SI20311A - Večkotna kokila za kontinuirno tlačno litje metalurškega izdelka - Google Patents

Abstract

Izum se nanaša na kokilo za litje ingotov, ki glede na zaporedje v skladu s smerjo iztekanja kovinskih izdelkov obsega predgrevalnik (5), ki je izveden iz nehlajenega ognjevarnega gradiva in služi kot rezervoar za litje predvidene raztaljene kovine, kot tudi standarden hlajen cevast kovinski element (6) za strjevanje kovine. Med predgrevalnikom (5) in kovinskim elementom (6) je razporejena reža (18) za injiciranje čistilnega plina (npr. Ar) v območju notranjega oboda kokile za litje ingotov. Injicirna reža (18) obsega sredstva za redukcijo toka plina v vsakem od vogalnih območij kokile za litje ingotov, ki so prednostno izvedena kot blokirni elementi. Izum omogoča redukcijo ali celo eliminacijo napak, do katerih sicer prihaja vzdolž robov strjenih odlitkov.ŕ

Description

Societe Anonyme des Forges et Acieres de Dilling

MPK:B22D 11/04

VeČkotna kokila za kontinuirno tlačno litje metalurškega izdelka

Izum se nanaša na večkotno kokilo za tkzv. hot-top kontinuirno tlačno litje oz. litje s kokilnim nastavkom metalurškega izdelka kot je jekleni blum, ingot ali gredica.

V primeru kontinuimega litja metalurškega izdelka se raztaljeno kovino ulije v zgornji del ali glavo v splošnem vertikalno orientirane kokile, zatem pa se jo iztiska skozi dno v obliki površinsko strjenega izdelka.

Postopek takoimenovanega hot-top kontinuimega litja, ki dejansko predstavlja izboljšavo splošnih postopkov kontinuimega litja, se izvaja na ta način, da se tkzv. meniskus (t.j. prosto površino raztaljene kovine) z nivoja, kjer se v notranjosti glave prične strjevanje kovine, protitočno premakne oz. preseli. Z namenom izvajanja tkzv. hot-top postopka kontinuimega litja je k sicer običajno bakrenemu cevastemu elementu kokile, ki je hlajen s pomočjo cirkulacije hladilne vode v njegovi notranjosti, prednostno v njegovi neposredni bližini prigrajena nehlajena dovajalna glava, ki je izvedena iz toplotno-izolacijskega ognjevarnega gradiva in služi kot rezervoar raztaljene kovine, dovajane z livnim curkom iz vmesne kadi, nameščene v njeni bližini in nad njo. Glede na to novo zasnovo kokilne glave se v njej tvori meniskus, ki se med litjem sicer premika po notranjosti ognjevarne dovajalne glave, pri tem pa do strjevanja prihaja šele v nivoju kovinskega cevastega elementa, ki pa tako kot pri konvencionalnem kontinuirnem litju kalibrira ulitek tako po obliki kot tudi glede na dimenzije. Temu ustrezno je mešanje tekoče kovine zaradi dolivnega curka omejeno zgolj na notranjost dovajalne glave. V strjevalnem prostoru, ki ga definira spodaj nameščen cevast element, je torej mogoče vzdrževati tok ulite kovine v razmeroma umirjenem hidrodinamičnem stanju, s čimer je zlasti mogoče izravnati profil strjevanja v stiku s hlajeno bakreno steno po celotnem notranjem obodu kokile. Vendar pa je za zadovoljivo izvajanje tovrstnega postopka potrebno preprečiti vsakršno prezgodnje strjevanje kovinske taline v dovajalni glavi in temu ustrezno zagotoviti, da se strjevanje prične šele nižje spodaj, natančneje v točki stika s hladno bakreno steno.

S tem namenom je bilo že predlagano, da bi med ognjevarno dovajalno glavo in cevastim bakrenim elementom pustili presledek zelo majhne širine (manj kot 1 mm in v splošnem približno 0,2 mm) ter skozi to režo v kokilo po njenem notranjem obodu injicirali fluid, v splošnem inertni plin kot je argon. S ciljem, da bi zagotovili tok plina na poljubnem mestu reže, se v slednjo dovaja komprimiran plin preko distribucijske komore, ki jo obdaja.

