PL206578B1 - Sposób i urządzenie do odlewania ciągłego metali - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 206578 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 378634 (51) Int.Cl.

(22) Data zgłoszenia: 24.02.2004 B22D 11/01 (2006.01)

B22D 11/124 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

24.02.2004, PCT/EP04/001794 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

10.09.2004, WO04/076096 (54)

Sposób i urządzenie do odlewania ciągłego metali

(30) Pierwszeństwo: 28.02.2003, EP, 03450060.3	(73) Uprawniony z patentu: SO & SO SOMMERHOFER OEG, Leoben, AT
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 15.05.2006 BUP 10/06	(72) Twórca(y) wynalazku: HUBERT SOMMERHOFER, Graz, AT PETER SOMMERHOFER, Graz, AT
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2010 WUP 08/10	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Kamiński Zbigniew Kancelaria Patentowa

PL 206 578 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób odlewania ciągłego dowolnego metalu, w którym do bezpośredniego chłodzenia wlewka stosuje się ciekły metal albo ciecz jonową. Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do odlewania za pomocą tego sposobu.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 3 430 680 A jest znany sposób odlewania, w którym chłodziwo przepływa pod wpływem siły grawitacji przez pionowo ustawioną rurę. Dysza chłodziwa jest osadzona w rurze współosiowo i chłodzony metal w stanie ciekłym przepływa wzdłuż dyszy z taką samą prędkością jak chłodziwo, dzięki czemu eliminuje się występowanie sił tnących i zaburzeń na powierzchni styku dwóch strumieni metalu. Chłodzony metal krystalizuje się w kierunku od powierzchni styku do ś rodka strumienia, po określonym czasie całkowicie zmienia stan skupienia na stały i jest wystarczająco twardy i wytrzymały, aby oddzielić go od chłodziwa. Niedogodnością tego znanego rozwiązania jest trudność w uzyskaniu identycznych prędkości i całkowicie laminarnego przepływu przemieszczających się współbieżnie strumieni ciekłego metalu oraz spowodowana tą trudnością mała wydajność sposobu.

W innym zgł oszeniu patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 3 874 438 A jest opisana kąpiel chłodząca płynnym metalem, przy czym wanna tej kąpieli jest wyposażona w wylot umieszczony w jej dolnej części. Układ temperatur w tym znanym rozwiązaniu jest bardzo złożony, punkt krystalizacji w matrycy jest umieszczony blisko obszaru wylotu kąpieli chłodzącej. Wanna chłodząca jest wyposażona w cylinder, przez którego ścianki odbywa się wymiana ciepła. W celu utrzymywania powierzchni kąpieli na stałej wysokości stosuje się dodatkowy odbiornik ciekłego metalu chłodziwa. Utrzymywanie prawidłowej temperatury zestalania metalu przy wylocie jest bardzo trudne, należy przy tym uwzględnić, że wlewek jest jeszcze w stanie ciekłym na większej części przekroju, że podczas krzepnięcia jest oddawane ciepło i że parametry procesu chłodzenia zmieniają się wzdłuż osi wlewka, ponieważ chłodziwo stale się ogrzewa.

W jeszcze innym opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 5 344 597 A opublikowano rozwiązanie dotyczące wytwarzania cienkich stalowych arkuszy. W tym znanym rozwiązaniu warstwę roztopionej stali nanosi się na powierzchnię chłodziwa składającego się z roztopionego metalu, przykładowo ołowiu. Następnie warstwa stali przechodzi do wanny rolkowej, skąd jest odbierana. Podczas procesu odlewania z chłodziwem styka się tylko dolna powierzchnia stalowego arkusza. Ogrzane chłodziwo przemieszcza się z powierzchni kąpieli do chłodnicy i po ochłodzeniu jest doprowadzane za pomocą pompy z powrotem do dolnej części wanny. Niedogodnością tego znanego rozwiązania jest niewielka skuteczność i asymetria chłodzenia spowodowana jednostronną wymianą ciepła, doprowadzaniem chłodziwa do dolnych obszarów wanny i kierunkiem ruchu arkusza równoległym do powierzchni chłodziwa. Wymienione przyczyny powodują powstawanie naprężeń i odkształceń wyrobu.

Podobny sposób jest przedstawiony w opisie patentowym nr US 4 955 430 A. Różnica między tymi znanymi rozwiązaniami polega na innym systemie przenoszenia arkusza stali, pozostałe elementy procesu odlewania są w obu przypadkach takie same.

