WO2010039058A1

WO2010039058A1 - Кристаллизатор

Info

Publication number: WO2010039058A1
Application number: PCT/RU2009/000179
Authority: WO
Inventors: Николай Николаевич СКАЛДИН
Original assignee: Skaldin Nikolay Nikolaevich
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-04-08
Also published as: US20110176974A1; JP3171560U; DE212009000126U1; CA2738681A1

Abstract

Кристаллизатор содержит цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальный вал, установленный на подшипники и снабженный приводом вращения. Корпус и крышка покрыты двухслойной облицовкой внутренней поверхности. Первый слой в виде футеровки закреплен термостойким клеем на стенках корпуса. Второй слой выполнен из мелкозернистого графита и закреплен клеем на первом слое. Подшипники установлены в блоке, выполненном с возможностью подачи охлаждающей жидкости. Достигается повышение качества слитков, поскольку исключается температурная деформация кристаллизатора и взаимодействие слитка со стенками корпуса за счет расширения диапазона скоростей подшипников.

Description

Кристаллизатор Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к металлургическому производству и предназначено для получения из алюминиевых сплавов предпрокатных слитков с заданными характеристиками.

Предшествующий уровень техники

Известны способы и устройства для кристаллизации алюминиевых сплавов: RU JYaNo 79563, 1082310, 1088653, 2039830, 2055682, 53193, 2299924, 2312156. Но, ни в одном из перечисленных технических решений, форма не раскручивается до скоростей, обеспечивающих перегрузку от 2OG и уж тем более 250G.

Созданные и широко применяемые в современной промышленности алюминиевые сплавы делятся на две категории: деформируемые (прокатные) и литейные. К деформируемым сплавам в частности относятся сплавы алюминия с магнием. Увеличение содержания магния в сплаве привело бы к резкому улучшению его механических свойств. Например, возрастает предел прочности, коррозионная стойкость и т.д. В рамках существующих на сегодня в мире технологий кристаллизации невозможно создать деформируемые (прокатные) сплавы с содержанием магния более 6%. После прокатки, они становятся не стабильными и теряют свои служебные свойства.

Известен кристаллизатор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем, размещенное в нем перемешивающее устройство, состоящее из вертикального вала и укрепленных на нем по высоте лопастей, и привод вала, причем корпус снабжен установленной с зазором вокруг вала с лопастями цилиндроконической обечайкой, коническая суживающаяся книзу часть которой расположена над днищем, а каждая лопасть перемешивающего устройства состоит из двух изогнутых в виде части параболоида пластин, укрепленных вертикально и противоположно одна другой так, что их нижние кромки расположены на одной линии, при этом площадь одной пластины превышает площадь другой и каждая вышерасположенная лопасть повернута в горизонтальной плоскости относительно нижерасположенной на 40 5O⁰C, а вал перемешивающего устройства установлен с возможностью вращения, причем нижние лопасти имеют участки, расположенные вне конической части обечайки, и выполнены так, что форма их нижних кромок аналогична форме днища корпуса (RU N22039830).

Недостатками известного технического решения является низкое качество слитков, связанное с неизбежно получаемым поликристаллическим строением, практически не имеющим доминирующей кристаллографической ориентации, а также сложность конструкции, связанная с необходимостью перемешивающего устройства.

Известно техническое решение, предусматривающее получение слитков из алюминиевых сплавов с заданной кристаллической структурой и с заданными характеристиками в гравитационном поле с использованием кристаллизатора на основе центрифуги, т.е. содержащее установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения (RU N°2312156).

