do niej ciekły metal płynący w rynnie. W pewnych warunkach prowadzi to w tradycyjnych wlewkach doprowadzających do nierównomiernego rozmieszczenia strugi cieczy w dyszy na jej ściance wewnętrznej, powodującego, że w pewnych przekrojach dyszy doprowadzającej występują bardzo duże prędkości przepływu a w innych miejscach bardzo małe. Te stany zakłócały dotychczas równomierność przepływu i wywierały wpływ na warunki występujące we wlocie do dyszy doprowadzającej i w wylocie z niej.

Reasumując, istotne cechy układu wlewowego według wynalazku są następujące: takie wykonanie dyszy, aby we wlocie do niej i w wylocie z niej powstawały tylko małe podciśnienia, nadanie dyszy takiej konfiguracji, aby przepływ był równomierny w całym przekroju i nie ulegał w żadnym miejscu przerwaniu, dławienie przepływu w środkowej części dyszy, aby następowało zmniejszenie istniejącej energii strugi, i aby na końcu wlotowym do dyszy i końcu wylotowym z niej nie występowała praktycznie żadna turbulencja.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wlew doprowadzający według wynalazku, w widoku aksonometrycznym, fig. 2 - kształtkę wylewową z zatyczką w przekroju wzdłużnym, fig. 3 - wykres rozkładu ciśnień we wlewie doprowadzającym (model wodny), fig. 4a i 4b - układ kształtka wylewowa-zatyczka według stanu techniki, fig. 5a i 5b - wykresy rozkładów ciśnień w tradycyjnym, znanym wlewie doprowadzającym w modelu wodnym, fig. 6 - schemat układu elektronicznej regulacji poziomu metalu, fig. 7 - wlew doprowadzający według stanu techniki, w przekroju wzdłużnym, fig. 8 - układ mechanicznej regulacji poziomu napełniania krystalizatora w ujęciu schematycznym.

Według fig. 1 wlew doprowadzający składa się z osadzonej w rynnie 1 dyszy doprowadzającej 2, w którą jest wetknięta zatyczka 3 do regulowania dopływu ciekłego metalu 4. Ciekły metal dostaje się poprzez kształtkę wylewową 2 do krystalizatora 5, gdzie jest z niego kształtowany wlewek 6, który jest podtrzymywany na kamieniu nadlewowym 7. Przez opusz177 723 czenie stołu odlewniczego 8 za pomocą urządzenia opuszczającego 9 wyciąga się wlewek 6 z krystalizatora 5 do dołu.

Kształty dyszy doprowadzającej 2 i zatyczki 3 są przedstawione na fig. 2. Pokazano na niej, że przekroje X i Y na wlocie do dyszy i na wylocie z niej, zostały dobrane większe, w porównaniu ze zwykłymi przekrojami dyszy doprowadzającej, po to aby występowały w nich małe prędkości przepływu. Na fig. 2 pokazano także jak zatyczka 3 zanurza się w dyszy doprowadzającej 2. Swobodna przestrzeń pozostająca między dyszą doprowadzającą 2 a zatyczką 3 ma postać szczeliny pierścieniowej B i jest tak ukształtowana, że przepływająca struga ciekłego metalu wypełnia równomiernie cały jej przekrój. Patrząc od strony wlotu X szczelina pierścieniowa B zwęża się tak, że w płynącym metalu wytwarza się ciśnienie spiętrzenia, które przeciwdziała spadkowi ciśnienia statycznego w ciekłym metalu.

W prawie równoległej części szczeliny pierścieniowej B wytwarza się tarcie potrzebne do dławienia. Szczelina B rozszerza się następnie nieznacznie w stosunku do zatyczki 3, tak, że struga przylega tu lepiej do zatyczki 3. Przy zmniejszającym się przekroju, zwężanie się dyszy doprowadzającej 2 powoduje ujednorodnienie przepływu w przekroju.

Za najwęższym miejscem, znajdującym się mniej więcej w środku dyszy doprowadzającej, przekrój rozszerza się tak, że struga ulega wyhamowaniu bez przerywania jej. W celu uniknięcia przerywania strugi także przy zatyczce 3 wierzchołek jej jest zaokrąglony, np. promieniem 11,5 mm.