To injiciranje plina ima učinek čiščenja heterogene nezaželene strjene plasti, ki se lahko tvori zgoraj na notranji steni ognjevarne dovajalne glave, kar omogoči vzpostavitev pogojev, ki imajo za posledico motnje v enakomernosti strjevanja v spodaj nameščenem hlajenem bakrenem elementu.

V primeru nekrožnih kokil ali drugače rečeno v primeru kokile, zasnovane v četverokotni cevasti obliki (npr. za litje ingotov, blumov ali gredic kvadratnega prečnega prereza) ali splošneje v večkotni obliki (za litje blokov, ki že imajo obliko želenega končnega izdelka), je bilo pri ulitih izdelkih po končanem strjevanju ugotovljeno, da med strjevanjem na robovih prihaja do napak kot so vzdolžne razpoke, razslojitve itd., namreč do napak, pri katerih vzrok za nastanek tiči v pomanjkanju strjene kovine že v sami kokih, in sicer prav v tistem trenutku, ko se tvori strjena ovojnica.

Namen pričujočega izuma je zlasti zagotoviti rešitev, ki naj bi reducirala ali celo po možnosti povsem eliminirala te napake v vogalnih območjih litih izdelkov med strjevanjem.

V ta namen je kot predmet pričujočega izuma opisana kokila za takoimenovano hot-top kontinuimo litje raztaljenih kovin, obsegajoča hlajen kovinski cevast element četverokotne oblike, ki določa obliko in izmere litega izdelka oz. ulitka in v katerem se raztaljena kovina ob stiku s hlajeno notranjo kovinsko steno strjuje, pn čemer je omenjenemu hlajenemu cevastemu elementu prigrajena nehlajena dovajalna glava, ki je izvedena iz toplotno-izolacijskega ognjevarnega gladiva in predstavlja rezervoar za raztaljeno kovino, predvideno za strjevanje, in pn čemer je med hlajenim kovinskim elementom in ognjevarno dovajalno glavo okoli notranjega oboda kokile predvidena reža za injiciranje čistilnega fluida (zlasti komprimiranega inertnega plina, prednostno argona), pri tem pa je kokila značilna po tem, da je opremljena s sredstvi za redukcijo toka čistilnega fluida v vogalnih območjih.

Omenjena sredstva prednostno sestojijo iz elementa, ki predstavlja oviro za tok plina v injicimi reži; omenjeni element pa je nameščen v vsakem od vogalnih območij reže.

Izum je posledica v nadaljevanju navedenih ugotovitev. Zadovoljiv Čistilni učinek toka plina, ki se vpihuje ob vznožju dovajalne glave, je mogoče zagotoviti z vzdrževanjem intenzitete plinskega toka vzdolž reže, tako da ni mrtvih območij, kjer bi lahko prihajalo do nezaželenih strjevalnih fragmentov. Toda četudi v režo doteka plin iz obodno potekajočega tlačnega voda in so s tem zagotovljene enake izgube v območju glave oz. je po celotni dolžini reže zagotovljen linearen tok s konstantno intenziteto, s tem ni mogoče dobiti enake intenzitete pretoka plina v vsaki točki po obodu litega izdelka. Razlog za to je večja intenziteta toka v vogalnih območjih kokile, kar je posledica dejstva, da je reža pravokotne oblike tako kot kokila, v njeno notranjost pa se v vsakem od vogalnih območij dovaja plin iz dveh smeri. Tako povečana intenziteta toka v vogalnih območjih ima v območju reže in torej še zlasti v zgornjem območju neposredno pod njo nahajajočega se hlajenega bakrenega elementa za posledico nadtlak, ki lahko povzroči lokalno odstopanje strjene ovojnice na robovih ulitka od hladne bakrene stene Pri tem gre za odstopanja, ki zaradi poslabšanja hlajenja izdelka v vogalnih območjih povzročajo motnje v smislu pomanjkanja strjene kovine, ki se na dobljenem izdelku odražajo kot napake pri strjevanju v vogalnih območjih vzdolž robov.

