RU2100137C1 - Устройство для подачи расплава в установке непрерывной разливки алюминия - Google Patents

Abstract

Использование: металлургии, в частности устройства для непрерывной разливки алюминия. Сущность изобретения: устройство для подачи расплава в устройстве для непрерывной разливки алюминия содержит желоб, встроенное в желоб 1 питающее сопло, в которое вставлена заглушка 3 для регулировки подачи расплава 4, и систему регулирования положения заглушки в пределах заранее заданных границ. При этом заглушка 3 удерживается в зоне самого узкого поперечного сечения сопла постоянно на расстоянии от стенки сопла, а поперечное сечение сопла от входного отверстия сопла приблизительно до середины сопла непрерывно уменьшается, причем разность углов между боковой стенкой сопла кольцевого пространства D сопла и заглушкой составляет 1 - 3^o. На конце заглушки, расположенном рядом с входным отверстием сопла, выполнена закрывающая кромка, которая при полном погружении заглушки 3 закрывает входное отверстие от расплава. 4 з. п. ф-лы, 11 ил.

Description

Изобретение касается устройства для подачи расплава в установку для непрерывной разливки алюминия, состоящую из желоба, встроенного в желоб питающего сопла, в которое вставлена заглушка для регулировки подачи расплава, и при необходимости из системы регулирования, с помощью которой может регулироваться осадка заглушки в пределах заранее заданных границ.

Регулирование загрузки расплава с помощью сопла и заглушки известно из различных публикаций. Так, например, Немецким обществом металловедения был организован симпозиум под названием "Непрерывная разливка-плавление-литье-контроль", на котором давались пояснения по регулированию уровня литья по принципу вихревого потока. В текстах докладов (изданных в 1986 г.) на с. 331 можно найти рисунок, изображающий систему регулировки с использованием сопел и заглушек. Сопло крепится на дне желоба и выступает своим нижним концом в кристаллизатор.

Если при определенных предпосылках меняется скорость расплава алюминия в питающем сопле, то изменяется также и статическое давление. При очень высоких скоростях алюминиевого расплава при пониженных давлениях, возникающих на входе в сопло или на выходе из сопла, оксидные частицы или частицы грязи с металлической поверхности желоба или слитка затягиваются в расплав, что отрицательно влияет на качество полученного слитка.

Из книги Германна "Непрерывное литье" (1961, с. 375 376, рис. 1091) известна одновременная разливка нескольких прутков малого поперечного сечения с применением легко окисляющихся металлов, таких как алюминий, магний, цинк и их сплавы.

При этом фирма "Ферайнигте Алюминиум Верке АГ" изготовила распределительный желоб с выходными соплами, входящими в расплав металла ниже зеркала расплава.

Проходное сечение выходных сопел регулируется с помощью выступающих вверх игл клапана, отверстия которого в 1,4 2,3 раза больше, предпочтительно в 1,7 -1,9 раза больше, чем это необходимо для прохода требующегося количества металла при более благоприятной скорости.

Рабочая длина сопел составляет не более, чем трехкратное от диаметра, при этом может исключаться отложение окисных частиц в сопловом канале.

Сопло, показанное на рис.1091, предназначено для непрерывной разливки проводов из чистого алюминия с поперечным сечением, равным 10 000 мм при скорости разливки, равной 2,5 мм/с. Для этой скорости наименьший диаметр составляет 5 мм для обеспечения прохода подводимого количества металла. Тогда диаметр "а" предпочтительно равен 8,5 -9,5 мм, а высота "в" максимально 28,5 мм. При таких же размерах отливаемого изделия и при тех же соотношениях параметров разливки повышение температуры металла 740 750^oC приводит к уменьшению наименьшего диаметра "а" до 4,5 мм. В этом случае диаметр "а" отверстия сопла составляет 7,6 8,5 мм, а высота "в" не более 25,5 мм.

В связи с этим задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы выполнить устройство для подачи расплава в установках непрерывной разливки алюминия более оптимальной таким образом, чтобы при сохранении основного оборудования было сведено до минимума разрежение на входе в сопло и на выходе из сопла и чтобы были выдержаны оптимальные условия протекания расплава в питающем сопле. Способ эксплуатации устройства для заливки должен снижать образование вихревого потока в расплаве, чтобы как на поверхности расплава в желобе, так и на поверхности расплава в кокиле не происходило образование вихревых потоков.

Согласно изобретению задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения. При этом обнаружилось, что с помощью особой формы внутреннего контура сопла, а также посредством сохранения определенной глубины вхождения в образовавшуюся выше отстойника зону плавления можно предотвратить прихватывание оксидных частиц и других частиц грязи с поверхности металла. Далее необходимо обеспечить достаточный уровень металла в желобе. На первом этапе сводится до минимума разрежение, присутствующее в зоне выхода из сопла, а затем замеряется глубина проникновения, чтобы столбик металла, равный по меньшей мере 2 см, компенсировал остаточное разрежение.