Dwa bardzo podobne sposoby i urządzenia do odlewania ciągłego metali są opublikowane w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 4 510 989 A oraz US 4 751 959 A. W obu tych rozwiązaniach ciekły metal, na którego powierzchni już wytworzyła się cienka warstwa fazy stałej, umieszcza się w kąpieli chłodzącej składającej się z roztopionego metalu i przesuwa wzdłuż łukowego odcinka. Ze względu na przebieg procesu objętość kąpieli musi być znacznie większa od objętości chłodzonego wlewka. Chłodziwo jest poruszane w sposób przypadkowy za pomocą pompy umieszczonej na dnie wanny. Niedogodnością tego sposobu jest duża powierzchnia chłodziwa oraz wydzielanie się szkodliwych gazów spowodowane przez nieustalone procesy chemiczne zachodzące w kąpieli chłodzącej. Dodatkowy problem wynika z przemieszczania wlewka wzdłuż linii krzywej, zwłaszcza w przypadku długich elementów. Niedogodności te wpływają również niekorzystnie na jakość wyrobu.

W opisie US 2 363 695 A jest przedstawiony inny sposób chł odzenia odlewu, w którym roztopiony materiał, zwłaszcza stal, przeprowadza się przez izolowaną cieplnie rurę o kształcie litery „U do dyszy, która jest skierowana do zbiornika wypełnionego płynnym ołowiem, a następnie przemieszcza pionowo do góry. Chłodziwo w zbiorniku nie jest mieszane ani poruszane, przez co różnice temperatur podczas chłodzenia powstają tylko na skutek ruchu wlewka oraz ruchów konwekcyjnych. Niedogodnością tego rozwiązania jest niewielka powtarzalność parametrów procesu odlewania.

PL 206 578 B1

Z opisu patentowego SU 863 161 A znany jest sposób odlewania rur odbywają cy się dwustopniowo: podczas pierwszego etapu wlewek jest chłodzony wodą, która powoduje powstanie cienkiej warstwy fazy stałej na powierzchni odlewu, w drugim etapie wlewek ochładza się dodatkowo ciekłym metalem przemieszczając się wzdłuż linii krzywej. Ciekło-metaliczne chłodziwo jest umieszczone w pierś cieniowej szczelinie otaczającej wlewek i jest pośrednio chłodzone wodą. Niedogodnością tego rozwiązania jest toroidalny kształt matrycy oraz trudności z uzyskaniem powtarzalności procesu ze względu na skomplikowany proces wymiany ciepła, które jest odprowadzane z roztopionego rdzenia przez zestaloną powierzchnię wlewka do ciekłego metalu chłodziwa, następnie przez ściankę matrycy do wody przepływającej przez kanały w ściankach tej matrycy.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US 3 128 513 A jest znany sposób, w którym chł odziwem jest roztopiona sól. Z tego powodu wlewek, którego gę stość jest wię ksza od gęstości kąpieli chłodzącej, opada na dno zbiornika. Ciśnienie w płynnym rdzeniu wlewka jest wykorzystywane do formowania przekroju tego wlewka. Niedogodnością tego rozwiązania jest m.in. niebezpieczeństwo rozerwania wlewka pod wpływem wewnętrznego ciśnienia. Chłodziwo umieszczone w zbiorniku nie jest mieszane, w przypadku stosowania ruchomych matryc kontakt między powierzchnią wlewka i chłodziwem jest ograniczony.

Standardowy sposób odlewania rur jest znany z japońskiego opisu patentowego JP 62101353 A. Ze względu na wymagania dotyczące kształtu i gładkości wewnętrznej powierzchni rury, drążony rdzeń jest wstawiany za pomocą dyszy. Powierzchnia wewnętrzna tego rdzenia jest chłodzona za pomocą ciekłego metalu ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu powstające podczas bezpośredniego kontaktu wody z roztopionym metalem. Nie następuje również zetknięcie się wlewka z ciekłym metalem chłodziwa.

Odlewanie ciągłe jest szczególnie korzystnym sposobem wykonywania półwyrobów, zwłaszcza wlewków o kształcie walców, taśm, wyciskanych prętów, drutów oraz rur, również materiałów tiksotropowych. Wyroby odlewane za pomocą opisywanego sposobu wytwarza się z aluminium, miedzi, magnezu, niklu i ich stopów oraz ze stali. Duża ilość parametrów decydujących o prawidłowym przebiegu procesu odlewania spowodowała powstanie dużej ilości rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń odlewniczych. Przeważnie wlewek jest chłodzony pośrednio za pomocą matrycy, zwłaszcza gdy jest konieczne wytworzenie mocnej powłoki, która wytrzyma naprężenia na wylocie matrycy i naprężenia rozrywające powodowane przez ciekły metal. Za wylotem matrycy wlewek chłodzi się bezpośrednio wodą podawaną w postaci cienkiej powłoki, pyłu wodnego albo mgły wodnej. Podczas bezpośredniego chłodzenia następuje krzepnięcie ciekłego rdzenia wlewka. Czasami po drugim etapie chłodzenia stosuje się dodatkowo trzeci etap, podczas którego wlewek ochładza się w kąpieli wodnej albo w strumieniu powietrza.

