28.03.2018

Вибрация разливочного устройства и расплавленного металла


Применение вибрации разливочного устройства или расплавленного металла предлагалось из различных соображений с целью улучшения структуры металла, удаления газов, снижения трения в кристаллизаторе и др.

В этом разделе не рассматривается предложенное многими изобретателями быстрое возвратно-поступательное движение кристаллизатора в продольном направлении или попеременное поворачивание его вокруг оси, а также радиальное вибрирование разъемных кристаллизаторов фирмы International Nickel Co.

Чтобы облегчить вытягивание заготовки и предотвратить ее разрыв из-за непрочности тонкой затвердевшей оболочки, образующейся при соприкосновении расплавленного металла со стенками охлаждаемого кристаллизатора или служащей кристаллизатором охлаждаемой изложницы, Персон в 1905 г. предложил при использовании связанного с печью кристаллизатора подвергать постукиванию, толчкам или ударам разливочный стакан, охлаждаемую изложницу или частично затвердевшую заготовку (либо некоторые из этих элементов).

Тибодье в своем методе непрерывного литья стали, предусматривающем применение кристаллизатора с футерованной поверхностью, в 1942 г. предлагал с целью дальнейшего улучшения скольжения сообщать кристаллизатору вибрацию в направлении, перпендикулярном скольжению, либо быстрые крутильные колебания малой амплитуды.

Следует указать на описанный ранее метод фирмы Kocks, согласно которому непрерывное литье стали производится через длинный конический кристаллизатор. Для борьбы с «прилипанием» металла к стенкам кристаллизатора, к чему склонна стальная заготовка, предусмотрено встряхивание кристаллизатора. Встряхивание нужно производить с большой частотой при малой амплитуде колебаний.
Встряхивание кристаллизатора предусматривается также в установке для непрерывного литья Дюпюи, показанной на рис. 1226. Здесь колебания создаются с помощью кулачкового валика 5. Такое же вспомогательное устройство имеется в установке фирмы Usines Ernest Tordoir, представленной на рис. 1410. Для облегчения вытягивания затвердевшего металла из кристаллизатора последний в процессе непрерывного литья подвергается встряхиванию под воздействием кулачкового валика 1.

Для уменьшения потерь энергии, связанных с передачей колебательного движения кристаллизатору, Пауль в 1936 г. предложил вызывать в кристаллизаторе собственные резонансные колебания. Собственные колебания можно возбуждать, например, посредством обработки кристаллизатора звуковыми волнами, особенно ультразвуком; они распространяются преимущественно в направлении, перпендикулярном стенкам кристаллизатора.

Телиховский в 1942 г. сконструировал машину для непрерывного литья с неразъемным многоручьевым кристаллизатором, в котором с целью предотвращения «прилипания» заготовки предусматривалась вибрация кристаллизатора в поперечном направлении. Эта машина имела также режущее делительное устройство, перемещающееся при резании вместе с заготовкой. На такой машине изобретатель намеревался вести одновременную отливку четырех заготовок.

Колебания высокой частоты при непрерывном литье стали с целью освобождения затвердевающей на заготовке корочки предусматривались также Пьенсом в 1944 г.

Джербер сообщал колебания высокой частоты кристаллизатору для литья стали или другого металла либо разливочному устройству, либо также и заливочному желобу или какому-нибудь другому подводящему металл каналу. Он также предусматривал одновременное колебание нескольких из этих элементов.

Вибрация снижает трение между металлом и заливочным каналом, а также между металлом и стенками кристаллизатора. Она уменьшает «прилипание» металла к стенкам и улучшает его внутреннюю структуру. Вибрация понижает точку затвердевания металла и препятствует преждевременному затвердеванию внешней корки на отливаемой заготовке.

На рис. 1411 представлен пример исполнения такого рода устройства. Металл через разливочный стакан 1 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 2, в который вмонтирован вибратор 3. Вибратор может устанавливаться также на участках, отмеченных цифрами 4—8. Применяемые частоты колебаний составляют несколько тысяч в секунду. Применяются также ультразвуковые частоты.

Колебания могут также сообщаться через вытягивающие валки. На рис. 1412 вибратор 1 передает заготовке продольные колебания через валки 2, в то время как поперечные колебания в заготовке вызываются пневматическим (вибро-) молотком 3.
Аналогичной является изображенная на рис. 1413 установка, предложенная в 1952 г. Вернье и предназначенная для непрерывного литья специальных сталей.

Здесь малоамплитудные колебания высокой частоты сообщаются стенкам кристаллизатора пневматическим вибратором 2 через тягу 1, а заготовке — вибратором 3, смонтированным на вытягивающих валках.

