RU2177859C2

RU2177859C2 - Method of casting hollow metal articles

Info

Publication number: RU2177859C2
Application number: RU99119717A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Смирнов; К.В. Казак; А.А. Дерябин; С.И. Диденко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уральский институт металлов"
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: casting of hollow articles designed for manufacture of cooled metal structures of metallurgical units. SUBSTANCE: to form internal channels of article, for instance, coolers, hollow members with frozen-on lining slag on their external surface are installed in mold. Hollow members and lining are made of material used for article casting. Metal is poured into mold, cooled and ready casting is withdrawn from mold. EFFECT: excluded nonuniform structure of transition zone to increase quality of article due to using the same material in making of hollow members. 5 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии металлов и может быть использовано для производства металлических изделий, используемых для охлаждения металлургических агрегатов, например холодильников доменных печей, кессонов для футеровки печи типа Ванюкова, стенок кристаллизаторов непрерывной разливки стали и т. п. The invention relates to the field of metallurgy of metals and can be used to produce metal products used for cooling metallurgical units, for example, blast furnace refrigerators, caissons for lining a Vanyukov type furnace, walls of continuous casting molds, etc.

Известные устройства указанного назначения [1,2] , в которых полые каналы образуют механической обработкой - прострагиванием, сверлением или пайкой, а охлаждающие элементы отдельных секций собираются, как правило, из нескольких половинчатых частей или изготавливаются путем отливки в специально подготовленные формы [3] , для чего требуются специальные формовочные материалы, дополнительные затраты. Known devices of this purpose [1,2], in which hollow channels are formed by machining - cutting, drilling or soldering, and the cooling elements of individual sections are collected, as a rule, from several half parts or are made by casting in specially prepared molds [3], why special molding materials are required, additional costs.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки армирующих вставок [4] , включающий нанесение на поверхность вставки слоя стали, а слой стали наносят путем окунания вставок в расплав стали с температурой выше ее температуры плавления на 15-60^oС по меньшей мере два раза и каждый раз выдерживают ее в течение 3-15 сек.The closest in technical essence and the achieved result is a method of preparing reinforcing inserts [4], including applying a layer of steel to the surface of the insert, and the steel layer is applied by dipping the inserts into the molten steel with a temperature of at least 15-60 ^o With at least 15-60 ^o With twice and each time withstand it for 3-15 seconds.

Недостатком известного способа является то, что при его реализации возникают проблемы при изготовлении отливок с использованием различного материала полых вставок и самого изделия. Различие в свойствах материалов приводит к неоднородному строению переходной зоны, зазорам, понижению теплопроводности в зоне контакта материалов. Для устранения недостатков необходимо применять специальные мероприятия: наносить на полый элемент специальный очищающий флюс, производить ее окунание первоначально в нераскисленный металл, а перед последним окунанием раскислять металлический расплав кремнием и алюминием, использовать дополнительную защитную трубу и т. д. The disadvantage of this method is that when it is implemented, problems arise in the manufacture of castings using various material of hollow inserts and the product itself. The difference in the properties of materials leads to an inhomogeneous structure of the transition zone, gaps, and a decrease in thermal conductivity in the contact zone of materials. To eliminate the shortcomings, it is necessary to apply special measures: apply a special cleaning flux to the hollow element, dip it initially in undescribed metal, and deoxidize the metal melt with silicon and aluminum before the last dipping, use an additional protective pipe, etc.

Для устранения отмеченных недостатков в предлагаемом способе, включающем подготовку формы, сборку формы с установкой в нее полых элементов с намороженным гарнисажным слоем, заливку металла, охлаждение отливки и ее извлечение из формы, полые элементы и намороженный на них гарнисажный слой выполняют из того же материала, что и отливаемое изделие. To eliminate the noted drawbacks in the proposed method, including preparing the mold, assembling the mold with installing hollow elements with a frozen skull layer, pouring metal, cooling the casting and removing it from the mold, hollow elements and the skull layer frozen in them are made of the same material, as the molded product.