Sposób odlewania, w którym wlewek najpierw chłodzi się pośrednio w matrycy, następnie bezpośrednio chłodzi się wodą albo mgłą wodną jest powszechnie stosowany w przemyśle. Niedogodnością tego znanego sposobu jest tarcie występujące między matrycą i wlewkiem powodujące uszkadzanie powierzchni powstającego wyrobu. Oprócz tego niekorzystne jest również zjawisko ponownego ogrzewania zestalonej powierzchni wlewka spowodowane szczeliną powietrzną powstającą między matrycą i wlewkiem na skutek skurczu przy krzepnięciu. Wymienione niedogodności mogą spowodować pęknięcie powierzchni wlewka (zbyt duże tarcie), segregację ziarna i zróżnicowanie jego wielkości, odkształcenia powłoki mające wpływ na dolne warstwy produktu wytwarzanego metodą ciągłego odlewania. Powłoka zewnętrzna wlewka przeważnie znacznie różni się właściwościami od rdzenia i przez to wymaga specjalnej obróbki mechanicznej. Ta dodatkowa operacja podraż a koszt wyrobu. Jednym ze sposobów zredukowania grubości powłoki zewnętrznej jest stosowanie środków smarujących. Do smarowania wlewka wykorzystuje się wiele różnych substancji, również mieszaniny środków smarnych i gazu zmniejszających tarcie i poprawiających wymianę ciepła, jednak całkowite wyeliminowanie powłoki zewnętrznej nie jest możliwe. Innym sposobem zredukowania grubości tej powłoki jest zmniejszenie długości matrycy, co powoduje konieczność stosowania lepszego i droższego systemu kontrolowania procesu. Monokryształy można wytwarzać za pomocą ciągłego odlewania metodą Ohno (OCC), w którym stosuje się matrycę ogrzewaną do temperatury wyższej od temperatury topnienia odlewanego metalu w celu wyeliminowania zarodkowania na ściankach tej matrycy i wymuszenia procesu krzepnięcia w kierunku równoległym do osi wlewka. Odbieranie ciepła podczas tego procesu uzyskuje się za pomocą bezpośredniego chłodzenia wlewka w ustalonym miejscu za wylotem matrycy. Opisywany proces umożliwia ciągłe tworzenie monokryształów o bardzo gładkiej powierzchni, jednak

PL 206 578 B1 jego zastosowanie jest ograniczone, ponieważ celem odlewania ciągłego nie jest produkcja monokryształów lecz wyrobów, które są łatwo obrabialne mechanicznie albo cieplnie.

Innym rozwiązaniem jest odlewanie ciągłe z wykorzystaniem izolowanej matrycy, podczas którego stosuje się chłodzenie bezpośrednie wlewka. Proces taki umożliwia uzyskanie gładkiej powierzchni wlewka, pozbawionej niekorzystnej powłoki, pod warunkiem zachowania odpowiednich parametrów odlewania i chłodzenia. Ponieważ matryca izolowana jest bardzo krótka, proces ten wymaga stosowania bardzo szybkiego i dokładnego układu automatycznego sterowania.

Wspólną cechą opisanych procesów odlewania ciągłego jest stosowanie jako chłodziwa wody tworzącej mniej lub bardziej stabilną powłokę pary na powierzchni wlewka, zależnie od temperatury tej powierzchni i gęstości wody. Niedogodnością tego rozwiązania są duże zmiany współczynnika wymiany ciepła podczas chłodzenia. W zależności od zastosowanego sposobu, właściwości odlewanego materiału, chropowatości powierzchni wlewka, gęstości wody i prędkości jej przepływu oraz temperatury dobiera się parametry, które mają wpływ na tworzenie się wad powierzchniowych i wewnętrznych oraz na prędkość odlewania. Ponieważ możliwa jest zmiana parametrów pracy podczas odlewania, można również wpływać na bieżąco na jakość produkowanego wyrobu.

Z europejskiego patentu EP 063 832 jest znane próbne rozwią zanie, w którym krzepnię cie wlewka nastąpiło wewnątrz matrycy, nie jest to więc typowy proces odlewania ani proces odlewania ciągłego.

W niemieckim patencie DE 41 27 792 jest przedstawione inne próbne rozwiązanie, w którym wykorzystano wstępnie ogrzewaną matrycę o specjalnie dobranym kształcie, w której następuje nietypowa krystalizacja wlewka. Również w tym przypadku opisywany proces nie jest odlewaniem ciągłym.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego i niezawodnego sposobu odlewania ciągłego, który wyeliminuje niedogodności rozwiązań znanych ze stanu techniki.

Celem wynalazku jest również opracowanie urządzenia do odlewania ciągłego według tego sposobu.

Cel wynalazku zrealizowano w sposobie, który charakteryzuje się tym, że na powierzchnię wlewka kieruje się bezpośrednio co najmniej jeden strumień doprowadzanego pod ciśnieniem chłodziwa o przepływie turbulentnym. Chłodziwem jest ciecz jonowa albo ciekły metal, zwłaszcza ołów, cyna, bizmut, gal, ind albo stopy tych metali. Dzięki takiemu rozwiązaniu na powierzchni wlewka nie powstaje powłoka wodna, zaś wymiana ciepła przebiega w sposób kontrolowany.