Контур сопла согласно изобретению предусматривает, чтобы в середине питающего сопла имело место наименьшее поперечное сечение и чтобы максимальная скорость создавалась в середине сопла. Благодаря форме сопла можно избежать разрывов потока, которые могут уменьшить поперечное сечение протекающего потока. Таким образом, поток проходит через сопло равномерно по всему поперечному сечению, в результате чего можно установить оптимальный объемный поток.

В существующих расположениях желобов в системе подачи создаются различные условия обтекания, в зависимости от того, по какой стороне сопла сначала протекает поток расплава, входящего в желоб. При определенных предпосылках в существующих устройствах для заливки это приводит к неравномерному распределению потока жидкости у внутренней стенки сопла, вследствие чего в определенных местах поперечного сечения возникают очень большие скорости потока, а в других местах остаются места, не обтекаемые потоком. Эти состояния до сих пор мешали равномерности потока и отражались также на условиях заливки и слива из питающего сопла.

Подводя итог сказанному, можно сформулировать признаки изобретения следующим образом:
такое выполнение сопла, при котором на входе в сопло и на выходе из него возникает лишь незначительное разрежение;
выполнение сопла с такой конфигурацией, при которой поток будет проходить равномерно по всему поперечному сечению сопла и ни в одном месте поток не будет прерываться;
дросселирование потока в средней зоне сопла, благодаря чему уменьшается энергия потока, а на входном и выходном концах сопла практически не возникает завихрений;
предотвращение стеклование сопла и его закупоривание в зоне входа сопла с помощью уплотнения проходящим по периметру заглушки выступом, который в закрытом состоянии прилегает к краю входа в сопло;
через зазор между заглушкой и стенкой сопла, а также и в самой узкой части поперечного сечения сопла при закрывании заглушкой может стекать металл, скопившийся в промежуточном пространстве;
сокращение величины перемещения регулирующего органа за счет заострения заглушки с радиусом, равным 7 мм;
увеличение разницы углов на 2^o для сокращения величины перемещения регулирующего органа.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для подачи согласно изобретению; на фиг. 2 питающее сопло согласно изобретению с заглушкой в поперечном сечении; на фиг. 3 характеристика давления в устройстве для подачи согласно изобретению (модель с водой); на фиг. 4 и 5 система сопло/заглушка согласно уровню техники; на фиг. 6 и 7 характеристика давления в известном устройстве для заливки в водяной модели; на фиг. 8 схематичное изображение электронной системы регулирования уровня заливки; на фиг. 9 общий вид устройства для подачи согласно уровню техники; на фиг. 10 схематичное изображение механического регулирования уровня заливки; на фиг. 11 схематичное изображение процесса открывания питающего сопла согласно изобретению.

Согласно фиг. 1 устройство для подачи состоит из встроенного в желоб 1 питающего сопла 2 с заглушкой 3 для регулирования подачи расплава 4. Через литьевое сопло расплав поступает в кристаллизатор 5, в котором он формуется в слиток 6, который удерживается на подложке 7. С помощью опускания разливочного стола 8, которое происходит с помощью опускающего устройства 9, слиток 6 вытягивается вниз из кристаллизатора.

Формы сопел 2 и заглушек 3 видны из фиг. 2, при этом следует, что поперечные сечения X и Y на выходе в сопло и на выходе из него по отношению к прочным поперечным сечениям питающего сопла выбираются такими, чтобы там имели место малые скорости течения.

На фиг. 2 можно видеть, что заглушка 3 утоплена в сопло 2. Пространство, оставшееся между соплом 2 и заглушкой 3, следует рассматривать как кольцевой зазор C, рассчитываемый таким образом, что поток равномерно заполнял все поперечное сечение. Если смотреть со стороны X заливки, то кольцевой зазор C сужается, благодаря чему в текущем металле создается скоростной напор, противодействующий уменьшению статистического давления в расплаве.

В почти параллельной части кольцевого зазора C создается трение, необходимое для дросселирования. Кольцевой зазор C незначительно расширяется по направлению к заглушке 3, благодаря чему здесь поток лучше прилегает к заглушке. При уменьшении поперечного сечения за счет сужающегося сопла 2 поток равномерно распределяется по поперечному сечению.

Позади самого узкого места, приблизительно в середине сопла, поперечное сечение расширяется, так что поток снова притормаживается, не обрываясь. Чтобы избежать обрыва потока также и в зоне заглушки 2, она вытянута в области острия с радиусом равным, например, 11,5 мм.