Согласно предлагаемому изобретению сборку формы осуществляют с использованием заранее заданного профиля, размера и конструктивного исполнения, связанного с назначением и условиями эксплуатации готового изделия. Перед установкой и фиксацией полых элементов в форме на их внешнюю поверхность намораживают гарнисажный слой из металла изделия. Намораживание гарнисажного слоя проводят путем нескольких окунаний полых элементов в жидкий расплав материала изделия. Погружение полых элементов в жидкий расплав может проводиться в ванну печного агрегата, промежуточную емкость или частично заполненный кокиль. According to the invention, the form is assembled using a predetermined profile, size and design related to the purpose and operating conditions of the finished product. Before installing and fixing the hollow elements in the mold, a skull layer from the metal of the product is frozen on their outer surface. The freezing of the skull layer is carried out by several dipping of the hollow elements into the molten liquid of the product material. The immersion of the hollow elements in the molten liquid can be carried out in the bath of the furnace unit, an intermediate tank or a partially filled chill mold.

Конструкцию полого элемента с гарнисажным слоем устанавливают в форму на фиксированную глубину, окончательно собирают форму, заливают или доливают жидкий расплав в форму и охлаждают до полного затвердевания. The design of the hollow element with a skull layer is installed in the mold at a fixed depth, the mold is finally assembled, the molten liquid is poured or refilled into the mold and cooled until completely solidified.

Использование при формировании изделий полых элементов позволяет получать высокое качество, чистоту поверхности, постоянство геометрической формы внутренних каналов изделия. The use of hollow elements during the formation of products allows obtaining high quality, surface cleanliness, and the constancy of the geometric shape of the product’s internal channels.

Гарнисажный слой, нанесенный на внешнюю поверхность конструкции полых элементов, защищает их стенки от расплавления при заполнении формы жидким расплавом. Толщина наносимого гарнисажного слоя зависит от толщины стенок используемых полых элементов, с учетом того, что при погружении конструкции полых элементов в жидкий расплав оплавляется только гарнисажный слой, а при заполнении формы происходит направленная кристаллизация жидкого расплава в первую очередь от стенок формы и стенок конструкции полых элементов с сохранением первоначальной чистоты их внутренней поверхности и геометрического профиля. По всему сечению изделий кристаллизация жидкого расплава происходит с образованием плотной структуры, в том числе в местах контакта со стенками полых элементов без прогара и оплавления их внутренней поверхности. A skull layer deposited on the outer surface of the structure of the hollow elements protects their walls from melting when the mold is filled with liquid melt. The thickness of the applied skull layer depends on the wall thickness of the used hollow elements, taking into account the fact that when the hollow element structure is immersed in the liquid melt, only the skull layer is melted, and when the mold is filled, directional crystallization of the liquid melt occurs, primarily from the mold walls and the walls of the hollow element while maintaining the original cleanliness of their inner surface and geometric profile. Throughout the entire cross section of products, crystallization of the liquid melt occurs with the formation of a dense structure, including in places of contact with the walls of hollow elements without burnout and fusion of their inner surface.

Экспериментально установлено, что толщина гарнисажного слоя на стенках полых элементов перед окончательным погружением в расплав должна составлять 2,5-3 толщины стенки элементов, если она тоньше 3 мм, и 1-2,5 толщины стенки, если она толще 3 мм. It was experimentally established that the thickness of the skull layer on the walls of hollow elements before final immersion in the melt should be 2.5-3 thicknesses of the wall of the elements if it is thinner than 3 mm, and 1-2.5 wall thickness if it is thicker than 3 mm.

Точная фиксация элементов конструкции полых каналов в жидком расплаве и внутри затвердевшего изделия может быть обеспечена за счет крепления конструкции полых элементов на верхней крышке формы, имеющей сливное отверстие для удаления излишков жидкого расплава при ее заполнении. Accurate fixation of the structural elements of the hollow channels in the liquid melt and inside the hardened product can be achieved by attaching the structure of the hollow elements to the top cover of the mold having a drain hole to remove excess liquid melt when filling it.

Для регулирования скорости затвердевания формы изделия, гарантированной сохранности исходного состояния стенок внутреннего канала, в процессе затвердевания отливки через внутренние каналы пропускают охлаждающую среду (жидкость, газ, пар и т. п. ). To regulate the rate of solidification of the shape of the product, guaranteed the preservation of the initial state of the walls of the internal channel, in the process of solidification of the casting through the internal channels pass a cooling medium (liquid, gas, steam, etc.).

