Безперервне лиття, виробництво та машинобудування

Безперервне лиття (безперервне розливання металу) передбачає розливання розплаву безпосередньо з плавильної печі або ковша в водоохолоджуваний кристаллизатор, з якого затверділа виливок безперервно витягується за допомогою затравки і спеціального приводу. Плунепреривное лиття є тим різновидом способу, в якій через певні проміжки часу все механізми повертаються в початковий стан і процес повторюється.

Процес безперервного лиття здійснюється наступним обра-зом (рис. 1). Розплав з ковша 1 рівномірно і безперервно по-ступає в водоохолоджувальну металеву форму-кристалізується-тор 2. Подача перших порцій розплаву починається тоді, коли в випускний отвір кристаллизатора встановлена ​​поєднана з приводом запал, поперечний переріз якої повторює перетин виливка. Частково затверділа частина 3 виливки (злитка, прутка, заготовки прямокутного, квадратного перетину, труби, станини верстата і ін.) Непрерив-но витягується валками 4 або іншими пристроями, якщо потрібно, виливок розрізається на заготовки пилою 5.

Мал. 1. Схема установки для безперервного лиття (I -IV- температурні зони зливка).

1 - ківш; 2 - форма-кристалізатор; 3 - виливок; 4 - валки; 5 - пила.

Безперервне лиття зародилося в XIX в металургійній промисловості в епоху промислового освоєння виробництва сталі. Мета, яку ставили металурги при розробці цього процесу, полягала в отриманні литої заготовки такого перетину, яке дозволило б зменшити число проходів при її прокатці і зусилля прокатки, підвищити продуктивність. Однак ця проблема була вирішена тільки в другій половині XX ст. В даний час безперервне лиття широко використовується в металургійній промисловості для розливання сталі, кольорових металів і сплавів в злитки, отримання чавунних напірних труб, а також в машинобудуванні для отримання трубних заготовок і заготовок складного поперечного перерізу.

Особливості процесу формування безперервної виливки обумовлені тим, що в кристалізаторі в різних його зонах по висоті або довжині в кожен даний момент одночасно відбуваються всі послідовні стадії охолодження і затвердіння розплаву (див. Рис. 1.): I- кристаллизатор заповнюється розплавом; П - відведення теплоти перегріву; Ш - кристалізація; IV- охолодження виливки. Висока інтенсивність охолодження розплаву сприяє спрямованої його кристалізації, зменшення ліквационноє неоднорідності, неметалевих і газових включень, а безперервна подача розплаву в верхню частину кристалізується виливки - постійному харчуванню фронту зростаючих кристалів, усунення усадочнихдефектів (раковин, рихлоти, пористості). Таким чином, сутність процесу безперервного лиття полягає в можливості створення умов спрямований-ний кристалізації і харчування виливки.

Поряд із зазначеними особливостями формування виливки, що сприяють підвищенню якості металу, технічна ре-ализация процесу у виробництві показує наступні переваги цього способу лиття: можливість отримання виливки постійного поперечного перерізу, необмеженої довжини; збільшення виходу придатного шляхом зменшення витрати металу на прибутку і донні частини злитків; зменшення витрат на виготов-товление изложниц і ливарних форм; підвищення якості ме-Таллі, точності та поліпшення поверхні виливків; автоматизація процесу розливання розплаву, можливість створення безперервно діючих агрегатів для отримання злитків і подальшої їх прокатки в профілі або литих заготовок деталей машин і подальшої їх обробки аж до готового виробу; повне виключним видом-чення трудомістких операцій виготовлення ливарних форм, вибивання, обрубки, очищення виливків; усунення з ливарного цеху формо-вильно і стрижневих сумішей і пов'язане з цим істотне поліпшення умов праці і зменшення шкідливого впливу ливарного процесу на навколишнє середовище.

Таким чином, безперервне лиття - це прогресивний мате-ріало- і трудосберегающий технологічний процес, дозволяю-щий підвищити якість виливків, продуктивність і поліпшити умови праці при менших енерговитратах.

Однак безперервне лиття не дозволяє одержувати виливки складної конфігурації. Конфігурація виробу визначається віз-тю його безперервного вилучення з кристалізатора. Мабуть, розширення сфери застосування цього прогресив-ного процесу лиття для машинобудівних деталей пов'язано з необхідністю перегляду усталених конструктивних ре-шений тих чи інших деталей і вузлів машин, розробки таких конструкцій деталей, які могли б бути виготовлені цим способом.

Найважливішим технологічним параметром процесу безперервного лиття є інтенсивність охолодження розплаву, що визначає швидкість кристалізації виливка і відповідно її якість, а також продуктивність процесу. Збільшення швидкості кристалізації сприяє створенню усло-вий спрямованої кристалізації і підвищення якості литого металу, продуктивності установок.