Недостатками известного технического решения является отсутствие конструктивного решения, обеспечивающего на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в гравитационном поле, неоднородность поверхностного слоя слитков, связанная с возможностью взаимодействия кристаллизуемого расплава со стенками корпуса в условиях гравитационного поля, в результате чего снижается качество слитка, быстрый износ корпуса под воздействием расплава в гравитационном поле, а также узость функциональных возможностей, обусловленная ограничением по скорости вращения. Таким образом, в рамках существующих на сегодня в мире технологий, невозможно создать дeфopмиpyeмыe(пpoкaтныe) сплавы с содержанием магния более 6%. После прокатки, они становятся нестабильными и теряют свои служебные свойства. Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей изобретения является создание эффективного кристаллизатора и расширение арсенала кристаллизаторов для алюминиевых сплавов. Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в том, что обеспечено практическое изготовление слитков из алюминиевых сплавов в гравитационном поле, повышено качество слитков благодаря исключению температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, исключению взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечена сохранность корпуса благодаря защите от высокотемпературного расплава, а также расширены функциональные возможности получения сплавов различной структуры благодаря расширению диапазона скоростей подшипников и благодаря минимизации разброса температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, оптимизации условий взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечена максимальная сохранность корпуса благодаря защите от воздействия высокотемпературного расплава, а также расширены функциональные возможности получения сплавов различной структуры благодаря расширению диапазона скоростей подшипников. Заявленный кристаллизатор при вращении со скоростью, обеспечивающей перегрузку в расплаве в диапазоне от 2OG до 250G, оптимизирует условия кристаллизации добавок за счет форсирования диффузионных процессов в расплавах на стадии формирования кристаллической структуры. В результате получаются сплавы со значительно - на 25-30% - улучшенными служебными свойствами. В понятие "служебные свойства" вкладывается достаточно много конкретных свойств. В зависимости от назначения сплава, его можно изготовить с высоким пределом прочности, другой сплав можно получить с высоким показателем пластичности, а в каком-то другом сплаве можно получить монокристаллическую структуру. Сущность изобретения состоит в том, что кристаллизатор содержит установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения, причем корпус и крышка снабжены двухслойной облицовкой внутренней поверхности, причем один слой облицовки выполнен в виде футеровки, закрепленной термостойким клеем к стенкам корпуса, а второй слой облицовки выполнен из мелкозернистого графита, закрепленного термостойким клеем на футеровку, при этом подшипники установлены в блоке, выполненном с возможностью подачи охлаждающей жидкости. Предпочтительно, в частных случаях реализации:

- подшипники выполнены в виде конических радиально-упорных подшипников, а привод вращения вала выполнен в виде ведомого шкива гибкой, например, клиноременной передачи;

- крышка снабжена кольцевым выступом для размещения в кольцевом пазу, дополнительно выполненном на фланце корпуса;

- днище корпуса выполнено с отверстием, в котором закреплена втулка с коническим отверстием для установки вала;

- блок подшипников снабжен комбинированными сальниками, представляющими собой графитовый шнур и металлорезиновые манжеты; - корпус выполнен из жаростойкой стали;

- слой облицовки в виде графита выполнен из мелкозернистого графита с толщиной, составляющей половину толщины облицовки в виде футеровки;

- слой футеровки выполнен, например, из шамота толщиной 30 мм, а слой графита - толщиной 15 мм; - кристаллизатор снабжен средствами контроля температуры корпуса и температуры кристаллизуемого расплава;

- футеровка выполнена из легковесного термостойкого материала с удельной плотностью от 1,0 до 1,8 г/смЗ и коэффициентом теплопроводности от 0,14 до 0,72 Вт/мК, а второй слой выполнен с внутренним диаметром от 300 до 3000 мм и с высотой от футеровки днища до футеровки крышки от 50 мм до 1000 мм; слой футеровки выполнен, например, из керамики на основе волластонита. Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На чертеже фиг.1 изображена конструктивная схема кристаллизатора. Кристаллизатор состоит из емкости для кристаллизации расплава в виде цилиндрического корпуса 1 с размерами, например: диаметр 1000 мм, высота 400 мм, толщина стенки 25 мм. В нижней части корпуса 1 вварено днище 2 толщиной 25 мм из жаростойкой стали 12X18Hl ОТ. Высота корпуса 1 равна, например, 400 мм. Верхняя часть корпуса 1 снабжена фланцем 19, в котором сделаны восемь резьбовых отверстий 3 с резьбой Ml 4 для крепления крышки 4 толщиной равной, например, 15 мм. Фланец 19 имеет кольцевой паз (выточку) 5, а в крышке 4 выполнен кольцевой выступ 6, который при закручивании болтов 7 входит в паз 5 и тем самым придает необходимую жесткость верхней части корпуса 1 кристаллизатора.

Внутренняя поверхность корпуса 1 и днища 2 имеют двухслойную облицовку внутренней поверхности, т.е. футерованы слоем 8 из легковесного термостойкого материала, например, из шамота или из керамики на основе волластонита, с удельной плотностью от 1,0 до 1,8 г/смЗ и коэффициентом теплопроводности от 0,14 до 0,72 Вт/мК. Слой 8 крепится слоем 9 термостойкого клея. После высыхания клея поверхности слоя 9 предварительно протачиваются для устранения радиального и торцевого биения с целью исключить дисбаланс всей конструкции. На проточенную поверхность, с помощью термостойкого клея крепится второй слой 10 футеровки из мелкозернистого графита марки MГП-7 толщиной, например, 15 мм. Слой 10 выполнен с внутренним футеровки диаметром от 300 до 3000 мм и с высотой от футеровки днища до футеровки крышки от 50 мм до 1000 мм. После высыхания клея поверхность слоя 10 окончательно протачиваются с условием получением уклона в 3 градуса на боковой поверхности и 1 градус на днище 2.