Предлагаемый способ изготовления полых изделий с выявлением всех положительных преимуществ реализуется предпочтительно с использованием цветных металлов, в частности меди и ее сплавов. The proposed method for the manufacture of hollow products with the identification of all the positive advantages is implemented preferably using non-ferrous metals, in particular copper and its alloys.

Преимущества предполагаемой технологии по сравнению с известной выявляются в следующем:
- возможности получения изделий любой сложности и конфигурации внутренних каналов изделия;
- достижении высокой чистоты и точности размеров как внешних, так и внутренних конструктивных элементов литого изделия;
- повышении эксплуатационной стойкости изделия за счет плотной однородной структуры отливки, чистоты поверхности и точности геометрических форм внутренних каналов;
- улучшении условий труда и экологии технологии процесса за счет исключения из него использования формовочных смесей.The advantages of the proposed technology in comparison with the known are revealed in the following:
- the possibility of obtaining products of any complexity and configuration of the internal channels of the product;
- achieving high purity and dimensional accuracy of both external and internal structural elements of the molded product;
- increasing the operational stability of the product due to the dense uniform structure of the casting, surface cleanliness and the accuracy of the geometric shapes of the internal channels;
- improving working conditions and the ecology of process technology by eliminating the use of molding sand from it.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что предлагаемый способ изготовления полых литых изделий характеризуется совокупностью существенных признаков, их последовательностью и условиями осуществления действий. По сравнению с известной технологией, признаки, характеризующие заявленный способ, являются новыми существенными, что соответствует критерию "новизна". Analyzing the foregoing, we can conclude that the proposed method for the manufacture of hollow molded products is characterized by a combination of essential features, their sequence and conditions for the implementation of actions. Compared with the known technology, the features characterizing the claimed method are new significant, which meets the criterion of "novelty."

Из научно-технической информации известны способы литья намораживанием [5] . Эти методы используются для получения тонкостенных деталей высокого качества непосредственно из жидкого расплава. From scientific and technical information, freezing casting methods are known [5]. These methods are used to obtain high-quality thin-walled parts directly from liquid melt.

В предлагаемом способе процесс намораживания использован по иному назначению - созданию гарнисажного слоя двойного назначения, а именно для защиты от оплавления полых тонкостенных конструктивных элементов изделия и создания плотного надежного сварного соединения полых конструктивных элементов с отливкой изделия в процессе кристаллизации и затвердевания формы. In the proposed method, the freezing process was used for a different purpose - the creation of a double-layer skull layer, namely, to protect against melting of hollow thin-walled structural elements of the product and to create a reliable reliable welded connection of hollow structural elements with casting of the product during crystallization and solidification of the mold.

Из известных источников информации не выявлено использование порядка и совокупности новых существенных признаков предлагаемого способа по их функциональному назначению и достигаемому результату, что соответствует критерию "изобретательский уровень". From known sources of information, the use of the order and the totality of new significant features of the proposed method according to their functional purpose and the achieved result, which meets the criterion of "inventive step", has not been identified.

Пример выполнения способа
В полупромышленных условиях изготовлена партия медных плит размером 600х1300х115 мм с внутренними каналами в форме змеевиков для охлаждения изделия. Плиты предназначены для охлаждаемых стенок печи Ванюкова.An example of the method
In semi-industrial conditions, a batch of copper plates 600x1300x115 mm in size with internal channels in the form of coils for cooling the product was manufactured. The plates are designed for the cooled walls of the Vanyukov furnace.

Плавку меди проводили в дуговой и индукционной сталеплавильной печи емкостью по 1,0 тонн. Разливку металла в формы, соответствующие изделию, осуществляли в чугунный кокиль. Copper was melted in an arc and induction steelmaking furnace with a capacity of 1.0 tons. The metal was poured into molds corresponding to the product in a cast iron chill mold.

Из медной трубы диаметром 3 мм и 4 мм изготовлены змеевики - холодильники. From a copper pipe with a diameter of 3 mm and 4 mm made coils - refrigerators.

Намораживание гарнисажного слоя на змеевики - холодильники осуществляли путем окунания в ванну расплавленной меди. Freezing the skull layer onto the coil-coolers was carried out by dipping molten copper into the bath.

