RU2060860C1

RU2060860C1 - Installation for precrystallization preparation of metal for shaping process and method of controlling that installation

Info

Publication number: RU2060860C1
Authority: RU
Inventors: Лев Антонович Синицын; Юрий Леонидович Лесин; Владимир Тимофеевич Кутепов
Original assignee: Лев Антонович Синицын; Юрий Леонидович Лесин; Владимир Тимофеевич Кутепов
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: methods and apparatus for continuous metal casting, that may be used in casting production, ferrous metallurgy and so on. SUBSTANCE: method of controlling an installation for precrystallization preparation of metal comprises steps of contnuously ajitating and cooling melt metal; regulating heat removal flux values up to a predetermined value; measuring desirable parameters of the process and feeding the measured values to a computing device, then with use of control signals controlling parameters of the process. The process may be carried out in a medium of reduction-shield gases. Installation includes a housing with a tray and means for ajitating, heat and a control unit. The means for ajitation are in the form of stirrers, connected by a special way. Shafts of the stirrers are mounted in rotation bearing assemblies and joined with drive mechanisms. A lower bearing assembly is in the form of gaseous bearing. The installation also has a muffle heater, an axial effort pickup, an electric motor and a tachogenerator, a torque pickup, all above mentioned members are joined with the control unit, including a computing device, connected with actuating mechanisms. The heat regulation system includes a changeable heater and a changeable cooler. EFFECT: enlarged using range of the installation. 3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологическим способам и устройствам для непрерывной разливки расплавленных металлов и может быть использовано в литейном производстве, в металлургии. The invention relates to technological methods and devices for continuous casting of molten metals and can be used in foundry, in metallurgy.

Известен ротационный прибор для измерения вязкой жидкости, содержащий электродвигатель, измерительный прибор, преобразователь сигналов, вычислительный блок и регистрирующее устройство. Суть реализуемого способа измерения вязкости состоит в измерении момента сопротивления вращению ротора в зависимости от величины вязкости. С помощью других элементов, содержащихся в измерительной цепочке прибора, сигнал вращающего момента улавливается, преобразуется и подается на регистрирующее устройство. Known rotary device for measuring a viscous fluid, containing an electric motor, a measuring device, a signal converter, a computing unit and a recording device. The essence of the implemented method of measuring viscosity is to measure the moment of resistance to rotation of the rotor, depending on the magnitude of the viscosity. Using the other elements contained in the measuring chain of the device, the torque signal is captured, converted and fed to the recording device.

Известен способ слежения за изменением нагрузки на валу шнекового экструдера для предотвращения поломок от попадания посторонних предметов в рабочий объем мешалки резиновых смесей. Устройство содержит шнековую мешалку, привод с измерителем крутящего момента на валу шнека, тахогенератор, датчики давления в цилиндре, вычислительное устройство. Способ заключается в измерении параметра, пропорционального вязкости смеси в цилиндре, скорости вращения шнека, вращающего момента на валу шнека, непрерывного сравнения текущих параметров с контрольными параметрами в памяти вычислительного устройства. A known method of tracking changes in the load on the shaft of the screw extruder to prevent breakage from the ingress of foreign objects into the working volume of the rubber mixer. The device comprises a screw mixer, a drive with a torque meter on the screw shaft, a tachogenerator, pressure sensors in the cylinder, and a computing device. The method consists in measuring a parameter proportional to the viscosity of the mixture in the cylinder, the speed of rotation of the screw, the torque on the shaft of the screw, continuous comparison of the current parameters with the control parameters in the memory of the computing device.

Известен способ непрерывной разливки, в котором перегретый металл через погружной стакан разливают в водоохлаждаемую гильзу [1] При этом часть расплава образует твердую корку на стенке гильзы. Последующий рост кристаллов в объеме расплава предотвращают за счет образования перемешивающего потока. Охлажденный расплав металла, содержащий зародыши кристаллов, разливают в кристаллизатор. Способ позволяет получать непрерывную литую заготовку с мелкозернистой структурой. Устройство, реализующее этот способ, содержит охлаждающий цилиндр, водяную рубашку с трубами водоснабжения, электрообогреваемый поддон, разливочный ковш с погружной питающей трубой, электрообогреваемые дюзы на входе и выходе металла, литейную форму. A known method of continuous casting, in which superheated metal is poured through an immersion cup into a water-cooled sleeve [1] In this case, part of the melt forms a solid crust on the wall of the sleeve. Subsequent crystal growth in the melt volume is prevented by the formation of a mixing stream. The cooled metal melt containing the crystal nuclei is poured into the mold. The method allows to obtain a continuous cast billet with a fine-grained structure. A device that implements this method includes a cooling cylinder, a water jacket with water pipes, an electric heated sump, a casting ladle with a submersible feed pipe, electric heated nozzles at the inlet and outlet of the metal, a casting mold.