Применение вибрации кристаллизатора с целью облегчения вытягивания заготовки, улучшения качества поверхности, получения более мелкой и менее направленной первичной кристаллизации, а также уменьшения пористости предложено также де Си (1955 г.).

Фирма Deutsche Edelstahlwerke предложила подключать затвердевшую и охлажденную заготовку к источнику ультразвука. Вибратор таким образам не подвергается действию высокой температуры расплавленного металла. При полунепрерывном литье вибратор устанавливается на опускающемся днище изложницы. При непрерывном литье вибратор имеет кольцеобразную форму. Частота колебаний и количество подводимой энергии должно зависеть от возрастающей длины заготовки. Метод особенно применим для стали и сходных с ней сплавов.

При непрерывном литье магния по методу фирмы Dow Chemical Company предусматривается встряхивание ванны с жидким металлом с целью отделения пристающих к ее стенкам кристаллов металла. Встряхивание производится с помощью пневматического молотка.

Фирма Durener Metallwerke в 1942 г. указывала на попытку создания механических высокочастотных колебаний (ультразвук) ванны жидкого металла с целью его дегазирования или образования при затвердевании мелкозернистой структуры. Было предложено передавать колебания жидкой ванне с помощью колеблющихся пластин, в которых колебания, в свою очередь, вызываются вибрированием большого числа магнитных элементов.

Количество энергии, которое может быть передано таким методом, оказывается недостаточным при отливке крупных слитков. В связи с этим немецкая фирма предложила, особенно для литья лёгких сплавов, вызывать механические колебания в жидкой ванне при заполнении кристаллизатора посредством колеблющейся плиты, которая находится в постоянном контакте с поверхностью расплавленного металла. В этом методе обеспечивается передача колебаний вновь поступающим порциям жидкого металла, благодаря чему недостаточное количество передаваемой энергии может сказаться лишь после того, как процесс дегазации в значительной мере завершится. Это может также благоприятно повлиять на процесс затвердевания.

На рис. 1414 представлен кристаллизатор с газонепроницаемой вибрирующей плитой 1. С плитой соединен водоохлаждаемый корпус вибратора 2 с возбуждающей колебания катушкой 3 переменного тока.
Плита имеет выпуклую форму со стороны расплавленной части заготовки, благодаря чему поднимающиеся газы свободно отводятся вверх по заливочным каналам 4, которые подходят к кромкам вибрирующей плиты. Цифрой 5 обозначено подвижное днище кристаллизатора. В случае подачи жидкого металла через одно отверстие, расположенное по оси вибрирующей плиты, последняя выполняется вогнутой по отношению к жидкой ванне.

На рис. 1415 представлен кристаллизатор с вибрирующей плитой 1 и расположенным под ней вибрирующим кольцом 2. При такой исполнении воспринимаемая расплавленной ванной энергия может быть значительно увеличена. В плите и кольце предусмотрены каналы 3, служащие для обогрева устройства.

Фирма Vereinigte Deutsche Metallwerke в 1942 г. упоминала о встряхивании, которому подвергается расплавленный металл процессе заливки его в кристаллизатор, с целью предотвращения образования негладкой наружной поверхности заготовки. Такие встряхивающие колебания могут сообщаться например, кристаллизатору, заливочной воронке или другому элементу разливочного устройства, а также затвердевшей части заготовки.

Возможно также погружение вибратора в расплавленную часть заготовка или возбуждение колебаний путем пульсирующего вдувания инертного газа на поверхность расплавленной ванны. В результате металл плотно прилегает к поверхности стенок кристаллизатора, кроме того, создается эффективная защита против образования ликва ционных наплывов.

Фирма AEG в 1944 г. указывала на то, что непрерывное литье заготовок представляет возможность на протяжении всего процесса затвердевания создавать в расплавленном металле различные по частоте колебания от отдельных встряхиваний до звуковых и сверхзвуковых частот. Количество жидкого металла, участвующего в таком процессе,, если только оно не очень мало, остается неизменным на протяжении всего процесса литья. Газовые пузыри и засоры при этом легко выходят на поверхность.

Несмотря на интенсивное действие, количество подводимой энергии для поддержания колебаний относительно невелико. Деталь, передающая колебания расплавленной массе металла, должна быть выполнена, из материала, стойкого против разрушающего действия жидкого металла. При выполнении кристаллизатора в виде охлаждаемого кольца оно может служить возбудителем колебаний.