В днище 2 корпуса 1 вварена втулка 20 с коническим отверстием (не обозначено), в которое входит вал 11 кристаллизатора, являющийся осью его вращения. Корпус 1 фиксируется на валу 11 гайкой (не изображена) с возможностью совместного с валом 11 вращения. Вал 11 установлен в подшипниках для чего вертикально входит в блок 12 подшипников, в котором находятся два конических радиально-упорных подшипника 13 (их количество может быть 3,5,10 и т.д., но не менее двух). В верхней и нижней частях блока 12 подшипников установлены комбинированные сальники 14 представляющие собой графитовый шнур 15 и металл орезиновые (резинометаллические) манжеты 16, предназначенные для герметизации блока 12 подшипников в котором циркулирует охлаждающая жидкость, например, высокотемпературное масло. Масло в свою очередь поступает в бак (не изображен), который сделан из алюминия. При прокачке масла бак забирает тепло нагретого масла, охлаждая его. Циркуляция масла происходит с помощью насоса (не изображен), установленного в этом баке.

В нижней части вала И установлен ведомый шкив 18, на который через гибкую клиноременную передачу (не изображена) передается вращение, например, от двигателя постоянного тока мощностью 12 КВт (не изображен). Контроль и управление кристаллизатором осуществляются с пульта (не изображен), позволяющего изменять и контролировать обороты кристаллизатора, контролировать температуру корпуса 1 перед заливкой расплава и температуру самого расплава с момента заливки до момента извлечения готового слитка.

Выполненный согласно данному техническому решению кристаллизатор может иметь следующие характеристики: кристаллизатор с минимальным полезным диаметром 300 мм может вращаться со скоростью в диапазоне от 345 об/мин до 1221 об/мин или с угловой скоростью 36,16 рад/сек до 1221 рад/сек. Указанные величины соответствуют минимaльнoй(20G) и мaкcимaльнoй(250G) перегрузке; - кристаллизатор с максимальным полезным диаметром 3000 мм. вращаться со скоростью в диапазоне от 109,2 об/мин до 386,2 об/мин или 11,44 рад/сек до 40,44 рад/сек, что соответственно равно минимaльнoй(20G) и мaкcимaльнoй(250G) перегрузке. Кроме вышесказанного, необходимо задать оптимальную полезную высоту h* кристаллизатора, т.е высоту от футеровки днища до футеровки крышки, которая должна находиться в диапазоне от 50 мм до 1000 мм. Т.е. кристаллизатор диаметром 300 мм может быть с полезной высотой от 50 мм до 1000 мм. Аналогично обстоит дело и с кристаллизатором диаметром 3 000 мм. Кристаллизатор работает следующим образом.

В предварительно прогретый кристаллизатор,, вращающийся с определенной скоростью, необходимой для ориентации расплава по наружному диаметру днища 2, через отверстие в крышке 4 заливается расплав алюминия с температурой порядка 750-900C. Облицовка из слоев 8,10 не допускает резкого нагрева и температурной деформации корпуса 1. Сразу после окончания процесса заливки обороты вала 11 с корпусом 1 кристаллизатора повышаются до значения, соответствующего значению перегрузки в расплаве в диапазоне от 2OG до 250G под действием центробежной силы.

При прокачке масла через блок 12 отбирается тепло, охлаждая корпус 1 с расплавом. Подача охлаждающей жидкости в блок 12 позволяет подшипникам 13 работать в таком широком диапазоне угловых скоростей. Таким образом, кристаллизацию расплава сопровождает мощное гравитационное поле. Влияние гравитационного поля на кристаллизующийся расплав аналогично созданию соответствующих полей переохлаждений в нем. Воздействие гравитационного поля интенсифицирует диффузионные процессы в расплаве алюминиевого сплава, что приводит к получению твердых растворов типа внедрения-замещения с минимальным выделением эвтектики. При вращении со скоростью, обеспечивающей перегрузку в расплаве в диапазоне от 2OG до 250G, изменяются условия кристаллизации добавок за счет форсирования диффузионных процессов в расплавах на стадии формирования кристаллической структуры. Достигаемый при этом технический результат заключается в получении сплавов со значительными до (25-30%) улучшенными служебными свойствами.

В результате слиток даже при несколько поликристаллическом строении имеет доминирующую кристаллографическую ориентацию в заданном направлении, составляющую не менее 80-85% от всех возможных ориентировок. Время жизни расплава равно 12-15 с/кг. Слои 8-10 выполнены из пассивных аморфных материалов и обеспечивают сохранность корпуса 1 от схватывания с алюминием при воздействии гравитационного поля, защищают расплав и затем слиток от попадания примесей из кристаллической решетки материала корпуса 1.

