24.03.2018

Охлаждающие среды


Вода

Наиболее доступными охлаждающими средами являются воздух и вода, которыми охлаждается кристаллизатор или отливаемый слиток. В 1848 г. Бессемер применил охлаждение водой полосы, прокатываемой из жидкого металла, а в 1840 г. Селлерс применил кристаллизатор, охлаждаемый циркулирующей водой. Водяной пар также относится к используемым на практике охлаждающим средам. Предлагались также и другие среды.

В 1942 г. фирма Aluminium Company of America нашла, что достаточно охлаждать кристаллизатори алюминиевый слиток обрызгиванием водой при пониженном давлении (например, 0,035—0,28 кг/см2). Структура при этом получается равномернее, чем при использовании воды под высоким давлением (например, 3—3,5 кг/см2), что особенно заметно у слитков большого поперечного сечения, например свыше 1300 см2.
На рис. 627 показано рекомендуемое для этого устройство. Большая часть кристаллизатора окружена обрызгивающей камерой, имеющей на внутренней стенке отверстия на расстоянии 13—25 мм. Камера простирается до низа кристаллизатора и обрызгивает также отливаемый слиток.

Распыленная вода

В 1935 г. фирма August Thyssen-Hutte AG установила, что, используя при непрерывном литье стали расширяющийся книзу конический кристаллизатор, нельзя получить высокую производительность, так как слиток нужно вытягивать очень медленно, чтобы устранить возникновение на нем глубоких продольных трещин. Причина этого заключается в том, что замедляется охлаждение из-за отставания слитка от стенок кристаллизатора. Исходя из этого предложили охлаждать слиток в кристаллизаторе до образования прочной затвердевающей поверхностной корочки вокруг жидкой сердцевины и отделения ее от стенок кристаллизатора вследствие усадки, а также осуществить более интенсивное охлаждение сильнодействующими охлаждающими средами (водяным туманом и т. п.). Вода, даже соприкасаясь с раскаленным слитком, образует пузыри пара, которые из-за своей плохой теплопроводности препятствуют быстрому охлаждению слитка; если вода подается в виде тумана, т. е. очень мелко раздробленной, то каждая капелька ее испаряется уже вблизи слитка, позволяя существенно усилить интенсивность охлаждения.
Для установления охлаждающего действия водяным туманом обдували стальной 5-т слиток при температуре 1100°. Водяной туман подавался через форсунку, работающую сжатым воздухом, под углом рассеивания 40°. Расход воды составил 3,4 л/мин при давлении воды 4 ата и давлении воздуха 5 ати. При этом удалось за 1 мин. охладить поверхность слитка, составляющую 200—400 см2, до черного цвета. Используя рассеивание воды без образования водяного «тумана», в течение нескольких минут при расходе воды 12,3 л/мин не получали никакого понижения температуры нагретого слитка.

Для охлаждения кристаллизатора были испытаны вода и жидкий металл с более низкой температурой плавления. Во время опытов из кристаллизатора вытягивали слитки диаметром 200—300 мм из спокойной мягкой мартеновской стали, после того как толщина затвердевшей, корочки равнялась 10—15% от диаметра слитка. При дальнейшем вторичном охлаждении и обжатии слитка валками трещины не возникали. Поэтому можно было допускать более высокие скорости вытягивания слитка.

В 1944 г. фирма Wieland-Werke AG также предлагала использовать для охлаждения слитка водяной туман.

В 1953 г. фирма Compagnie Francaise des Metaux предложила также подавать охлаждающую среду в распыленном состоянии. На рис. 628 показано устройство, предназначенное для этого, с двумя зонами непосредственного охлаждения. В зоне 1 две кольцевые распиливающие воду форсунки 3 и 4 разделены трубой 5, подающей сжатый воздух; в зоне 2 имеются только кольцевая форсунка 6, распыливающая воду, и труба 7, подающая сжатый воздух. Воду можно распыливать и без сжатого воздуха. Оказалось выгодным подавать водяной туман в зазор, образовавшийся при усадке между стенками кристаллизатора и слитком.