В предлагаемой установке, в которой средство для перемешивания выполнено в виде мешалки из двух шнеков с соосными валами по вертикальной оси установки, верхние концы валов закреплены в опорах вращения и соединены с приводами, нижняя опора вала верхнего шнека выполнена в виде газового подшипника, между ним и верхним шнеком на валу установлен муфельный нагреватель, а на верхнем конце вала нижнего шнека датчик осевого усилия, каждый из приводов шнеков снабжен электродвигателем с тахогенератором и датчиком крутящего момента, причем датчики моментов, осевого усилия и тахогенераторы соединены с устройством управления, состоящим из вычислительного устройства, в качестве теплорегуляторов использованы сменные нагреватель и холодильник, установленные на корпусе, выходы вычислительного устройства соединены с электродвигателями приводов шнеков, средствами управления нагревателем, холодильником. In the proposed installation, in which the means for mixing is made in the form of a mixer of two screws with coaxial shafts along the vertical axis of the installation, the upper ends of the shafts are fixed in the bearings and connected to the drives, the lower shaft support of the upper screw is made in the form of a gas bearing, between it and a muffle heater is mounted on the shaft by the upper auger, and an axial force sensor is installed on the upper end of the shaft of the lower auger, each of the auger drives is equipped with an electric motor with a tachogenerator and a torque sensor, with sensors moments, axial force and tachogenerators are connected to a control device consisting of a computing device, replaceable heater and refrigerator installed on the housing are used as heat regulators, the outputs of the computing device are connected to electric motors of screw drives, heater controls, and a refrigerator.

В известном способе регулируют величину потоков теплоотвода от расплавленного металла в зависимости от усилия на нижней шнековой мешалке, моментов на валах шнеков и скорости вращения мешалок. In the known method, the magnitude of the heat flux from the molten metal is regulated depending on the force on the lower screw mixer, the moments on the shafts of the screws and the speed of rotation of the mixers.

На чертеже представлена установка для предкристаллизационной подготовки металла. Центральной частью установки является предкристаллизатор, состоящий из корпуса 1, шнековых мешалок 2 и 3, теплорегулирующего устройства в двух сменных комплектах комплекта нагревателей 4 и комплекта холодильника 5. В исходном состоянии установки нижнюю горловину корпуса 1 плотно закрывает поддон 6, снабженный собственными нагревателем и холодильником. Валы верхней шнековой мешалки 2 и нижней шнековой мешалки 3 совмещены коаксиально и в верхней части подвешены в опорах 7 и 8 вращения. В качестве нижней опоры верхнего шнека использован газовый подшипник 9. Между газовым подшипником 9 и верхним шнеком 2 на валу размещен муфельный нагреватель 10. Верхние концы валов обеих мешалок соединены с приводами, включающими электродвигатели 11, тахогенераторы 12, числовые электрические датчики 13 крутящего момента. Верхний торец вала нижней мешалки 3 соединен с числовым электрическим датчиком 14 осевого усилия. Все датчики тахогенераторы, датчики моментов и осевого усилия соединены с вычислительным устройством 15. Вычислительное устройство 15 соединено с блоком 16 исполнительных механизмов и может включать и регулировать различные устройства (средства управления нагревателями, холодильниками, механизмами приводов мешалок, механизмами движения слитка). Шнеки мешалок 2 и 3 выполнены в виде двухходовых винтовых поверхностей для исключения радиальной составляющей в реакциях опор. Для подпитки предкристаллизатора жидким металлом установка снабжена питателем 17. С целью предотвращения металла от окисления регулируемый объем может быть защищен средой защитно-восстановительных газов. The drawing shows the installation for precrystallization preparation of metal. The central part of the installation is a precrystallizer, consisting of a housing 1, screw mixers 2 and 3, a heat control device in two replaceable sets of a set of heaters 4 and a set of a refrigerator 5. In the initial state of the installation, the lower neck of the housing 1 is tightly closed by a tray 6 equipped with its own heater and a refrigerator. The shafts of the upper screw mixer 2 and the lower screw mixer 3 are aligned coaxially and are suspended in the upper supports 7 and 8 of rotation. A gas bearing 9 was used as the lower support of the upper screw. A muffle heater 10 is located on the shaft between the gas bearing 9 and the upper screw 2. The upper ends of the shafts of both mixers are connected to drives including electric motors 11, tachogenerators 12, and numerical electric torque sensors 13. The upper end of the shaft of the lower mixer 3 is connected to a numerical electric sensor 14 of the axial force. All tachometer sensors, moment and axial force sensors are connected to the computing device 15. The computing device 15 is connected to the actuator block 16 and can turn on and regulate various devices (controls for heaters, refrigerators, mixer drive mechanisms, ingot movement mechanisms). The screws of the mixers 2 and 3 are made in the form of two-way screw surfaces to exclude the radial component in the reactions of the supports. To feed the pre-crystallizer with liquid metal, the unit is equipped with a feeder 17. In order to prevent the metal from oxidizing, the controlled volume can be protected by a protective-reducing gas medium.