При некоторых обстоятельствах может оказаться целесообразным вызывать колебания в расплавленной массе металла путем электродинамических сил, создаваемых в самой массе. Такой метод особенно выгоден при непрерывном литье алюминия, цинка и их сплавов.

Фирма Dow Chemical Company при непрерывном литье магниевых сплавов, например с содержанием от 3 до 10% Al, для получения заготовки со свободной от наслоений, морщин и тому подобных дефектов поверхностью, а также с тонким ликвационным слоем вблизи нее вызывала на поверхности жидкой ванны волны малой амплитуды
Волны создавались, например, вертикально вибрировавшими пластинами, опущенными в кристаллизатор, как это показано на рис. 1416 и 1417.

Аналогичным образом фирма Aktiebolaget Svenska Metallwerke (1943 г.) создает в жидкой ванне колебания звуковой или сверхзвуковой частоты, используя для этого погруженный в жидкий металл вибратор в форме кольца или диска, соединенный с виброгенератором. На рис. 1418 и 1419 представлено это устройство в двух различных исполнениях. Цифрами 1 и 2 обозначены вибраторы, цифрой 3 — виброгенератор. Устройства предназначены главным образом для дегазирования и получения металла с мелкозернистой структурой.

В 1943 г. фирма Deutsche Edelstahlwerke AG предложила при непрерывном литье стали через водоохлаждаемый кольцеобразный кристаллизатор применять с целью дегазирования ванны погруженный в жидкую часть заготовки охлаждаемый вибратор, соединенный с источником ультразвуковых колебаний.

Фирма Alcoa в 1945 г. с целью сокращения количества неслитин на поверхности заготовок из легкоокисляющихся металлов (алюминия, магния и их сплавов) предложила вызывать на поверхности расплавленной части заготовки вибрационные волны, расходящиеся от середины к стенкам кристаллизатора. Для этого, согласно рис. 1420, используется кольцо 1, погруженное в расплавленную часть заготовки. Кольцо 1 через систему деталей и пружину 3 упруго закреплено в раме 4 и с помощью кулачкового валика 2 получает колебательное движение в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Деталь 5 имеет вертикальную зубчатую рейку, с помощью которой кольцо (оно может иметь и квадратное сечение, соответственно форме разливаемой заготовки) погружается в расплавленный металл в начале литья. Окислы сосредоточиваются преимущественно на ограниченном кольцом участке поверхности расплавленной ванны, откуда они периодически снимаются. При отливке прутков диаметром 30 мм из алюминиевого сплава эффективной оказалась частота 5 колебаний в секунду.

Наружная поверхность была свободна от неслитин.
Другая форма исполнения такого устройства представлена нa рис. 1421 и 1422. Кольцо 1, подвешенное к поворотной цапфе 3, получает колебательное движение в горизонтальной плоскости от экецектрика 2 через цапфу 5, скользящую в кулисе 4.

Фирма Schoeler-Bleckmann Stahlwerke AG в 1951 г. при непрерывном литье алюминия с установленным над расплавленной паяной вибрирующим кожухом обнаружила, что количество энергии, которое может быть передано от ультразвуковых вибраторов, оказывалось достаточным для измельчения зерна, дегазации и усреднения структуры металла. При непрерывном литье стали, вследствие характерной для нее большей глубины конуса затвердевания, требовалось направлять ультразвуковое излучение вибраторов в определенном направлении с тем, чтобы их действие главным образом за счет отражения от граничной поверхности между затвердевшим и жидким металлом, могло достигнуть вершины конуса затвердевания, как показано на рис. 1423.

К наружной стенке кристаллизатора толщиной примерно 4 мм через клинообразные прокладки 2 из алюминия или пластмассы, например плексигласа, жестко крепится восемь звуковых вибраторов 1 (например, пьезоэлектрических, кварцевых или магнитных). Одним полюсом вибраторы соединены с высокочастотным виброгенератором, в то время как вторым полюсом через охлаждающую воду они замкнуты на корпус кристаллизатора. Вибраторы непосредственно омываются охлаждающей водой, что обеспечивает поддержание благоприятного для их работы температурного режима. Могут применяться волны как слышимых, так и неслышимых частот.

Продукция, полученная на этой установке, характеризуется чрезвычайной мелкозернистостью и плотностью структуры по всему сечению. Кроме того, Достигается более быстрое затвердевание литой заготовки.

Фирма Durener Metallwerke с целью дегазации расплавленных металлов, особенно легких, предложила подвергать расплавленную массу металла высокочастотным колебаниям (звуковым или ультразвуковым) в тот момент, когда металл течет из разливочного желоба в кристаллизатор, поскольку при этом он имеет наименьшее поперечное сечение.