Данный способ, предложенный французской фирмой, позволяет получать медленное, хорошо контролируемое затвердевание при непрерывном литье алюминиевых пластин со скоростью вытягивания 10—15 мм/мин, из которых затем прокатываются полосы толщиной от 3 до 0,25 мм. При глубокой вытяжке эти полосы не дают отходов. Воздух подается под равномерным давлением от 2 до 3 кг/см2.

Для распыления воды предполагалось также применение пара. Так как капельки тумана окружены сухим паром, слиток хорошо виден.

Водные растворы

В 1937 г. Юнганс указал, что вместо воды в качестве охлаждающей жидкости можно применять водные коллоидные, щелочные и соляные растворы.

В 1941 г. фирма Vereinigtе Leichmetall-Werke GmbH нашла, что при непрерывном литье слитков больших сечений резкое охлаждение слитка в воде вызывает напряжения, которые могут привести к образованию трещин внутри слитка, и что эти напряжения можно устранить, если вместо воды применять жидкости с более слабым охлаждающим действием, например коллоидальные растворы и эмульсии.

Масло

Для охлаждения слитка до температуры отпуска фирма Wieland-Werke AG предлагала применять горячее масло.

Фирма J. S. Fries Sohn в 1943 г. в охлаждающем кожухе, описанном ранее, вводила в зазор, возникающий при усадке слитка, смазку, которая непосредственно охлаждала слиток, улучшала теплоотвод и устраняла «налипание» слитка на стенки кристаллизатора, облегчая его удаление из кристаллизатора. Смазку преимущественно подводили к участку, где слиток имел затвердевшую корочку, чтобы устранить слишком сильное ее испарение и выгорание. Для этой цели можно использовать устройства, показанные на рис. 629, 630 и 631. Смазка подводится по трубкам 1 к отверстиям 2, которые имеют канавки, перекрывающие весь периметр кристаллизатора.
Юнганс также использовал теплое масло для охлаждения кристаллизатора.

Расплавленные соли

В 1944 г. Фостер предложил изготовлять слитки непрерывным литьем в охлаждающую ванну, состоящую из расплавленных солей с низкой температурой плавления и высокой температурой кипения и поддерживаемую выше температуры плавления соли. Расплавленные соли должны охлаждаться. Применяются прежде всего NaNO3 и KNO3, а также дефинилы.

Расплавленные металлы

В 1933 г. Эльдред предусматривал применять для охлаждения расплавленный свинец или сплав Вуда.

Следует упомянуть также комбинированный способ центробежного и непрерывного литья, предложенный в 1895 г. Максимом, по которому стальная труба образовывалась в слое жидкого свинца; способ, который предложил Грене, использовавший для охлаждения кристаллизатора свинец; различные способы фирмы Kohleund Eisenforsching GmbH; способ охлаждения фирмы AG fur Unternehmungen der Eisenund Stahlindustrie, по которому сталь затвердевает в свинцовой ванне, а также способ фирмы Remington Arms Company для изготовления алюминиевых листов с охлаждением в расплавленном свинце.

В 1942 г. фирма J. S. Pries Sohn предложила для изготовления заготовок с равномерной кристаллической структурой осуществлять односторонний теплоотвод через охлаждающую среду, отводящую большое количество тепла (например, металлы с низкой температурой плавления) или через значительно переохлажденные жидкости; образование кристаллов должно происходить по возможности быстро. Однако замедленное затвердевание способствует при известных обстоятельствах повышению производительности установок для непрерывного литья.