Состояние предкристаллизации это такое состояние жидкого металла, когда элементы структуры жидкости начали объединяться, а теплота кристаллизации уже частично удалена. Растущие в числе атомов и в объеме элементы структуры жидкого металла увеличивают температуру своих тел и снижают подвижность в газоподобном движении, энтропия системы уменьшается. Жидкий металл представлен как псевдогаз, состоящий из довольно крупных микрокристалликов ассоциатов, находящихся в газоподобном тепловом движении, а твердые частицы, этот псевдогаз составляющие, имеют одинаковые размеры (до 1. Е-6 см) и собственные термодинамические параметры. The state of precrystallization is such a state of liquid metal when the elements of the liquid structure began to unite, and the heat of crystallization has already been partially removed. The structural elements of the liquid metal growing in the number of atoms and in volume increase the temperature of their bodies and decrease their mobility in gas-like motion, and the entropy of the system decreases. Liquid metal is presented as pseudogas, consisting of rather large microcrystals of associates in gas-like thermal motion, and solid particles, this pseudogas constituents, have the same size (up to 1. E-6 cm) and their own thermodynamic parameters.

Режим предкристаллизации (перемешивание при Т_пл) обеспечивает оптимальные условия теплообмена между твердой фазой и псевдогазом. Так как теплоемкость псевдогаза является внешней по отношению к теплоемкости твердой фазы (теплоемкости тел ассоциатов), то теплоотвод от массы тел ассоциатов реализуется опосредованно через псевдогаз, т.е. через газовую кинетику частиц жидкости. Вследствие этих обстоятельств затвердевание из состояния предкристаллизации происходит в две одновременные стадии: непрерывно соединяются и укрупняются исходные ассоциаты в крупные кластеры (до 0,1 мкм), отдавая при этом 98-99% теплоты кристаллизации. Слиток формируется не из частиц исходной жидкости, а из крупных кластеров, которые сохраняют не более 2% тепловой кристаллизации.The precrystallization mode (mixing at T _PL ) provides optimal heat transfer conditions between the solid phase and pseudogas. Since the heat capacity of the pseudogas is external with respect to the heat capacity of the solid phase (heat capacity of the bodies of associates), heat transfer from the mass of bodies of associates is realized indirectly through pseudogas, i.e. through the gas kinetics of fluid particles. As a result of these circumstances, solidification from the state of precrystallization occurs in two simultaneous stages: the initial associates are continuously combined and enlarged into large clusters (up to 0.1 μm), giving up 98-99% of the heat of crystallization. The ingot is formed not from particles of the initial liquid, but from large clusters that retain no more than 2% of thermal crystallization.

Технологической основой предкристаллизационной подготовки металла является непрерывное перемешивание всего объема жидкого металла, которое выполняет ряд влажных функций: разупорядочивает потоки теплоотвода и встречные потоки растущих элементов структуры жидкого металла, предотвращая образование макроградиентов температуры и упорядоченного фронта кристаллизации; распределяет равномерно в пространстве объема более крупные элементы структуры жидкого металла; непрерывно и равномерно вовлекает новые порции перегретого жидкого металла в процесс предкристаллизации, усредняя структурный состав и распределение свободной энергии; равномерно распределяет и измельчает частицы вредных примесей, содержащихся в жидком металле, предотвращает образование характерных для литья неоднородностей структуры и состава, уменьшает содержание растворенных газов; поддерживает заданную величину динамической вязкости металла; измерением осевой силы нижнего шнека контролирует процесс заполнения формообразующего пространства. The technological basis for the pre-crystallization preparation of metal is continuous mixing of the entire volume of liquid metal, which performs a number of wet functions: it disorders heat sinks and counter flows of growing elements of the liquid metal structure, preventing the formation of temperature macro gradients and an ordered crystallization front; evenly distributes larger elements of the liquid metal structure evenly in the space of the volume; continuously and uniformly involves new portions of superheated liquid metal in the pre-crystallization process, averaging the structural composition and distribution of free energy; evenly distributes and grinds particles of harmful impurities contained in the liquid metal, prevents the formation of structural and compositional inhomogeneities characteristic of casting, reduces the content of dissolved gases; supports a given value of the dynamic viscosity of the metal; by measuring the axial force of the lower screw controls the process of filling the forming space.