Если, кроме дегазации металла, ставится также цель получить заготовки с мелкозернистой структурой или воспрепятствовать ликвации, целесообразно подвергнуть колебаниям затвердевающий металл в кристаллизаторе.

Фирма Atlas-Werke в 1940 г. поставила перед собой задачу создать устройство для звуковой обработки расплавленного металла, не препятствующее протеканию производственного процесса. Фирма рекомендовала использовать промежуточный желоб, установив под ним или по бокам его звукопередатчики, преимущественна ультразвуковые. Промежуточный желоб должен быть либо открытым сверху, либо соединяться с пространством для отвода летучих составляющих из расплава. Отделение газов при этом облегчается вследствие движения металла.

Зееман и Менцель в 1947 г. опубликовали результаты исследований о влиянии встряхивающих движений на процесс непрерывного литья. Диапазон частот, используемых для встряхиваний, распространяется от низких частот, создаваемых механическими или магнитными устройствами, до ультразвуковых, получаемых магнитными способами.

С целью проведения опытов в полупромышленном масштабе авторы использовали находящуюся в эксплуатации устарелую установку для непрерывного литья круглых слитков диаметром 290 мм.

Установка представляет собой опускающуюся изложницу с водоохлаждаемой рубашкой. Изложница после предварительного подъема в верхнее положение опускается в шахту по мере заливки жидким металлом, верхний уровень которого остается на неизменной высоте.

Такой метод уступает методу непрерывного литья, однако исследователи считали, что в этом случае более наглядно показана эффективность виброобработки. Озвучивание производилось четырьмя погруженными в металл магнитными вибраторами, подвешенными таким образом, что излучающие колебания концы пучка вибрирующих стержней во все время литья оставались под зеркалом расплавленного металла. При непрерывном литье слитков из Al-Cu-Mg сплавов передаваемая энергия колебаний составляла около 2 вт на каждый квадратный сантиметр сечения слитка. Макроснимки структуры металла из отлитых слитков характеризовались равномерной мелкозернистой структурой без заметных раковин. Микроструктура улучшалась при введении озвучивания. Эвтектическая составляющая слитков, подвергавшихся озвучиванию, была в большинстве случаев значительно мельче, чем у неозвученных слитков.

Вследствие более мелкозернистой структуры слитков, отлитых с озвучиванием, прочность на разрыв поперечных образцов, взятых от этих слитков, была на 3 кг/мм2 выше, чем неозвученных.

Для вибрации расплавленного металла с целью его дегазации можно применять устройство, предложенное фирмой Siemens Halske в 1954 г., в котором механические колебания передаются гидравлическим путем на гидропривод подъемно-качающегося или другого подобного механизма, связанного с промежуточным ковшом для расплавленного металла. Подобная установка представлена на рис. 1424 (в разрезе) и на рис. 1425 (вид снизу).

Гидравлический цилиндр механизма качания печи обозначен цифрой 1. Цифрой 2 обозначен подводящий трубопровод гидропривода и цифрой 3 — поршень. Цифрой 4 обозначены виброгенераторы, которые могут быть кристаллического, магнитно-звукового или механического типа. Вибраторы 4 через мембрану 5 и рабочую жидкость действуют на гидропривод.

Согласно работам, проведенным фирмой Vereinigte Leichtmetall-Werke в 1951 г., применение высокочастотных звуковых колебаний расплавленного металла с целью дегазации, удаления посторонних включений и получения мелкозернистой структуры связано с рядом недостатков. Так, когда в колебаниях участвует и сосуд, в котором находится жидкий металл, расход звуковой энергии становится очень большим.
В случае, когда используется погруженный вибратор, последний должен выдерживать разрушающее действие расплавленного металла. Распределение температуры в расплавленном металле может нарушиться, а озвучиванию не всегда может быть подвергнуто как раз то место, которое главным образом в этом нуждается. Указывается, например, что при непрерывном литье легких металлов в конце разливочного желоба образуется нарост металла, начинающего затвердевать. Это затвердевание может оказать существенное влияние на направленность роста и величину образующихся кристаллов.

В связи с этим фирма Vereinigte Leichtmetall-Werke предложила подвергать колебаниям те элементы литейного устройства, которые по своему основному назначению погружены в расплавленную ванну. Такими элементами могут быть разливочный желоб или расположенное под ним распределительное устройство. Колебания могут вызываться магнитными или пьезоэлектрическими звукопередатчиками. Лучшим является применение ультразвука.

Могут также применяться приглушенные звуковые колебания, вызываемые ударами пневматического молотка с. твердым бойком по стальной полосе, связанной с разливочным желобом или распределителем.