Ciecz jonowa jest nazwą soli składających się ze związków kationów organicznych i przeważnie nieorganicznych anionów, których temperatura topnienia wynosi około 100°C. Związki te nie rozkładają się w wysokich temperaturach występujących podczas procesu odlewania i nie wchodzą w reakcję z metalem wlewka. W dalszym opisie ciecze jonowe nie są osobno wymieniane, natomiast określenia „ciekły metal albo „chłodziwo obejmują również te substancje.

Temperatura topnienia chłodziwa mierzona w stopniach Celsjusza jest mniejsza albo równa 60% temperatury topnienia metalu wlewka. W rozwiązaniu według wynalazku co najmniej jeden strumień chłodziwa wypełnia komorę chłodziwa umieszczoną między powierzchnią wlewka i wewnętrzną powierzchnią rury, przez którą przechodzi ten wlewek podczas procesu odlewania.

Główny kierunek przepływu chłodziwa jest równoległy do kierunku ruchu wlewka.

Strumień chłodziwa jest utworzony w kształcie stożkowej ściany. Liczba Reynoldsa dla tego strumienia wynosi co najmniej 15000, zwłaszcza 25000.

W innym rozwiązaniu według wynalazku strumień chłodziwa składa się z wielu pojedynczych strumieni o przekroju okrągłym. W tym przypadku liczba Reynoldsa dla tych strumieni wynosi co najmniej 5000.

W wielu przypadkach, przykł adowo podczas odlewania aluminium, korzystne jest wytworzenie się na powierzchni wlewka powłoki tlenków, która zabezpiecza tę powierzchnię przed wchodzeniem w reakcje chemiczne z chł odziwem. W tym celu przed punktem, w którym strumień chł odziwa trafia w powierzchnię wlewka, dostarcza się tlen albo gaz zawierający tlen, zwł aszcza powietrze. Dyszę dostarczającą gaz umieszcza się między wylotem matrycy i rozdzielaczem chłodziwa.

Cel wynalazku został zrealizowany również w urządzeniu do odlewania ciągłego wyposażonym w zbiornik chł odziwa z grzał k ą , w pompę połączoną z tym zbiornikiem za pomocą przewodów rurowych, w chłodnicę do obniżania temperatury wlewka oraz w wymiennik ciepła umieszczony na przewodzie między chłodnicą i zbiornikiem chłodziwa charakteryzującym się tym, że chłodnica jest zaopatrzona w co najmniej jedną dyszę, przez którą chłodziwo wypływa bezpośrednio na powierzchnię wlewka, zwłaszcza w pobliżu wylotu matrycy i w kolektor do odprowadzania ogrzanego chłodziwa.

PL 206 578 B1

Ciekły metal może być podawany na powierzchnię wlewka w postaci cienkiej powłoki strumienia albo kropli. Dysza do podawania chłodziwa może być wykonana w kształcie pierścieniowej szczeliny albo w kształcie segmentów szczelinowych ustawionych pod różnymi kątami do osi wlewka.

Chłodnica jest korzystnie wyposażona w rurę umieszczoną wokół wlewka, której wewnętrzna ścianka wraz z zewnętrzną powierzchnią wlewka tworzy komorę wypełnianą chłodziwem.

Urządzenie jest wyposażone w co najmniej jeden rozdzielacz chłodziwa umieszczony w pobliżu wylotu matrycy w kierunku przesuwu wlewka w ustalonej odległości od rury otaczającej ten wlewek. Rozdzielacz jest połączony z tą rurą. Urządzenie może być wyposażone również w co najmniej jeden rozdzielacz drugiego stopnia chłodnicy osadzony na wlocie rury otaczającej wlewek. Dla mniejszych prędkości odlewania możliwe jest również stosowanie chłodzenia bezpośredniego za pomocą zanurzenia rozdzielacza chłodziwa i gorącego wlewka w kąpieli zawierającej płynny metal.

Urządzenie do odlewania ciągłego według wynalazku jest korzystnie wyposażone w urządzenie czyszczące do usuwania chłodziwa z powierzchni wlewka.