Zaradi boljše razumljivosti bo izum v nadaljevanju opisan na osnovi neomejujočih primerov izvedbe ter v povezavi s priloženo skico kokile za takoimenovano hot-top kontinuimo litje jeklenega ingota kvadratne oblike v skladu s pričujočim izumom.

Sl. 1 shematično kaže zgornji del kokile v polovičnem pogledu ter v prerezu v aksialni smeri v ravnini 1 -1 po sl. 3;

sl. 2 shematično kaže zgornji del kokile v polovičnem pogledu ter v prerezu v aksialni smeri v ravnini 2 - 2 po sl. 3;

sl. 3 predstavlja tloris spodnjega dela kokile v ravnini 3 - 3 po sl. 1 ah po sl. 2.

Sl. 1 in sl. 2 kažeta zgornji del kokile za takoimenovano hot-top kontinuirno litje, ki je kot takšna označena z 1 in ki obsega navzgor potekajoč hlajen bakren cevast element 6 kot tudi zaradi preprečevanja vdiranja raztaljene kovine v neposredni bližini razporejeno dovajalno glavo 5 iz nehlajenega ognjevarnega gradiva.

Hlajen kovinski element 6 in ognjevarna dovajalna glava 5 s svojo notranjostjo določata notranji livni prostor oz. formo 3, kamor se dovaja raztaljeno kovino 4, npr. jeklo, in kjer se ta strjuje. Kot je razvidno na sl. 3, je forma 3 izvedena s prečnim prerezom v obliki kvadrata z zaokroženimi vogali, pri čemer pa je radius zaradi kar najboljše ponazoritve karakterističnih elementov kot osnove v nadaljevanju obrazloženega izuma prikazan kot bistveno povečan.

Poudariti velja, da hlajen bakren cevast element 6 predstavlja glavni del kokile. To je element, ki - medtem ko je učinkovito hlajen s pomočjo interne cirkulacije vode (ki je tukaj na voljo v prostoru 2 levo med elementom 6 in kovinski oklop 8, ki prej omenjenega obdaja na določeni oddaljenosti od njega) - običajno služi kot kristalizator, ob katerega notranji steni 11 se raztaljeno jeklo 7 strjuje, pri čemer se sprva tvori primarna ovojnica 7', in sicer v trenutku ko jeklo pride v stik s hladnim bakrom. Zatem, ko uliti izdelek napreduje v smeri navzdol po kokih v smeri, označeni s puščico F, se ta ovojnica pod vplivom intenzivnega odvajanja toplote zaradi učinkovitega hlajenja bakrenega elementa 6 postopoma debeli. Strjevanje ulitka 7 tako napreduje od zunanjosti proti centralni osi do popolne strditve, do česar pa običajno pride po približno desetih metrih za kokilo, v ta namen pa so za kokilo zaradi takojšnjega omočenja površine ulitka običajno predvidene tudi vodne prhe.

Kar se tiče dovajalne glave 5, ki predstavlja specifično komponento pn takoimenovanem hot-top litju, je njena bistvena funkcija ta, da služi kot rezervoar 4 za raztaljeno kovino. Ta kovina priteka kot livni curek 12, iztekajoč iz vmesnega korita 14, nameščenega v njegovi bližini, in sicer skozi šobo 13, ki je vgrajena na izpustu iz vmesnega korita. Rezervoar 4 ustvarja zadostno zalogo oz. blažilno količino, ki je ključnega pomena za hidrodinamiko, ker dopušča pojavljanje pogosto silovite vzburkanosti tekoče kovine zaradi velikega momenta kot posledice curka 12 jekla oziroma blaženje le-tega. Tekoče jeklo, ki zatem z namenom strjevanja prehaja v kristalizator 6, je zato bolj umirjeno, med drugim je tudi bolj oddaljeno od meniskusa oz. gladine, katere strjevanje je pri običajnih kokilah za kontinuimo litje pogosto vzrok napak na najbolj zunanji plasti oz. ovojnici. Za rezervoarjem 4 potem tok raztaljene kovine doseže takoimenovan tok batne vrste, kar pomeni tok brez omembe vrednega gradienta hitrostnega vektorja po prerezu, skratka nekaj izjemno zaželenega pri ustreznem izvajanju procesa strjevanja.