W celu zbadania rzeczywistych warunków przepływu w dyszy doprowadzającej według wynalazku, został wykonany model wodny stanu występującego podczas wytwarzania wlewka do walcowania. W tym modelu wodnym mogły być symulowane warunki występujące w rynnie, w dyszy doprowadzającej i we wlewku dla różnych układów dyszy doprowadzającej i zatyczki. Za pomocą tego modelu wodnego zostały zbadane rozkłady ciśnień w zoptymalizowanym wlewie doprowadzającym. Wynik jest przedstawiony na fig. 3.

Stwierdzono, że we wlocie X do dyszy doprowadzającej na długości równej 0 panuje dodatnie lub tylko lekko ujemne ciśnienie. Wskutek dużych prędkości osiąganych w środku dyszy doprowadzającej występują tam bardzo duże podciśnienia. Pomiary w najwęższym przekroju wykazują duże podciśnienia, które świadczą o tym, że struga nie ulega przerwaniu, lecz przylega do ścianek. Następnie w przeciągu bardzo krótkiego czasu bardzo duże podciśnienia ulegają redukcji, tak, że w wylocie Y z dyszy doprowadzającej, na siedemnastym cm jej długości pozostają już tylko bardzo małe podciśnienia.

Także zwiększenie różnicy poziomów - w tym przykładzie z 26 cm do 34 cm - zmienia warunki ciśnieniowe tylko w minimalnym stopniu. Leżące tuż obok siebie krzywe dla różnych różnic poziomów świadczą o tym, że stany przepływu są bardzo stabilne i że nawet przy dużych podciśnieniach przepływ w dyszy nie ulega przerwom. Wynika z tego, że przepływ przez przekrój stojący do dyspozycji odbywa się równomiernie i przy tym nie występują szczyty prędkości.

Dzięki będącej przedmiotem wynalazku zmianie przekrojów, strumień objętościowy może być o wiele dokładniej dozowany i można uniknąć niestabilności przepływu. Na modelu szklanym okazało, się w zoptymalizowanej dyszy przepływ jest równomierny na całym obwodzie.

Na fig. 8 jest przedstawiony schematyczny szkic mechanicznej regulacji układu odlewania ciągłego. Zatyczka 3 jest poruszana w górę lub w dół za pomocą drążka naciskowego 16 wprawianego mechanicznie w ruch za pośrednictwem pręta zwrotnego 15 połączonego z pływakiem 14, który jest umieszczony na powierzchni ciekłego metalu. Nazwa „pływak” dotyczy kształtki z materiału ogniotrwałego, która pływa po powierzchni ciekłego metalu i za pośrednictwem dźwigni sygnalizuje poziom tego metalu. W niniejszym przypadku zostaje w ten sposób zwiększona lub zmniejszona szczelina pierścieniowa między kształtką wylewową i zatyczką, zależnie od tego w jakim kierunku odbiega od wartości zadanej poziom ciekłego metalu. Ilość dopływającego ciekłego metalu jest więc regulowana przez ustawienie zatyczki na różnych wysokościach.

Inne metody polegają na laserowym odczytywaniu poziomu ciekłego metalu w kokili. Powstający sygnał jest tu obrabiany na drodze elektronicznej i przekształcany w wielkość

177 723 nastawczą dla zatyczki 3 (patrz fig. 6). Poziom metalu w krystalizatorze 5 może ulegać wahaniom z różnych powodów. Na przykład przechylanie pieca do topienia nie odbywa się w sposób ciągły, tak że w rynnie 1 występuje spiętrzenie przepływu. Także poziom ciekłego metalu w rynnie reguluje się zwykle za pomocą pływaka i w normalnym przypadku są z sobą sprzęgnięte dwa układy regulacji. Prowadzi to do dynamicznych warunków regulacji, które podczas fazy wykonywania odlewu wymagają stałej korekcji każdorazowej wysokości ustawienia zatyczki.

Wahania poziomu ciekłego metalu zmieniają warunki cieplne, co powoduje niekorzystne ukształtowanie powierzchni wlewka. Zwiększa się grubość warstwy powierzchniowej, która przed walcowaniem musi być całkowicie usunięta za pomocą frezarki.