После кристаллизации расплава (перехода в твердое состояние) обороты вала 11 кристаллизатора поддерживаются определенное время необходимое для достижения слитком заданного значения температуры и затем снижаются до полной остановки корпуса 1 кристаллизатора. В корпусе 1 получается слиток кольцевой формы, который при достижении корпусом 1 кристаллизатора определенной температуры извлекается после открывания крышки 4 с помощью специального приспособления. Соотношение «K» наружного диаметра слитка к его высоте находится в диапазоне от 2,5 до 10, а толщина стенки слитка определяется, предпочтительно, как произведение К х 20.

В результате обеспечивается наилучшее сочетание прочности и пластичности получаемого сплава: предел прочности 320-330 мПа при относительном удлинении 30-40%. Получаемый материал может быть использован в качестве конструкционного материала для автомобильной промышленности.

Таким образом, создан эффективный кристаллизатор, обеспечивающий на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в гравитационном поле, и расширен арсенал кристаллизаторов для алюминиевых сплавов. При этом повышено качество слитков благодаря исключению температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, и исключению взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечено расширение функциональных возможностей благодаря расширению диапазона скоростей подшипников.

Применение данного кристаллизатора для получения алюминиевых сплавов позволяет реально получать деформируемые (прокатные) сплавы с содержанием магния 10-15-20%, что в свою очередь ведет к значительному улучшению их механических свойств. В результате можно получить лист алюминия, который будет прочным как сталь и легким как алюминий, из него можно будет получать различные детали методом пластической дeфopмaции(дeтaли кузовов автомобилей, самолетов и т.п.). Т.е. за счет его уникальной прочности, кузова машин, самолетов и т.п. могут стать еще легче.

Таким образом, создан эффективный кристаллизатор, обеспечивающий на практике получение сплава с заданной кристаллической структурой в гравитационном поле, и расширен арсенал кристаллизаторов для алюминиевых сплавов.

При этом повышено качество слитков благодаря исключению температурной деформации емкости, в которой происходит кристаллизация, и исключению взаимодействия слитка со стенками корпуса, обеспечено расширение функциональных возможностей благодаря расширению диапазона скоростей подшипников в сочетании с приводом вращения, обеспечивающая вращение корпуса относительно своей оси в вертикальном положении с ограничением по скорости вращения в зависимости от интервала требуемых перегрузок в диапазоне от 2OG до 250G.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального легко доступного современного оборудования, широко распространенного в промышленности.

Claims

Формула изобретения

1. Кристаллизатор, содержащий установленный с возможностью вращения цилиндрический корпус с днищем, крышкой и вертикальным валом, установленным в подшипниках и снабженным приводом вращения, отличающийся тем, что корпус и крышка снабжены двухслойной облицовкой внутренней поверхности, причем один слой облицовки выполнен в виде футеровки, закрепленной термостойким клеем к стенкам корпуса, а второй слой облицовки выполнен из мелкозернистого графита, закрепленного термостойким клеем на футеровку, при этом подшипники установлены в блоке, выполненном с возможностью подачи охлаждающей жидкости.

2. Кристаллизатор по п.l, отличающийся тем, что подшипники выполнены в виде конических радиально-упорных подшипников, а привод вращения вала выполнен в виде ведомого шкива гибкой, например, клиноременной передачи.

3. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что крышка снабжена кольцевым выступом для размещения в кольцевом пазу, дополнительно выполненном на фланце корпуса.

4. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что днище корпуса выполнено с отверстием, в котором закреплена втулка с коническим отверстием для установки вала.

5. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что блок подшипников снабжен комбинированными сальниками представляющими собой графитовый шнур и металлорезиновые манжеты.

6. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что корпус выполнен из жаростойкой стали.

7. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, слой облицовки в виде графита выполнен из мелкозернистого графита с толщиной, составляющей половину толщины облицовки в виде футеровки.

8. Кристаллизатор по п.7, отличающийся тем, что слой футеровки выполнен из шамота толщиной 30 мм, а слой графита - толщиной 15 мм.

9. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что он снабжен средствами контроля температуры корпуса и температуры кристаллизуемого расплава.

10. Кристаллизатор по любому из п.п.1,2, отличающийся тем, что футеровка выполнена из легковесного термостойкого материала с удельной плотностью от

1,0 до 1,8 г/смЗ и коэффициентом теплопроводности от 0,14 до 0,72 Вт/мК, а второй слой выполнен с внутренним диаметром от 300 до 3000 мм и с высотой от футеровки днища до футеровки крышки от 50 мм до 1000 мм.

11. Кристаллизатор по п.10, отличающийся тем, что слой футеровки выполнен из керамики на основе волластонита.