Следует упомянуть метод дегазации фирмы Siemens Halske, который вполне может быть применён при непрерывном литье. По этому методу расплавленный металл вначале с помощью электрического тока подвергается перемешиванию, затем производится дегазация его за счет одновременного действия высокой частоты и звуковых волн.

Дегазация ультразвуком может производиться, например, с помощью желоба, закрепленного только одним концом я используемого в качестве передатчика ультразвуковых волн.

На рис. 1426 представлено соответствующее устройство.

Цифрой 1 обозначена покрытая огнеупорным материалом заливочная воронка, с которой соединена стальная труба 2, опущенная своим свободным концом в расплавленную ванну металла. Трубу охватывает катушка 3, соединенная с не показанным на рисунке источником колебаний высокой частоты.

Закрепленная только одним концом стальная труба получает продольные колебания и выполняет одновременно роль магнитного передатчика ультразвуковых волн расплавленному металлу.

Установки, представленные на рис. 1427 и 1428, могут с успехом применяться для ультразвуковой обработки металла с высокой точкой плавления. На первом из рисунков расплавленный металл проходит через тигель 1, который выполнен из корунда или графито-шамота. Цифрой 2 обозначена высокочастотная катушка, получающая одновременно питание от источника высокой частоты 3 и источника постоянного тока 4. Расплавленный металл, находящийся в тигле 1, получает интенсивные колебания и освобождается от газовых пузырей. В схеме, приведенной на рис. 1428, взамен тигля 1 применен желоб 5.

Зееман указал на недостатки, выявляющиеся при использовании в непрерывном литье металла некоторых приспособлений с звуковыми датчиками. Если звуковой датчик крепится к нижнему концу отливаемой заготовки, интенсивность его действия убывает с увеличением длины заготовки и дo незатвердевшей массы металла достигает лишь небольшое количество энергии. Это же относится и к кольцевым звуковым датчикам, расположенным под кристаллизатором. Установленные сверху вибраторы мешают подводу жидкого металла и выходу газов.

Попытка использовать сами стенки кристаллизатора в качестве излучателя звука и установить с наружной стороны кристаллизатора вибраторы едва ли может быть успешно осуществлена вследствие недостаточной термостойкости ультразвуковых вибраторов.

В связи с этим Зееман предложил использовать слой охлаждающей жидкости на внутренних стенках кристаллизатора для передачи звуковых колебаний. Он предложил поместить вибраторы в охлаждающую жидкость, где они будут хорошо охлаждаться и излучать звуковые колебания в радиальных направлениях через охладитель и стенки кристаллизатора в расплавленную ванну металла. В ванне колебания могут быть отражены опущенным в расплавленный металл рефлектором и направлены к границе затвердевания. На рис. 1429 представлен кристаллизатор для круглых прутков.

Между отклоняющей охлаждающую воду стенкой 1 и наружной стенкой кристаллизатора 2 вставлена водонепроницаемая цилиндрическая рубашка 3, толщина которой равна или кратна длине полуволны.
Эта рубашка таким образом охлаждается изнутри и охлаждает плотно опоясывающее ее звукогенерирующее кольцо 4. Распределитель 5 литейного устройства имеет заостряющуюся книзу коническую форму и не настроен в резонанс с применяемой частотой, благодаря чему отражает основную долю звуковой энергии вниз.

Амплитуда звуковых колебаний может регулироваться автоматически.

В связи с этим следует отметить предложение Зеемана, сделанное совместно с Штаатсом в 1952 г., которое может быть использовано при непрерывном литье.

При ультразвуковой обработке расплавленной массы в разливочном желобе изобретатели применили вибратор, размещенный в стенке желоба. Вибратор охлаждается. Звук, таким образом, распространяется через зону затвердевания в Зону расплавленного металла по твердому проводнику.

Для' полноты следует упомянуть о методе Бауса, предназначенном главным образом для литья листового стекла, пригодном, однако, по мнению изобретателя, и для литья таких металлов, которые не пристают к стенкам, с которыми они взаимодействуют. Получая предварительное формирование, например с помощью пары валков, затвердевающий лист подается на вибрирующий наклонный стол. Наклон стола и характер его вибраций (размах колебаний равен сотым долям миллиметра) подобраны так, чтобы скорость движения стола вниз превосходила скорость, движения листа. Благодаря этому движение вниз будет сопровождаться засосом воздуха в пространство между листом и столом.

В результате лист охлаждается, перемещаясь по попеременно сжимающейся и расширяющейся воздушной прослойке.





Яндекс.Метрика