V skladu s splošnimi načeli, kar sicer ni prikazano na skici, je dovajalna glava 5 izvedena iz ognjevarnega gradiva, njen glavni zgornji del pa je izveden iz vlaknastega ognjevarnega gradiva, ki je tako izbrano glede na njegove toiplotnoizolacijske lastnosti, da vzdržuje raztaljeno kovino v rezervoarju 4 v tekočem stanju, npr. iz materiala, ki ga družba KAPYROX prodaja pod oznako A120K, medtem ko je spodnji obročast vložek po izbiri lahko izveden iz kompaktnega ognjevarnega gradiva kot je SiAlON®, s čimer je mogoče zagotoviti najboljšo mehansko integriteto v neposredni bližini hlajenega bakrenega elementa 6, kjer zaradi pričetka strjevanja prihaja do obremenitev.

Kot je prikazano, je dovajalna glava zaradi ustreznega naleganja na cevast element 6 pritrjena v primernem položaju s pomočjo neprikazanih pozicionimih zatičev in s

Ί pomočjo pritrdilne prirobnice 9 s sidri 9', pri čemer prirobnica nalega na kovinski plošči 5a, s katero je prekrit ognjevarni del. Zaradi povečanja togosti sestava in prehoda sider je prednostno predvidena tenkostenska škatla 10.

Navzlic toplotno-izolacijskim lastnostim ognjevarnega gradiva, uporabljenega za dovajalno glavo 5, je lahko notranja stena dovajalne glave 5 v večji ali manjši men obložena z neželenimi plastmi 16 strjene kovinske taline. Četudi so te razporejene na obodu, so lahko moteče za pravilno strjevanje v kristalizatorju 6, še zlasti pa takrat, če ti fragmenti 16 lahko sežejo do roba hlajenega elementa 6, kjer se pnčne strjevanje. Da bi še pravočasno preprečili nastajanje vsakršnih neželenih oblog v območju dovajalne glave, je mogoče v vznožju dovajalne glave z oboda injicirati čistilni fluid. V ta namen se prednostno uporabi plin, zlasti prednostno pa plin, ki je kemično inerten glede na litino, še zlasti argon.

V ta namen je med dovajalno glavo 5 in hlajenim bakrenim elementom 6 predvidena ozka reža 18 širine približno 0,2 mm. Ta reža je prosto odprta v smeri proti notranjosti kokile, na nasprotnem koncu pa se izteka v tesnjeno obročasto komoro 19, ki je predvidena v dovajalni glavi. Ta komora 19 ki poteka okoli in okoli reže 18, služi za ustrezno distribucijo linearega toka plina, ki izteka skozi špranjo. Preko voda 20 je priključena na eksterni vir 21 stisnjenega plina. Reža je obročaste oblike podobno kot četverokotna oblika kokile in podobno kot tista, ki jo zavzame liti izdelek 7 po strjevanju ovojnice v bakrenem elementu 6. Se zlasti ima četverokoten obris, kakršen je prikazan na sl. 3, pri čemer so iz prej navedenih razlogov vogali zelo poudarjeni.

Ker je v bližini vogalov 3a, 3b, 3c in 3d kokile plin dovajan v livni prostor oz. formo 3 iz dveh strani reže 18 pod pravim kotom, to dvosmerno in konvergentno dovajanje v vogalnih območjih forme 3 pomeni, da se v ta območja vpihava več plina, kar bi bilo lahko povezano s tveganjem lokalnega odstopanja litine od bakrene stene 11 na zgornjem robu le-te oz. v območju tvorbe najbolj zunanje ovojnice, kar bi pomenilo, da v primerjavi s preostalimi območji na obodu med strjevanjem v bakrenem elementu v teh območjih zaradi manj učinkovitega hlajenja izdelka v teh območjih prihaja do pomanjkanja strjene kovinske taline.