Для проверки действительных условий протекания в сопле согласно изобретению была создана водяная модель состояния, получающегося при изготовлении слитка. В этой водяной модели можно было смоделировать условия в желобе, в сопле и в слитке при различных системах сопло-заглушка. С помощью этой водяной модели были исследованы характеристики изменения давления в устройстве для заливки оптимального типа. Результат представлен на фиг. 3.

При этом можно видеть, что на входе в сопло (длина сопла 0) имеется положительное или небольшое отрицательное давление. В середине сопла за счет высоких скоростей потока достигается очень высокая степень разрежения. В самом узком месте поперечного сечения замеры показывают наличие высокого разрежения, что свидетельствует о том, что поток не разрывается, а прилегает к стенкам. После этого в течение самого короткого отрезка времени происходит снятие очень высоких разрежений, так что на выходе из сопла при длине сопла приблизительно 17 см остается лишь очень незначительное разрежение.

Соотношения давлений едва ли изменяются также за счет увеличенной разницы уровней в примере 26 и 34 см. Расположенные близко друг к другу кривые для различных уровней показывают, что состояния потока являются очень стабильными, и даже при высоких степенях разрежения поток в сопле не разрывается.

Отсюда следует, что имеющее в распоряжении поперечное сечение омывается потоком относительно равномерно, причем не возникает никаких пиков скорости.

На фиг. 6 и 7 представлены примеры характеристик изменения давления в известных устройствах для заливки. В устройстве для заливки, закрывающемся по направлению вниз, согласно фиг. 4 разрежение в зоне выхода из сопла не может быть устранено, поскольку имеющееся в распоряжении поперечное сечение на выходе из сопла очень сильно уменьшается вследствие разрывания потока под заглушкой. Таким образом, возникают высокие степени разрежения на выходе из сопла, которые не могут быть компенсированы за счет глубины погружения сопла (фиг. 6).

На фиг. 5 представлено известное устройство для заливки закрывающаяся по направлению вверх. Здесь разрежение сильно возрастает с увеличением разницы уровней (фиг. 7). В результате столбик металла, стоящий в желобе над входом в сопло, и связанное с этим статическое давление становятся недостаточными для того, чтобы компенсировать понижение давления, возникающее в зоне входа в сопло. Далее под заглушкой происходит разрыв потока, который уменьшает имеющееся в распоряжении поперечное сечение. При большей разнице уровней этот разрыв потока может оказывать влияние вплоть до зоны выхода из сопла, так что там возникает увеличение разрежения, имеющее названные выше отрицательные последствия.

Характеристики изменения давления, которые используются для приведенных выше заключений, зависят от соответствующего положения пунктов замера. Изображения, приведенные на фиг. 5,а и б, следует рассматривать в качестве двухмерных изображений, поэтому они ничего не говорят о равномерности потока по периметру питающего сопла. Однако, как было представлено выше, в известных устройствах для заливки возникает неравномерность распределения потока по периметру питающего сопла, в результате чего возникают пиковые значения скорости, которые опять же повышают разрежение.

Кроме того, на практике очень часто установленные с перекосом или же изогнутые заглушки могут оказывать дополнительное влияние, выражающееся в увеличении неоднородности. В известных устройствах очень часто случается, что потоком омывается только половина периметра сопла. Таким образом, возникают также проблемы при регулировании объемного потока, которое, в частности, отрицательно сказываются на автоматической регулировке уровня.

При осуществлении изменения поперечных сечений согласно изобретению можно гораздо более точно дозировать объемный поток и предотвращать возникновение его неоднородности. На стеклянной модели было продемонстрировано, что оптимальное сопло может относительно равномерно омываться потоком по всему периметру.

В противоположность этому известное устройство для подачи проявляет склонность к образованию завихрений. Это представлено на фиг.9 и ниже поясняется более подробно. Расплав 4 поступает в направлении стрелки по желобу 1 к питающему соплу 2. Из-за возникающей разницы низких давлений в зоне входа в сопло и выхода из него на поверхности расплава под давлением воздуха образуются лунки, в результате чего может разорваться оксидный слой, а частички окислов и грязи могут засосаться в расплав. Не поддающиеся деформации загрязнения внедряются в застывающий фронт. При последующем проведении процесса прокатки они попадают на поверхность и приводят к разрыву прокатанной полосы или к повреждению валков.

На фиг. 10 представлено механическое регулирование разливки в кристаллизаторе алюминиевых слитков. С помощью поплавка 14, который позиционируется на поверхности металла слитка, заглушка 3 за счет механического отводящего приспособления 15 перемещается вверх или вниз с помощью нажимной штанги 16. Термин "поплавок" при этом относится к элементу из огнеупорного материала, который плавает на поверхности металла и, используя рычаг, дает сигнал об уровне металла. В данном случае таким способом увеличивается или уменьшается кольцевой зазор между соплом и заглушкой, в зависимости от того, в каком направлении отклоняется уровень расплава от заданного значения. Подаваемое количество расплава металла, таким образом, регулируется с помощью различной высоты заглушки.