П р и м е р. В исходном состоянии на предкристаллизаторе установлен комплект нагревателей 4, нижняя горловина корпуса 1 плотно закрыта поддоном 6. Проверяется готовность механизмов установки прогоном на холостом ходу и опробуются нагреватели 4 и холодильники 5, теплотехническое оснащение поддона 6. Все детали установки, соприкасающиеся с расплавленным металлом, предварительно нагреваются, в том числе и с помощью муфельного нагревателя, в соответствии с инструкцией, до температуры плавления металла (Т_пл меди равна 1083^оС).PRI me R. In the initial state, a set of heaters 4 is installed on the pre-crystallizer, the lower neck of the housing 1 is tightly closed by the pallet 6. The readiness of the installation mechanisms is checked by running idle and the heaters 4 and refrigerators 5, the heating equipment of the pallet are tested 6. All installation details in contact with molten metal are preliminarily heated, including using a muffle heater, in accordance with the instructions, to the melting temperature of the metal (T _pl copper is equal to 1083 ^about C).

Включается привод мешалок с одинаковой скоростью, например 25 об/мин. Заливаемая жидкая медь имеет перегрев 35^оС, т.е. Т 1118^оС. Струя жидкого металла из питателя направлена вдоль стенки корпуса 1 и края вращающейся мешалки. Заливка продолжается до уровня отметки или иным способом фиксированного уровня. Организуется теплоотвод от контрольного объема металла через поддон и в радиальном направлении через стенку корпуса 1. Непрерывно измеряют моменты на валах мешалок. После чего включается система автоматического управления подачей слитка.The agitator drive starts at the same speed, for example 25 rpm. The liquid copper to be poured has an overheat of 35 ^° C, i.e. T 1118 ^about C. The stream of liquid metal from the feeder is directed along the wall of the housing 1 and the edge of the rotating mixer. Filling continues to the level of the mark or in another way to a fixed level. A heat sink is organized from the control volume of the metal through the pallet and in the radial direction through the wall of the housing 1. The moments on the shafts of the mixers are continuously measured. After that, the automatic ingot feed control system is turned on.

Увеличение вязкости металла сопровождается уменьшением скорости вращения мешалок, что фиксируется тахогенератором. Изменение сигнала тахогенератора отрабатывает устройство управления и система регулирования скорости. Сигналы со всех датчиков попадают на вычислительное устройство, где происходит анализ конкретной ситуации и вырабатываются команды управления процессом. Циклы измерения и вычисления повторяются каждые 3 с, а в промежутках между моментами подачи серии команд отрабатываются предыдущие серии (пакеты) команд. Одинаковые команды выполняются до тех пор, пока не будет отработано отклонение от заданного режима. An increase in the viscosity of the metal is accompanied by a decrease in the speed of rotation of the mixers, which is recorded by the tachogenerator. The tachogenerator signal is processed by the control device and the speed control system. Signals from all sensors get to the computing device, where a specific situation is analyzed and process control commands are generated. Measurement and calculation cycles are repeated every 3 s, and in the intervals between the moments when a series of commands was submitted, the previous series (packets) of commands are worked out. The same commands are executed until a deviation from the specified mode is worked out.

Предлагаемый способ реализуют в среде водорода, который подают, применяя известные технические средства. В результате получен слиток, лишенный всех литейных дефектов и имеющий мелкозернистую структуру и однородный состав. The proposed method is implemented in a hydrogen medium, which is supplied using known technical means. The result is an ingot devoid of all casting defects and having a fine-grained structure and a uniform composition.