Толщину гарнисажного слоя в зависимости от толщины стенки труб змеевика регулировали количеством погружений и временем выдержки змеевика в жидком расплаве меди. The thickness of the skull layer, depending on the wall thickness of the coil pipes, was controlled by the number of dives and the exposure time of the coil in the molten copper melt.

Змеевик с нанесенным гранисажным слоем жестко крепили к крышке кокиля с фиксированными размерами в соответствии с конструктивными параметрами готовых плит. The coil with the applied boundary layer was rigidly fixed to the chill cover with fixed dimensions in accordance with the design parameters of the finished plates.

В подготовленный кокиль (подогрев, нанесение на стенки теплозащитных покрытий) через его горловину заливали жидкую медь в количестве, учитывающем объем змеевика - холодильника, погружали в расплав змеевик - холодильник, закрывали крышку кокиля и по змеевику подавали охлажденный инертный газ. Liquid copper was poured into the prepared chill mold (heated, applied to the walls of heat-protective coatings) through its neck in an amount that takes into account the volume of the coil-refrigerator, the coil-refrigerator was immersed in the melt, the lid of the chill mold was closed, and a cooled inert gas was supplied through the coil.

Уровень потопления формы в жидкий расплав контролировали полным прижатием крышки к плоскости кокиля. The level of drowning of the mold in the liquid melt was controlled by completely pressing the lid against the plane of the chill mold.

После затвердевания отливки ее вместе с крышкой кокиля свободно извлекали из корпуса кокиля и отсоединяли от крышки. Полученное изделие не требовало механической обработки, отвечало всем требованиям заказчика по чистоте поверхности и точности размеров, в том числе внутренних каналов. After the casting solidified, it, together with the chill cover, was freely removed from the chill body and disconnected from the cover. The resulting product did not require mechanical processing, it met all the requirements of the customer in terms of surface cleanliness and dimensional accuracy, including internal channels.

Заявленный способ реализуется с использованием известного оборудования и материалов, не требуется больших капитальных затрат и производственных площадей. The claimed method is implemented using well-known equipment and materials, does not require large capital expenditures and production space.

Источники информации
1. М. С. Бойченко, В. С. Рутес, В. В. Фульмахт. Непрерывная разливка стали. Гос. научно-техническое издательство по черной и цветной металлургии. М. , 1961, стр. 91-134.Sources of information
1. M. S. Boychenko, V. S. Rutes, V. V. Fulmakht. Continuous steel casting. Gos. scientific and technical publishing house for ferrous and non-ferrous metallurgy. M., 1961, pp. 91-134.

2. Проблемы непрерывной разливки стали. Сб. докладов на Международной конференции по непрерывной разливке. М. : Металлургия, 1967, стр. 235-272. 2. Problems of continuous casting of steel. Sat reports at the International Continuous Casting Conference. M.: Metallurgy, 1967, pp. 235-272.

3. Н. Д. Титов, Ю. А. Степанов. Технология литейного производства. М. : Машиностроение, 1985, стр. 354-361. 3. N. D. Titov, Yu. A. Stepanov. Foundry technology. M.: Mechanical Engineering, 1985, pp. 354-361.

4. Заявка WO 83/00026 A1, кл. В 22 D 19/02, 06.01.83. 4. Application WO 83/00026 A1, cl. B 22 D 19/02, 01/06/83.

5. Г. Ф. Баландин. Литье намораживанием. М. : Машгиз, 1962. 5. G. F. Balandin. Freeze casting. M.: Mashgiz, 1962.

Claims

1. A method of manufacturing a hollow cast metal products, including preparing the mold, assembling the mold with installing hollow elements with a frosted skull layer, pouring metal, cooling the casting and removing it from the mold, characterized in that the hollow elements and the frosted skull layer are from the same material as the molded product.

2. The method according to p. 1, characterized in that the thickness of the frozen skull layer is 2.5-3 wall thickness of the hollow elements, if it is thinner than 3 mm, and 1-2.5 wall thickness, if it is thicker than 3 mm

3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the hollow elements with a frozen skull layer are rigidly attached to the top cover of the mold at a distance equal to the immersion depth of the elements in the melt poured into the mold.

4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the cooling medium is passed through the channels of the hollow elements.

5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the products are made of copper and its alloys.