Інтенсивність відводу теплоти від розплаву в кристалізаторі обмежена тим, що внаслідок усадки виливки між кристалом-зующей скоринкою металу і стінками кристалізатора образу-ється зазор, що знижує швидкість відводу теплоти. Для усунення цього явища на певній ділянці (по висоті) кристалів-затор роблять зі зворотним конусностью. Однак при недостатньо точному дотриманні температурних режимів лиття та швидкості витягування виливки зворотна конусность підвищує ймовірність обриву скоринки металу, появи в ній підривів і тріщин. Для підвищення інтенсивності охолодження виливки процес осу-ють так, що в короткому кристаллизаторе 1 формується тільки скоринка товщиною, достатньою для того, щоб при її вилученні з кристалізатора не утворилося надривів і тре-нок, а основна кількість теплоти відводять зануренням виливки в воду 2 в зоні вторинного охолодження (рис. 2, а). Таку схему процесу використовують для лиття алюмінієвих сплавів.

Мал. 2. Схеми лиття алюмінієвих зливків в кристалізаторі:

а - короткому; б - електромагнітному (ЕМК).

1 - кристалізатор; 2 - вода; 3 - індуктор; 4 - розплав.

Завдяки високій теплопровідності цих сплавів при по-навантаженого відливається зливка в воду швидкість кристалізації підвищується, і напрямок кристалізації наближається до осьових-му. Це сприяє підвищенню якості металу.

Таким способом виготовляють злитки різних розмірів з круглим, квадратним, прямокутним поперечним перерізом для подальшої прокатки або інших способів обробки тиском.

Однак перед прокаткою виробляють механічну обробку поверхні злитків для усунення неслітін, ліквационних напливів, що призводять до обра-тання дефектів в прокаті. Можна підвищити якість злитків, знизити трудо- ємність їх підготовки до прокатці, використовуючи спосіб лиття в електромагнітний кристалізатор (ЕМК). Сутність процесу полягає в тому, що формотворчим-вання в ЕМК відбувається завдяки впливу електромагнітних сил, що виникають при взаємодії вихрових струмів, наведених в pacплаве з магнітним полем високочастотного індуктора (рис. 2, б). Струм в кільцевому індукторі 3 створює магнітне поле напряженностью0. Вектор 0 на поверхні розплаву 4 має дві складові - аксіальну 0z і радіальну 0r. Складова 0z. взаємодіючи з струмом I2 в розплаві, створює радіально спрямовану силу f0r. Електромагнітна сила f0r здатна утримати розплав від розтікся-ня і надати йому в поперечному перерізі форму індуктора з розмірами, за-висять від інтенсивності магнітного поля, таким чином, роль кристалізується-тора виконує магнітне поле, яке утримує рідкий метал. Охолоджуюча вода з коробки 1 подається на поверхню розплаву так, щоб кордон рідкої і твердої зон злитка перебувала на рівні середини індуктора. Розподіл магнітного поля індуктора по висоті рідкої зони злитка впливає на форму і якість поверхні злитка. Для отримання необхідної конфігурації магніт-ного поля використовують екран 3 з немагнітного металу, також охолоджується водою. Швидкість вилучення злитка залежить від його розмірів, властивостей сплаву і інтенсивності охолодження. Відсутність контакту розплаву зі стінками кристал-лизатор, висока швидкість охолодження дозволяють поліпшити поверхню злитка, виключити нею механічна обробка перед прокаткою, підвищити ефективність виробництва.

При лиття сталей короткий кристаллизатор використовувати складно, так як теплопровідність сталей в 2,5 ... 3 рази менше, ніж алюмінієвих сплавів, в короткому (150 ... 300 мм) кристали-заторі не утворюється корочка достатньою для витягування товщини. Тому при литті стали застосовують довгі (1000 ... 1500 мм) кристалізатори, а виходить з останніх корочку охолоджують інтенсивним окропленням водою.

При лиття чавуну і мідних сплавів використовують сталеві водоохолоджувані кристалізатори, а також графито-ші. Довжину кристалізатора і швидкість витягування при лиття чавуну узгодять так, щоб не робити вторинного охолоджув-ня виливки для попередження отбела. При високій швидкості охолодження чавуну можливе утворення отбела. Однак благо-даруючи відведення значної кількості теплоти від внутрішніх шарів виливки через тонку зовнішню вибілену корочку, при виході виливки з кристалізатора цементит в цій скоринці розкладається - відбувається самоотжіг виливки. Таким чином, швидкість лиття, довжина кристалізатора, температурні режими лиття залежать від властивостей сплаву, з якого виготовляється виливок.