В 1949 г. Паттерсон предложил применять при непрерывном литье сплавов с высокой температурой плавления, в особенности стали, охлаждающую среду, которая имеет высокую температуру кипения, чтобы при разливке не возникало пара. Кроме того, расплав должен иметь такую температуру, чтобы в слитке не мог возникнуть резкий перепад тепла и в случае необходимости слиток мог бы в дальнейшем обрабатываться в нагретом состоянии. В качестве такой охлаждающей среды применяют расплавленные соли, а также расплавленные металлы, для стали, например, — свинец и свинцовые сплавы.
Из-за отсутствия пара эти охлаждающие среды вызывают исключительно быстрое охлаждение при затвердевании слитка. Благодаря тому, что температура охлаждающей среды значительно выше температуры помещения, уменьшается величина напряжений, возникающих в слитке.

На рис. 632 показана установка, в которой слиток 1 при выходе из водоохлаждаемого кристаллизатора 2 охлаждается затем в расплаве из 67% хлористого калия и 33% поваренной соли, который находится в резервуаре 3; 4 — затравка, закрепленная на перемещающейся тележке 5. В начале литья солевая смесь подогревается до температуры 420° нагревательными элементами 6. От устройства, не показанного на рисунке, свежая порция охлаждающей среды постоянно направляется на слиток. Из-за постоянного отвода тепла от слитка охлаждающая среда нагревается до температуры, например, 720°. При этой температуре слитке быстро выравниваются внутренние напряжения. Если хотят устранить дальнейшее повышение температуры охлаждающегося слитка, то используют дополнительное охлаждение резервуара с солевым раствором водой.

Сжиженные газы

Недостатки воды, используемой в качестве охлаждающей среды (образование накипи, необходимость регулировки температуры, ограничение максимальной температуры при 110° и т. д.), можно устранить, использовав предложение, сделанное Юнгансом в 1941 г., применив сжиженные газы, например жидкую углекислоту, жидкий воздух или жидкий аммиак, для охлаждения слитка, выходящего из кристаллизатора. Температура охлаждающей среды при этом регулируется давлением, при котором должно происходить парообразование. Если, например, хотят получить температуру 30°, то при использовании аммиака устанавливают давление 5,49 ати, для 50°—давление 20 ати, а для 80° — 40,79 ати. Охлаждающие газы проникают до участка отделения слитка от кристаллизатора. При этом возможно отливать металлы, у которых при чрезмерно интенсивном охлаждении возникают напряжения и трещины. Этот процесс не оказывает вредного влияния на текстуру металла. Поверхность слитка получается гладкой, что облегчает уплотнение резервуара с охлаждающей средой. На рис. 633 показана установка, предназначенная для такого охлаждения.

В 1941 г. Юнганс предложил применять сжиженные газы также для охлаждения кристаллизатора. Сжиженный газ вводится в пространство между кристаллизатором и кожухом. И в этом случае температуру парообразования можно регулировать давлением.

В 1950 г. фирмы Mannesmannrohren-Werke AG и Huttenwerk Huckingen AG предложили способ непрерывного литья стали, по которому постоянно расширяющийся зазор между слитком и кристаллизатором заполняется газами с высокой теплопроводностью (водородом, гелием или азотом) или паром (например, водяным паром), который при распаде образует указанные газы. Целесообразнее вводить газ в зазор снизу и при низком давлении. Охлаждающее действие можно улучшить, вдувая гай с высокой скоростью тангенциально из канала во внутренней стенке кристаллизатора.
В 1950 г. фирма Gebr. Bohler Co AG предложила при непрерывном литье металлов с высокой температурой плавления, в особенности стали, заполнить зазор, образующийся между слитком и стенками кристаллизатора, водородом или другим газом с высокой теплопроводностью, благодаря чему при данной длине кристаллизатора можно повысить скорость литья на 20—100%.

В 1941 г. Юнганс рекомендовал отбирать тепло от кристаллизатора с помощью горячего газа путем многоступенчатого охлаждения.