Matryca stosowana w urządzeniu według wynalazku jest matrycą izolowaną, która umożliwia krzepnięcie wlewka w pobliżu jej wylotu. Krzepnięcie następuje na skutek bezpośredniego chłodzenia. Wylot matrycy w kierunku odlewania może być wykonany w kształcie cylindra albo stożka.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku uzyskuje się możliwość stosowania jednego lub większej ilości stopni schładzania wlewka. Zastosowanie ciekłego metalu jako chłodziwa zabezpiecza przed tworzeniem się warstwy tlenków na powierzchni wlewka. Dzięki regulacji temperatury doprowadzanego chłodziwa oraz jego wydatku uzyskuje się możliwość kontrolowania prędkości chłodzenia i możliwość kształtowania wymaganej ziarnistej struktury metalu. Stosowanie osobnej matrycy albo mniejszej prędkości chłodzenia w tej matrycy zabezpiecza przed tworzeniem się wad powierzchniowych i niehomogenicznych warstw podpowierzchniowych. Stosowanie ciekłego metalu w procesie chłodzenia bezpośredniego eliminuje niebezpieczeństwo wybuchu, które jest dużym zagrożeniem w przypadku stosowania chłodzenia wodą. Inną korzyścią wynikającą ze sposobu odlewania ciągłego według wynalazku jest wyeliminowanie konieczności stosowania środków smarujących.

Zastosowanie jednego z opisanych procesów do odlewania ciągłego w układzie poziomym umożliwia wykorzystanie liniowych podpór prowadzących wlewek i obniża koszt energii przy powtórnym ogrzewaniu tego wlewka. Proces odlewania według wynalazku eliminuje tworzenie się naderwań odlewu, ponieważ odbywa się w warunkach optymalnych (odpowiednia temperatura chłodzenia na poszczególnych etapach procesu). Kształt wlewka może być dowolny, nie jest również ograniczona ilość prowadzonych równolegle wlewków.

Możliwe jest łatwe dostosowanie istniejących urządzeń do odlewania ciągłego do rozwiązania według wynalazku, również w przypadku stosowania wody jako chłodziwa. Niewielkich prac adaptacyjnych wymaga matryca, zmiany są konieczne tylko w celu uzyskania odpowiedniej przestrzeni krystalizacji na jej wylocie, dzięki czemu uzyskuje się odizolowaną matrycę albo bardzo krótki wylot chłodzący.

Sposób i urządzenie według wynalazku do odlewania ciągłego metalu jest uwidoczniony w przykładowym rozwiązaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia matrycę z układem chłodzenia według wynalazku w przekroju pionowym; fig. 2 - inne rozwiązanie matrycy z układem chłodzenia według wynalazku również w przekroju pionowym; fig. 3 - trzecie rozwiązanie matrycy z układem chłodzenia według wynalazku w przekroju pionowym; fig. 4 - czwarte rozwiązanie matrycy z układem chłodzenia według wynalazku w przekroju pionowym; fig. 5 - piąte rozwiązanie matrycy z układem chłodzenia według wynalazku w przekroju pionowym; fig. 6 - szóste rozwiązanie matrycy z układem chłodzenia według wynalazku w przekroju pionowym; fig. 7 - widok główny urządzenia do ciągłego odlewania metalu z chłodzeniem bezpośrednim w uproszczeniu; fig. 8 - urządzenie do chłodzenia ciekłego metalu w przekroju poprzecznym.

Fig. 1 przedstawia matrycę do ciągłego odlewania metalu z pionowym kierunkiem odprowadzania wlewka. Chłodzenie jest zrealizowane w całkowicie nowy sposób, przy wykorzystaniu całego strumienia chłodzącego. Jest to rozwiązanie znane z przemysłu chemicznego.

Roztopiony metal 1 jest pobierany z kadzi do ciągłego odlewania 2 (która może być ogrzewana) do matrycy 3. Wlewek 4 chłodzony utworzonym z ciekłego metalu chłodziwem 8 zestala się przemieszczając się wzdłuż chłodnicy 5 w kierunku wylotu formy. Ciekło-metaliczne chłodziwo 8 wypełnia całą przestrzeń komory chłodziwa 11 między powierzchnią wlewka 4 i wewnętrzną powierzchnią rury 12. Temperatura wlewka 4 zmniejsza się podczas jego ruchu wzdłuż całej długości chłodnicy 5. Oddzielenie chłodziwa 8 od wlewka 4 uzyskuje się za pomocą urządzenia oczyszczającego 7.

PL 206 578 B1

W rozwiązaniu według wynalazku chłodziwo 8 jest dostarczane do chłodnicy 5 i następnie rozprowadzane po całym jej obwodzie za pomocą rozdzielacza chłodziwa 6. Chłodziwo 8 wychodzi z zespołu rozdzielacza 6 szczelinami wykonanymi w kształcie pierścieni (dostosowanych do kształtu obudowy rozdzielacza 6) i jest kierowane bezpośrednio na powierzchnię wlewka 4 albo do wlotów licznych otworów lub dysz rozmieszczonych wzdłuż zamkniętej linii i skierowanych na powierzchnię wlewka 4. W rozwiązaniu wyposażonym w pierścieniowe szczeliny przepływające chłodziwo 8 tworzy ściankę w kształcie stożka, w rozwiązaniu wyposażonym w otwory kierujące tworzy się duża ilość strumieni 10 chłodziwa 8. W obu przypadkach ważne jest, aby prędkość chłodziwa 8 wypływającego z rozdzielacza 6 była wystarczająco duża, aby utworzyć przepływ turbulentny, przy którym współczynnik wymiany ciepła w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu wlewka 4 jest znacznie większy, niż w przepływie laminarnym.