В таблице представлены вычислительные значения вязкости жидкой меди температуры тел кластеров, остаточной теплоты кристаллизации и момента на валу конкретной мешалки в зависимости от среднего размера кластера. Таблица показывает пределы минимального и максимального нагружений валов шнеков. Нижним пределом регулирования вязкости является порог чувствительности измерителя момента на валу мешалки М_мин 1,236 Н· м (16% остаточной теплоты кристаллизации). Верхний предел регулирования вязкости ограничен пределом нагружения нижнего шнека и его привода М_мах 800,5 Н· м (1,82% остаточной теплоты кристаллизации). Оптимальные режимы регулирования процесса предкристаллизации могут быть определены по степени готовности металла к формообразованию слитка: вязкость в пределах 642,7-7284 пуаз и 6,25-2,29% остаточной теплоты кристаллизации. Из таблицы видно, что процесс идет почти на грани затвердевания.The table shows the calculated values of the viscosity of liquid copper, the temperature of the bodies of the clusters, the residual heat of crystallization, and the moment on the shaft of a particular mixer, depending on the average cluster size. The table shows the limits of the minimum and maximum loads of the shafts of the screws. The lower limit of viscosity control is the sensitivity threshold of the moment meter on the mixer shaft M _min 1,236 N · m (16% of the residual heat of crystallization). The upper limit of viscosity control is limited by the loading limit of the lower screw and its drive M _max 800.5 N · m (1.82% of residual heat of crystallization). The optimal modes of regulation of the precrystallization process can be determined by the degree of readiness of the metal for the formation of the ingot: viscosity in the range of 642.7-7284 poise and 6.25-2.29% of the residual heat of crystallization. The table shows that the process is almost on the verge of solidification.

На предлагаемой установке возможно получение слитка из любого металла, даже хрупкого, температура плавления которого не превышает эксплуатационной температуры ее деталей. Процесс идет из такого исходного состояния металла, которое характеризуется высокой степенью готовности к формообразованию: низкое содержание остаточной теплоты кристаллизации, отсутствие жидкотекучести, наличие избыточного давления в зоне формообразования слитка. Равномерное распределение вредных примесей и легкоплавких компонентов ограничивает возможность появления структурных дефектов. Отсутствие жидкой фазы исключает возможность появления таких дефектов, как столбчатые кристаллы, ликвации, неравномерности структуры и состава, осевая и усадочная пористости. Благодаря перечисленным обстоятельствам предлагаемые установка и способ позволяют получать слитки сложного профиля заготовки труб, фасонного проката, обеспечивает образование бездефектных слитков без признаков наследственных дефектов и дефектов литейного происхождения. At the proposed installation, it is possible to obtain an ingot from any metal, even brittle, whose melting temperature does not exceed the operating temperature of its parts. The process proceeds from such an initial state of the metal, which is characterized by a high degree of readiness for shaping: low content of residual heat of crystallization, lack of fluidity, the presence of excess pressure in the zone of forming of the ingot. The uniform distribution of harmful impurities and low-melting components limits the possibility of structural defects. The absence of a liquid phase eliminates the possibility of defects such as columnar crystals, segregations, uneven structure and composition, axial and shrinkage porosity. Due to the above circumstances, the proposed installation and method allows to obtain ingots of a complex profile of pipe blanks, shaped sections, provides the formation of defect-free ingots without signs of hereditary defects and defects of foundry origin.

Claims

1. Installation for pre-crystallization preparation of metal for the continuous shaping process, comprising a housing with a pallet, means for mixing, heat regulators and a control device, characterized in that the means for mixing is made in the form of mixers of two screws with coaxial shafts along the vertical axis of the installation, upper ends shafts are fixed in rotation bearings and connected to the drives, the lower shaft support of the upper screw is made in the form of a gas bearing, a muffle is installed between it and the upper screw on the shaft a heater, and at the upper end of the shaft of the lower auger an axial force sensor, each of the screw drives is equipped with an electric motor with a tachogenerator and a torque sensor, and the torque sensors, axial forces and tachogenerators are connected to a control device consisting of a computing device, replaceable heater is used as heat regulators and a refrigerator mounted on the housing, the outputs of the computing device are connected to the electric motors of the screw drives, heater controls, chilled nickname.

2. The control method of the installation for precrystallization preparation of metal for the shaping process, including the supply of molten metal, its rotational mixing and cooling, characterized in that they regulate the amount of heat removal from the molten metal depending on the force on the lower screw mixer, the moments on the shafts of the screws and speed rotation of the mixers.

3. The method according to claim 2, characterized in that the process is conducted in a protective gas environment.