Плавящиеся вещества

По предложению Юнганса, сделанному в 1950 г., при литье полуфабрикатов из тугоплавких металлов и сплавов, в особенности чугуна, кристаллизатор должен охлаждаться легкоплавкими веществами, например цинком или натриевой селитрой. В этом случае тепло поглощается плавящимися веществами без повышения температуры, отливаемого слитка, что позволяет получить высокую скорость кристаллизации слитка и избежать резкого охлаждения его периферийной зоны. На рис. 634 показано устройство для применения этого способа при полунепрерывном литье слитков. Кристаллизатор 1 изготовлен из медной грубы, окруженной рубашкой 2 из листовой меди, а также наружной рубашкой 3. Тепло от частично расплавленного, частично твердого цинка 4 постоянно отводится водой, циркулирующей в объеме 5.
Примерно такие же установки применяются фирмой Mannesmann (1950 г.) при полунепрерывном литье слитков из стали и других сплавов. В этом случае для охлаждения кристаллизующегося металла используют твердые соли, например жидкое стекло или шлаки, которые подвергаются местному расплавлению. При этом не происходит слишком резкого охлаждения металла, так как расплавленные шлаки обеспечивают очень хорошую теплопередачу.

Целесообразно применять материалы с высокой теплотой плавления и значительной усадкой при затвердевании, так как они легко отделяются от раскаленного слитка. Как показано на рис. 635, слиток, выходящий из кристаллизатора, проходит через сосуд 1, наполненный гранулированным доменным шлаком Под этим сосудом находится водоохлаждаемая камера 2, в которой происходит дальнейшее охлаждение отливаемого слитка. Вода, поступающая через кольцевую трубу 3, обеспечивает отделение шлака от слитка. При охлаждении стального слитка с 1400 до 1300° на каждую тонну металла требуется примерно 50—60 кг доменного шлака.

Твердые металлы

Чтобы предупредить образование столбчатых радиальных кристаллов, фирма Bohler Co при отливке, например, аустенитной хромоникелевой стали заливает расплавленный металл вокруг стержня (затравки) из того же материала при равномерной скорости его опускания в расплавленный металл. Сечение стержня принимается таким, чтобы происходило незначительное оплавление его поверхности. Целесообразно заправочные стержни располагать по оси кристаллизатора. Они должны занимать самое большее третью часть объема слитка. Оплавление поверхности стержня облегчается при наличии на ней окисленного слоя или окалины. Вместо цельных стержней в качестве «затравки» можно применять отдельные куски металла.

В связи с этим необходимо указать на метод непрерывного литья, разработанный фирмой Metall Carbides Corporation, который описан был ранее.

В 1950 г. на сталелитейном заводе фирмы Eisenwerk Gesellshaft Maximilignshiitte была рекомендована присадка мелких твердых кусков из отливаемого или подобного ему металла с целью понижения температуры расплава до температуры, незначительно превышающей точку плавления; присаживаемый металл одновременно служит в качестве центров кристаллизации затвердевающего металла.
В 1951 г. фирма Hiittenwerk Huckingen установила, что при литье слитков из железа или стали наиболее равномерное охлаждение происходит в том случае, если вводить в кристаллизатор металлический пруток. При этом пруток (стержень) полностью не расплавляется.

Дополнительное охлаждение головной части слитка посредством введения в отливаемый слиток прутков из того же металла было вновь применено в 1955 г. фирмой General EIecktrik. Метод, применяемый при литье бронзы, меди, железа, стали, нержавеющих сталей, алюминия, алюминиевых и никелевых сплавов, показан в трех различных вариантах на рис. 636—638.

По способу, представленному на рис. 636, стержень 2 подается роликами 3 через расплавленный металл в кристаллизатор 1. Область перехода металла из жидкого состояния в твердое находится в верхней части кристаллизатора, примыкая к его стенкам под тупым углом.

Конструкция устройства для непрерывного литья, показанная на рис. 637 и 638, позволяет производить удаление шлаков с поверхности расплавленного металла.





Яндекс.Метрика