W rozwiązaniu według fig. 1, w którym chłodziwo 8 tworzy ścianę albo strumienie 10, połączenie ruchów wlewka 4 i chłodziwa 8 w pewnej odległości od rozdzielacza 6 powoduje powstanie cyrkulacji wymuszonej przez pompę. Cyrkulacja ta zakłóca przepływ ściany albo strumieni 10 chłodziwa 8.

Na odcinku od wylotu matrycy do kolektora chłodnicy 9 chłodziwo 8 odbiera ciepło od wlewka 4. Kolektor chłodnicy 9 umożliwia uzyskanie wymaganego rozkładu chłodziwa 8 na obwodzie wlewka 4. Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się większą szybkość chłodzenia, jednak proces ten wymaga dokładnej regulacji ciśnienia dostarczanego chłodziwa.

Różnicę między przepływem laminarnym i turbulentnym można wyjaśnić za pomocą fig. 8, na której jest przedstawiona szczelina wykonana w kształcie pierścienia umieszczona między współosiowymi cylindrycznymi ścianami. Średnica wewnętrznego cylindra wynosi d, wewnętrzna średnica zewnętrznego, wydrążonego cylindra wynosi D, zaś średnica hydrauliczna D_H szczeliny wynosi:

Dh = D - d

Średnica hydrauliczna D_H pierścienia i nie okrągłych kanałów jest równoważna ze średnicą okręgu o takiej samej powierzchni przekroju. Średnice hydrauliczne dla różnych kształtów powierzchni są podane przykładowo w podręczniku Roberta H.Perry „Perry's Chemical engineers' Handbook (wydanie szóste 1984), na stronach 5-25 i 5-26 wymienionej publikacji. Jeżeli substancja ciekła przepływa przez szczelinę o średnicy hydraulicznej D_H (podanej w metrach) w kierunku prostopadłym do jej powierzchni, przy czym lepkość tej substancji wynosi υ (m²/s) i prędkość średnia przepływu wynosi v (m/s), to liczbę Reynoldsa Re oblicza się według wzoru:

Re = (DH * v) /υ

Punkt, w którym przepływ laminarny zamienia się w turbulentny zależy nie tylko od powierzchni przekroju kanału, lecz również od kształtu tej powierzchni. Dla liczb Reynoldsa (bezwymiarowych) większych niż 12000 w przypadku kanałów w kształcie pierścieniowej szczeliny przepływ jest zazwyczaj turbulentny. W rozwiązaniu według wynalazku liczba Reynoldsa w przypadku strumienia ścianowego powinna wynosić co najmniej 15000, zwłaszcza ponad 25000. W opisywanym przypadku szczelina rozdzielacza 6 nie jest cylindryczna, lecz stożkowa, jednak dla dalszych obliczeń różnice wynikające z tego faktu są tak niewielkie, że można je pominąć.

Rozdzielacz 6 jest wyposażony w liczne elementy regulowane niezależnie od siebie, zwłaszcza za pomocą śrub nastawczych, umożliwiające zmianę szerokości szczeliny stożkowej. Dzięki takiemu rozwiązaniu pracownik obsługi może łatwo zmienić wartość liczby Reynoldsa nawet podczas pracy urządzenia do odlewania ciągłego.

W przypadku stosowania otworów albo dysz o średnicy swobodnej d (wartość podana w m), liczbę Reynoldsa oblicza się za pomocą wzoru:

Re = (d*v)/ υ

Zmiana charakteru przepływu z laminarnego na turbulentny następuje przy określonym układzie geometrycznym w zakresie wartości liczby Reynoldsa od 2600 do 4000, w zależności od zdefiniowanego efektu drugiego rzędu. Liczba Reynoldsa w przypadku stosowania układu niezależnych strumieni chłodziwa powinna wynosić nie mniej niż 5000, zwłaszcza powyżej 7500.

Wartość współczynnika lepkości dla stosowanych jako chłodziwo ciekłych metali albo cieczy jonowych są podane w podręcznikach chemii i metalurgii, natomiast prędkość przepływu uzyskuje się na podstawie pola przekroju szczeliny (m²) i objętości chłodziwa (m³), które w czasie 1 s przepływa przez tę szczelinę. Szerokość szczeliny (równa połowie średnicy hydraulicznej) jest ustalona konstrukcyjnie. Ponieważ dane te są łatwo dostępne, pracownik obsługujący urządzenie może łatwo ustalić parametry konieczne do uzyskania przepływu turbulentnego.