Z namenom, da bi preprečili to neustrezno vpihavanje plina v vogalna območja, so v skladu z izumom in kot je to razvidno na sl. 2 in 3 v vogalnih območjih reže 18 nameščeni elementi za blokiranje toka plina.

Blokirni elementi 17, ki so razporejeni v vogalnih območjih reže 18, lahko sestojijo iz skupkov gibkih vlaknastih ognjevarnih materialov, ki po pritrditvi dovajalne glave na vrhu kovinskega elementa 6 zaradi sploščenja lokalno blokirajo prehod od zunanjosti proti notranjosti kokile. Vsak izmed blokimih elementov 17 je pri tem prednostno ukrivljen gledano v smeri navzven v skladu z notranjim obodom distribucijske komore 19, gledano v smeri navznoter pa v skladu z vogalnim območjem forme 3, ob straneh pa je omejen z dvema sicer ravnima stranicama, ki pa konvergirata v smeri proti formi ter s pravokotnico na ravnino notranje površine forme 3 na vsakokratnem koncu zaokroženega vogalnega območja 3a (ali 3b oz. 3c oz. 3d), ki v smeri navznoter omejuje blokirni element 17, oklepata kot a.

Če znaša polmer zaokroženega vogalnega območja livnega pristora oz. forme kokile približno 6,5 mm, naj bi širina blokimega elementa 17 v njegovem najožjem območju prednostno znašala med 4 in 6,5 mm. Če je ta širina manjša od 4 mm, lokaliziranega motečega toka v vogalno območje injiciranega plina ni mogoče ustrezno eliminirati. Če je širina večja od 6,5 mm, se v bližini vogalnega območja ustvari območje, kjer tok injiciranega plina ni linearen.

Nadalje naj bi kot a med stransko ploskvijo blokimega elementa in pravokotnico na notranjo površino forme prednostno znašal med 0 in 45°. Izven teh vrednosti upoševljenosti stranic blokimega elementa 17, se linearni tok injiciranega plina, torej tok na enoto dolžine notranjega oboda reže 18, v območju ob vogalu izniči.

Ugotovljeno je bilo, da v primeru litja izdelkov pravokotne ali kvadratne oblike vrednost kota približno 20° omogoča ustvarjanje konstantnega linearnega toka okoli notranjega oboda kokile. V določenih primerih, odvisno od tega, ali je oblika za litje predvidenih izdelkov bolj ali manj kompleksna, lahko bočni strani blokimega elementa 17 s pravokotnicama na ravno notranjo površino forme na koncu vogalnih območij tvorita različna kota a in a'.

Z uporabo elementov za blokiranje reže 18 s prej navedenimi geometrijskimi in dimenzijskimi karakteristikami, je mogoče v reži 18 doseči linearen tok inertnega plina v formo, ki je perfektno konstanten. Na ta način je mogoče odpraviti napake pri strjevanju, ki jih je sicer mogoče opaziti vzdolž robov strjenega ulitka.

Izum pa ni omejen zgolj na izvedbo, ki je bila opisana. Tako je npr. možno kot blokimi element reže 18 v njenih vogalnih območjih razen ognjevarnih vlaken uporabiti tudi druga gradiva. Ti elementi so lahko povsem neprepustni za plin ali tudi nekoliko porozni.

Razen tega je mogoče blokirati špranjo 18 v njenih vogalnih območjih zaradi eliminacije pretoka plina v teh območjih tudi na ta način, da se dovajalno glavo 5 v vogalnih območjih med livnim prostorom oz. formo 3 in distribucijsko komoro 19 izdela z nekoliko večjo debelino v primerjavi s siceršnjo debelino. To dodatno debelino je mogoče zagotoviti s strojno obdelavo, npr. s frezanjem spodnje površine dovajalne glave 5, ki se nahaja v bližini elementa 6. Po drugi strani je mogoče dodatno debelino v vogalnih območjih zagotoviti tudi na elementu 6. katerega zgornja površina, ki je obrnjena proti glavi 5, bi bila v ta namen lahko obdelana. Območje z dodatno debelino naj bi imelo obliko podobno obliki blokimih elementov 17, ki so prikazani na sl. 3. Ta dodatna debelina naj bi prednostno znašala približno 0,2 mm.