Другие способы заключаются в определении с помощью лазера уровня поверхности металла в кристаллизаторе. Создаваемый сигнал обрабатывается в данном случае с помощью электронных систем и преобразуется в регулирующее воздействие на заглушку 3 (фиг. 8).

Уровень металла в кристаллизаторе 5 может колебаться по разным причинам. Например, наклон плавильной печи происходит прерывисто, что вызывает образование волн в желобе 1. Уровень металла в желобе регулируется обычно также с помощью поплавка, так что в нормальном случае две системы регулирования соединены друг с другом. Это приводит к динамичному процессу регулировки, который во время фазы разливки требует постоянной корректировки соответствующей высоты положения заглушки.

Колебания уровня металла изменяют термические условия, что приводит к неблагоприятному формированию поверхности слитка. Толщина поверхностного слоя, который перед прокаткой должен быть полностью снят фрезерованием, увеличивается.

На фиг. 11 с помощью пяти положений изображены процессы, происходящие при открывании заглушки. На фиг. 11.1 заглушка 3 в сопле 2 показана в закрытом положении. Закрывающая кромка 21 заглушки 3 закрывает отверстие 22 сопла.

На фиг. 11.2 закрывающая кромка 21 изображена на расстоянии от входного отверстия 22 сопла на величину, равную приблизительно 2 3 мм. В результате этого расплав поступает в сопло 2 и течет вдоль заглушки 3 до самого узкого места, расположенного где-то в середине сопла. Расплав выходит через нижний конец сопла в виде тонкой струи 23.

Также как на фиг. 11.2 и 11.1 можно видеть зазор между самым узким поперечным сечением сопла 2 и заглушкой 3. Это означает, что также и в закрытом состоянии сопла из него может вытекать еще какое-то оставшееся количество металла. Это, в частности, важно, когда процесс идет прерывисто (толчкообразно), как, например, в случае литейного конвейера карусельного типа, где загрузка расплава металла происходит по участкам.

На фиг. 11.3 11.5 зазор между заглушкой 3 и соплом 2 плавно увеличивается. В такой степени увеличивается количество вытекающего материала.

При движении заглушки 3 в обратном направлении, а именно при закрывании сопла, количество вытекающего металла плавно уменьшается. При закрытой заглушке жидкий металл может все еще оставаться в зазоре между соплом и заглушкой в верхней зоне между входным отверстием сопла и самым небольшим поперечным сечением сопла. Так как количество металла очень мало зависит от узкого зазора, то имеется опасность, что металл застынет, в результате чего заглушка не сможет более двигаться.

Для предотвращения возникновения этого явления в изобретении предусмотрено, что сопло имеет герметизирующее уплотнение уже в зоне входного отверстия. Для этого служит проходящий по всему периметру заглушки выступ 21, который в закрытом состоянии прилегает к краю 22 входного отверстия сопла.

Так как даже и при закрытом питающем сопле всегда имеется зазор между заглушкой и соплом, то при закрывании заглушки может вытекать металл, все еще остающийся в промежуточном пространстве.

Claims (5)

1. Устройство для подачи расплава в установке непрерывной разливки алюминия, содержащее желоб с питающим соплом, в которое вставлена заглушка для регулировки подачи расплава и система регулирования положения заглушки в пределах заданных границ, при этом питающее сопло выполнено с уменьшением поперечного сечения по направлению к выходному отверстию, а заглушка имеет заостренный конец и установлена в зоне минимального поперечного сечения сопла на постоянном расстоянии от его стенки, отличающееся тем, что питающее сопло выполнено с уменьшением поперечного сечения до зоны средней части сопла, а разность углов между боковой внутренней стенкой сопла и заглушкой составляет 1 3^o, при этом заглушка со стороны входного отверстия сопла имеет выступ, выполненный с возможностью перекрытия входного отверстия сопла при полном погружении заглушки в сопло.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между минимальным поперечным сечением сопла и входным и выходным отверстиями составляет по меньшей мере 7 см.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в зоне входного отверстия сопла пространство между соплом и заглушкой сужено в направлении от верхнего торца сопла на участке длиной в пределах 10 см.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сужение выполнено на участке длиной 1 10 см.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевое пространство между соплом и заглушкой выше минимального поперечного сечения сопла сужено, а ниже расширено, при этом заостренный конец заглушки закруглен с радиусом предпочтительно 5 10 мм, а минимальное расстояние между заостренным концом заглушки и выходным отверстием сопла в рабочем положении составляет 1,0 1,5 диаметра ее заостренного конца.

Images