PL 206 578 B1

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 2 wlewek 4 jest chłodzony mniej intensywnie, niż w rozwiązaniu według fig. 1. Roztopiony metal 1 jest pobierany z kadzi 2 (która może być ogrzewana) do matrycy 3 i zestala się na wylocie tej matrycy oddając ciepło do strumienia chłodziwa 8 stykającego się bezpośrednio z powierzchnią wlewka 4. Zamiast rury 12 w rozwiązaniu zastosowano chłodnicę skrzynkową 13 otaczającą przestrzeń, w której następuje zestalanie wlewka 4. Chłodnica ta odbiera ogrzane chłodziwo 8. Na przeciwległym do wylotu matrycy 3 końcu chłodnicy skrzynkowej 13 jest osadzone urządzenie oczyszczające 7 oddzielające chłodziwo 8 od powierzchni wlewka 4. Zimne chłodziwo 8 jest rozprowadzane wzdłuż obwodu wlewka 4 za pomocą rozdzielacza 6 umieszczonego przy wylocie matrycy 3. Po zetknięciu się z powierzchnią wlewka 4 ogrzane chłodziwo 8 spływa w dół chłodnicy skrzynkowej 13 i następnie jest odprowadzane do wylotu.

W innym rozwiązaniu według wynalazku przedstawionym na fig. 3 urządzenie do ciągłego wytopu jest wyposażone w dwa stopnie chłodzenia. Podczas procesu odlewania roztopiony metal 1 jest pobierany z kadzi 2 (która może być ogrzewana) do matrycy 3 i zestala się na wylocie tej matrycy. Na pierwszym stopniu chłodzenia, podobnie jak w rozwiązaniu według fig. 2, rozdzielacz 6 rozprowadza na powierzchni wlewka 4 cienką powłokę chłodziwa 14. Drugi stopień chłodzenia jest oparty na rozwiązaniu przedstawionym na fig. 1 i jest wyposażony w rozdzielacz 6' i w połączoną z tym rozdzielaczem rurę 12 tworzącą ściankę wymiennika, która umożliwia uzyskanie większej prędkości odprowadzania ciepła, niż na pierwszym stopniu. Chłodziwo 8 jest oddzielane od wlewka 4 za pomocą urządzenia oczyszczającego 7. Cały zespół chodzący jest umieszczony w chłodnicy skrzynkowej 15.

Na fig. 4, 5 i 6 są przedstawione urządzenia do odlewania ciągłego w układzie poziomym, podobne do rozwiązań opisanych na fig. 1, 2 i 3.

Układ poziomego odciągania wlewka 4 jest dobrze znany ze stanu techniki i zaadoptowanie do tego układu rozwiązania według wynalazku jest bardzo proste. Podstawową różnicą między rozwiązaniem standardowym i rozwiązaniem według wynalazku jest gęstość ciekłego metalu, która jest znacznie większa niż gęstość wody stosowanej standardowo jako chłodziwo. Z tego powodu ciśnienie ciekło-metalicznego chłodziwa dostarczanego na górną powierzchnię wlewka 4 w urządzeniach według fig. 5 i 6 (pierwszy stopień chłodzenia) musi być inne niż ciśnienie chłodziwa dostarczanego na dolną powierzchnię tego wlewka.

Fig. 7 przedstawia w sposób schematyczny urządzenie do odlewania ciągłego według wynalazku. Ciekły metal do chłodzenia wlewka jest przechowywany w zbiorniku 16 ogrzewanym za pomocą grzałki 17. Po rozpoczęciu procesu odlewania chłodziwo za pomocą pompy 18 jest przetłaczane do chłodnicy 5, w której ogrzewa się od gorącego wlewka 4. Gorące chłodziwo 8 jest odprowadzane z chłodnicy 5 do wymiennika ciepła 19, w którym się schładza i następnie z powrotem do zbiornika 16. Ciepło oddane w wymienniku 19 może być wykorzystane na różny sposób, dzięki czemu uzyskuje się obniżenie kosztów zużycia energii. Zbiornik chłodziwa 16 oraz pozostałe części systemu chłodzenia powinny być chronione przed dostępem powietrza, zwłaszcza tlenu. W tym celu system chłodzenia napełnia się gazem obojętnym 20, który musi być dobrany tak, aby zachowywać swoje właściwości w temperaturze procesu odlewania, podczas kontaktu z materiałem chłodziwa i wlewka. Do wypełnienia zbiornika 16 i układu chłodzenia musi być zastosowany ten sam gaz. Schemat zawiera również urządzenie 25 do odciągania wlewka 4 oraz osadzoną przesuwnie piłę 26 do cięcia odcinków wlewka 4 na odpowiednią długość.

W celu zapewnienia wymaganych i powtarzalnych warunków pracy chłodnicy 5 urządzenie do ciągłego odlewania jest wyposażone w czujki temperatury (TIC) 21, 22, czujniki natężenia przepływu (FIC) 23 oraz czujki ciśnienia (PIC) 24 umieszczone przynajmniej na wlocie czynnika chłodzącego do chłodnicy 5. Celowe jest również instalowanie takich czujek w innych punktach pomiarowych urządzenia.