Možno je tudi deloma blokirati distribucijsko komoro 19 v območjih v bližini njenih vogalov ter na ta način omejiti ali eliminirati injiciranje v vogalna območja reže 18. Distribucijsko komoro je mogoče blokirati npr. z vstavljanjem čepov, opremljenih s kanali, ki potekajo v smeri toka plina, ali tudi s čepi. ki so do določene mere porozni.

Izum je uporabljiv pri kakršnikoli večkotni glavi kokile za takoimenovano hot-top kontinuimo litje metalurškega izdelka kot je ingot, blum ali slab, ali pa blokov oblike, ki je že blizu končnemu proizvodu (profili, tirnice, različno profiliram izdelki, itd.), ob predpostavki, da glava ustreza definiciji, opredeljeni v priloženih zahtevkih. Razen tega gaje mogoče uporabiti tako pri kontinuirnem litju jekla kot tudi v primeru kontinuimega litja neželeznih kovin.

Za:

USINOR in

Societe Anonyme des Forges et Acieres de Dilling

Claims (6)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Večkotna kokila za kontinuimo tlačno litje metalurškega izdelka, zlasti za takoimenovano hot-top tlačno litje raztaljenih kovin, obsegajoča hlajen kovinski cevast element (6) veČkotne oblike, ki določa obliko in izmere litega izdelka in v katerem se raztaljena kovina (7) strjuje ob stiku s hlajeno notranjo kovinsko steno (11), k omenjenemu hlajenemu cevastemu elementu pa je prigrajena iz toplotnoizolacijskega ognjevarnega gradiva izvedena nehlajena dovajalna glava (5), ki predstavlja rezervoar za raztaljeno kovino, predvideno za strjevanje, pri čemer je med omenjenim hlajenim kovinskim elementom (6) in omenjeno ognjevarno dovajalno glavo (5) predvidena reža (18) za injiciranje čistilnega fluida okoli notranjega oboda kokile, označena s tem, da je opremljena s sredstvi (17) za redukcijo pretoka čistilnega plina v vogalnih območjih.
2. 2. Kokila po zahtevku 1, označena s tem, da sredstvo za redukcijo toka plina sestoji iz elementov (17) za lokalno blokiranje pretoka v reži (18),
3. 3. Kokila po zahtevku 2, označena s tem, da vsak od blokimih elementov (17) sestoji iz skupka vlaken ognjevarnega gradiva, stisnjenih med dovajalno glavo (5) in hlajen obročast element (6), in da je vsak nameščen v vogalnem območju (3a...3d) reže (18).
4. 4. Kokila po zahtevku bodisi 2 ali 3, označena s tem, da so elementi (17) za blokiranje vsakega od vogalnih območij reže (18) med distribucijsko komoro (19) in vogalnim območjem (3a, 3b, 3c, 3d) notranje površine notranjega livnega prostora oz. forme (3) zasnovani s po dvema ravnima bočnima ploskvama, ki konvergirata v smeri proti formi (3), vsaka od njiju pa s pravokotnico na notranjo livno površino oz. formo (3) oklepa kot med 0 in 45°.
5. 5. Kokila po kateremkoli od zahtevkov 2, 3 in 4, zasnovana z zaokroženimi vogalnimi območji s polmerom približno 6,5 mm, označena s tem, da blokimi elementi (17) obsegajo površine, ki so obrnjene proti livnemu prostoru oz. formi (3), katerih širina znaša med 4 in 6,5 mm.
6. 6. Kokila po zahtevku 1, označena s tem, da sredstvo za redukcijo toka plina sestoji iz elementov za delno blokiranje vogalnih območij injicime reže (18).