POWIERZCHNIA CIEKŁEGO METALU W RYNNIE

POWIERZCHNIA CIEKŁEGO METALU _v W KRYSTALIZATORZE

FIG. 2

177 723

FIG.3

FI0.4b

ΠΊ 723

DŁUGOŚĆ KSZTAŁTKI WYLEWOWEJ ccmi

FIG. 5b

177 723

L.

EKRAN REGULATOR

ZEROWANIE WZMACNIACZ PROSTOWNIK FILTR OBRAZOWY ELEKTRONICZNY

GENERATOR j PIERWOTNA WTÓRNE SPRZEGAIACE

SYGNAŁ DO

NAPĘDU

ZATYCZKI

SONDA POMIAROWA

KOMPENSACJA

FIG. 6

177 723

W—

FIG. 7

177 723 cn

FIG.8

ΠΊ 723

FIG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wlew doprowadzający ciekły metal do krystalizatora w procesie ciągłego odlewania aluminium, składający się z rynny, z osadzonej w tej rynnie dyszy doprowadzającej, w którą jest wetknięta zatyczka do regulowania dopływu ciekłego metalu, przy czym zatyczka zamyka w najwęższym przekroju dyszy doprowadzającej dopływ ciekłego metalu, i korzystnie z układu regulacji w założonych granicach głębokości zanurzenia zatyczki, znamienny tym, że odległość (A1) od najwęższego przekroju dyszy doprowadzającej (2) do jej wylotu (Y) i odległość (A2) od największego przekroju dyszy doprowadzającej (2) do jej wlotu (X) wynosi co najmniej 7 cm, a w obrębie wlotu (X) dyszy doprowadzającej (2), przestrzeń pomiędzy tą dyszą doprowadzającą (2) a zatyczką (3) zwęża się na długości (B), oraz że minimalna odległość (C) wierzchołka zatyczki (S) do wylotu (Y) dyszy doprowadzającej (2) wynosi 2 cm.
2. 2. Wlew według zastrz. 1, znamienny tym, że zwężenie dyszy doprowadzającej (2) na odcinku (B) ma długość od 0 do 10 cm.
3. 3. Wlew według zastrz. 1, znamienny tym, że zwężenie dyszy doprowadzającej (2) na odcinku (B) ma długość od 1 do 10 cm.
4. 4. Wiew według zastrz. 1, znamienny tym, że powyżej najwęższego przekroju dyszy doprowadzającej jest utworzona między kształtką wylewową (2) i zatyczką (3) zwężająca się przestrzeń pierścieniowa (D), zaś poniżej najwęższego przekroju dyszy doprowadzającej (2) przestrzeń pomiędzy tą dyszą doprowadzającą (2) i zatyczką (3) rozszerza się przy kącie rozwarcia wynoszącym co najmniej 4°, przy czym wierzchołek (S) zatyczki (3) jest zaokrąglony promieniem wynoszącym od 10 do 14 cm.
5. 5. Wlew według zastrz. 1, znamienny tym, że krawędzie wlotu i wylotu dyszy doprowadzającej (2) są zaokrąglone promieniem (R') wynoszącym od 5 do 25 mm.
6. 6. Wlew według zastrz. 4, znamienny tym, że przestrzeń pierścieniową (D) tworzy szczelina pierścieniowa między dyszą doprowadzającą (2) i zatyczką (3), przy czym ścianki boczne tworzące szczelinę pierścieniową, przebiegają prawie równolegle do siebie.
7. 7. Wlew według zastrz. 4, znamienny tym, że ścianki boczne przestrzeni pierścieniowej (D) przebiegające prawie równoległe do siebie są nieznacznie zbieżne w kierunku przepływu, a ich zbieżność wynosi około 1°.
8. 8. Wlew według zastrz. 1, znamienny tym, że nad wlotem (X) dyszy doprowadzającej (2) poziom (H) metalu w rynnie (1) jest na wysokości co najmniej 5 cm, a mierzona od wylotu (Y) dyszy doprowadzającej (2) głębokość zanurzenia (T) dyszy doprowadzającej (2) w ciekłym metalu w krystalizatorze wynosi co najmniej 2 cm.