Zakres wynalazku nie ogranicza się do rozwiązań opisanych i przedstawionych na rysunku.

Jako chłodziwo 8 można stosować ciekły ołów, cynę, bizmut, gal, ind albo stopy tych metali lub inne metale lub stopy o temperaturze topnienia mniejszej niż 60% temperatury topnienia odlewanego metalu. Możliwe jest również stosowanie ciekłych niemetali, które nie wchodzą w reakcję z odlewem, zaś ich parametry odpowiadają wymaganiom, które musi spełnić chłodziwo. Przykładowo mogą być stosowane również związki organiczne, zwłaszcza do chłodzenia stopów o niskiej temperaturze topnienia.

Zbiornik chłodziwa 16 może być umieszczony na dowolnym poziomie, jednak ze względu na bezpieczeństwo procesu zalecane jest umieszczenie tego zbiornika poniżej matrycy 3.

Sposób i urządzenie według wynalazku mogą być stosowane do odlewania ciągłego w układzie poziomym i pionowym metali nieżelaznych (przykładowo aluminium, miedź, magnez, stopy tych metali) oraz stali.

PL 206 578 B1

Claims (16)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób ciągłego odlewania metalu, w którym do bezpośredniego chłodzenia wlewka stosuje się ciekły metal albo ciecz jonową, znamienny tym, że na powierzchnię wlewka (4) kieruje się bezpośrednio co najmniej jeden strumień (10) doprowadzanego pod ciśnieniem chłodziwa (8) o przepływie turbulentnym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodziwo (8) jest wykonane z ołowiu, cyny, bizmutu, galu, indu albo ze stopów tych metali.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że temperatura topnienia chłodziwa (8) mierzona w stopniach Celsjusza jest mniejsza albo równa 60% temperatury topnienia metalu wlewka (4).
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden strumień (10) chłodziwa (8) wypełnia komorę chłodziwa (11) umieszczoną między powierzchnią wlewka (4) i wewnętrzną powierzchnią rury (12), przez którą przechodzi ten wlewek podczas procesu odlewania.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że główny kierunek przepływu chłodziwa (8) jest równoległy do kierunku ruchu wlewka (4).
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień chłodziwa (10) jest utworzony w kształcie stożkowej ściany i że liczba Reynoldsa dla tego strumienia wynosi co najmniej 15000, zwłaszcza 25000.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień chłodziwa (10) składa się z wielu pojedynczych strumieni o przekroju okrągłym i że liczba Reynoldsa dla tych strumieni wynosi co najmniej 5000.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed punktem, w którym strumień chłodziwa (10) trafia w powierzchnię wlewka (4), dostarcza się tlen albo gaz zawierający tlen, zwłaszcza powietrze.
9. 9. Urządzenie do odlewania ciągłego wyposażone w zbiornik chłodziwa z grzałką, w pompę połączoną z tym zbiornikiem za pomocą przewodów rurowych, w chłodnicę do obniżania temperatury wlewka oraz w wymiennik ciepła umieszczony na przewodzie między chłodnicą i zbiornikiem chłodziwa, znamienne tym, że chłodnica (5) jest zaopatrzona w co najmniej jedną dyszę, przez którą chłodziwo (8) wypływa bezpośrednio na powierzchnię wlewka (4), zwłaszcza w pobliżu wylotu matrycy (3) i w kolektor (9, 13, 15) do odprowadzania ogrzanego chłodziwa (8).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że chłodnica (5) jest wyposażona w umieszczoną wokół wlewka (4) rurę (12), której wewnętrzna ścianka wraz z zewnętrzną powierzchnią wlewka (4) tworzy komorę (11) wypełnianą chłodziwem (8).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że jest wyposażone w co najmniej jeden rozdzielacz (6) umieszczony w pobliżu wylotu matrycy (3) w kierunku przesuwu wlewka (4) w ustalonej odległości od rury (12) i połączony z tą rurą i w co najmniej jeden rozdzielacz drugiego stopnia chłodnicy (6J osadzony na wlocie rury (12).
12. 12. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że jest wyposażone w urządzenie czyszczące (7) do usuwania chłodziwa (8) z powierzchni wlewka (4), zwłaszcza umieszczone za chłodnicą (5).
13. 13. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że matryca (3) jest matrycą izolowaną.
14. 14. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że dysza do podawania chłodziwa (8) jest wykonana w kształcie pierścieniowej szczeliny umieszczonej wokół wlewka (4).
15. 15. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że jest wyposażone w wiele dysz rozmieszczonych wzdłuż linii tworzącej pierścień wokół wlewka (4).
16. 16. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że między wylotem matrycy (3) i dyszami doprowadzającymi chłodziwo (8) do wlewka (4) jest umieszczony wlot doprowadzający tlen albo gaz zawierający tlen, zwłaszcza powietrze.