Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для непрерывного литья и деформации плоских заготовок

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при непрерывной разливке металла с одновременной его деформацией.

Известно устройство для непрерывного литья заготовок с вертикальным расположением кристаллизатора (патент RU №2041011, кл. B22D 11/04, 1995), которое включает подвижный составной кристаллизатор, крепящийся на двух приводных валах, содержащий первую пару стенок, на которых боковая поверхность выполнена в виде наклонного и вертикального участков, и вторую пару стенок, плотно прилегающих к первой паре стенок, на которых боковая поверхность выполнена вертикальной. Обе пары подвижных стенок ограничивают внутреннюю полость кристаллизатора и выполнены с возможностью возвратно-поступательного движения.

Недостатком известного устройства является несогласованное движение подвижных стенок кристаллизатора, которое приводит к снижению эффективности работы устройства.

Известен способ получения деформированных стальных заготовок из измельченных материалов и устройство для его осуществления (патент RU №2336144, кл. B22D 11/00, B22D 11/051. Бюл. №29, 2008), состоящее из обогреваемой разливочной емкости с отверстиями, перемещающейся решетки со щелями, механизмов перемещения решеток, емкости с измельченным материалом и дозатором в виде поворачивающихся заслонок, барабанов с лентами, кристаллизатора, ограниченного с одной парой вертикальных стенок и второй парой стенок с расширенным в верхней части участком с углом наклона к вертикали и вертикальным нижним участком с антипригарным покрытием на рабочей поверхности, двух эксцентриковых параллельных горизонтальных валов. Данный способ и устройство получения деформированных заготовок предполагает применение измельченных материалов, а не расплавов цветных металлов для получения металлоизделий, также данный способ получения деформированных заготовок является сложным и дорогостоящим в реализации.

Известно устройство для непрерывного литья и деформации металла (патент RU 2354493, кл. B22D 11/04. Бюл. №13, 2009), относящееся к устройствам горизонтального типа и включающее водоохлаждаемый кристаллизатор, состоящий из четырех частей: верхней и нижней стенок кристаллизатора, каждая из которых закреплена соответственно на верхнем и нижнем суппорте и приводится в движение парой приводных эксцентриковых валов, вращающихся навстречу друг другу в подшипниках, установленных в стенках станины, и двух боковых стенок, приводящихся в движение от двух пар приводных эксцентриковых валов и плотно прижимающихся к верхней и нижней стенкам нажимными устройствами, установленными в стенках станины через устройство, представляющее собой плоский подшипник с шариками. Верхняя стенка и суппорт, на котором она закреплена, имеют отверстия для установки разливочного стакана.

Недостатком данного устройства является низкая производительность и невозможность получения металлоизделий с мелкозернистой структурой сразу после завершения процесса формообразования.

Известно устройство для непрерывного литья и деформации плоских заготовок (патент RU №2617074, кл. B22D 11/00. Бюл. №11, 2017), включающее подвижный составной кристаллизатор, содержащий подвижный боек и подвижный боек с закрепленными на них элементами системы охлаждения и профилирования, делящие кристаллизатор на зоны кристаллизации, обжатия, интенсивной пластической деформации и калибровки. На бойке торцевая поверхность выполнена вертикальной, а на бойке торцевая поверхность состоит из наклонного участка и вертикального участка. Две боковые щеки также являются частями составного кристаллизатора. Подвижные бойки и боковые щеки соединены с приводными валами с эксцентриковыми втулками.

Недостатком данного устройства является преждевременная кристаллизация расплава в кристаллизаторе и как следствие нарушение непрерывности процесса литья и деформации расплава, недостаточная проработка материала при реализации работы устройства и как следствие недостаточно измельченная структура в готовых металлоизделиях.

Известно устройство для непрерывного литья заготовок с вертикальным расположением кристаллизатора (патент RU №2463126, кл. B22D 11/00. Бюл. №28, 2012) и принято за прототип. Устройство включает подвижный составной кристаллизатор, крепящийся на четырех приводных валах, содержащий два бойка, на первом из которых торцевая поверхность выполнена вертикальной, а на втором - в виде наклонного и вертикального участков, и пару боковых вертикальных стенок, плотно прилегающих к бойкам и выполненных с возможностью возвратно-поступательного движения от приводных валов через эксцентриковые втулки.

Недостатком известного устройства является преждевременное захолаживание расплава в кристаллизаторе, приводящее к поломке устройства, а также преждевременное проскальзывание, т.е. проскальзывание прежде, чем завершится процесс деформирования и образования требуемой структуры, формирующейся заготовки при ее обжатии участками торцевых поверхностей бойков в сторону выхода заготовки. Эти недостатки снижают производительность устройства и степень деформирования заготовки. Кроме того, преждевременное проскальзывание заготовки приводит к перемещению твердой заготовки ниже требуемого уровня, где происходит деформирование в кристаллизаторе, что снижает эффективность использования устройства.

Задачей заявляемого изобретения является повышение механических свойств получаемых металлоизделий, а именно, прочности на разрыв и пластичности, повышение эффективности использования заявляемого устройства.

Технический результат заключается в предупреждении преждевременного захолаживания расплава в кристаллизаторе и снижении проскальзывания заготовки в направлении ее хода, а также в повышении механических свойств заготовки.

Заявляемое устройство характеризуется совокупностью следующих существенных признаков:

Признаки прототипа:

- устройство для непрерывного литья и деформации плоских заготовок включает - подвижный составной кристаллизатор, установленный на приводных валах, содержащий две пары стенок,

- у первой пары стенок-бойков торцевая поверхность является рабочей, причем у первого бойка она выполнена вертикальной, а у второго бойка рабочая поверхность выполнена в виде наклонного и вертикального участков,

- боек с вертикальной торцевой поверхностью является неподвижным, но установлен на приводных валах с цилиндрической втулкой

- у второй пары стенок рабочая поверхность выполнена вертикальной и плотно прилегает к первой паре стенок под углом 90° к рабочей поверхности первой пары стенок, образуя в кристаллизаторе полость, ограниченную рабочими поверхностями обеих пар стенок.

Отличительные (от прототипа) признаки заявляемого устройства:

- неподвижный боек с вертикальной поверхностью не имеет системы охлаждения,

- эксцентриковые и цилиндрический втулки на приводных валах установлены согласованно друг с другом с возможностью возвратно-поступательного движения от приводных валов через эксцентриковые втулки, причем подвижный боек совершает вращательное движение на эксцентриковых приводных валах навстречу неподвижному бойку, а вертикальные стенки выполнены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, обеспечивая два цикла деформирования заготовки.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом устройстве имеется подвижный составной кристаллизатор, крепящийся на приводных валах, который содержит два бойка. На первом бойке, установленном на приводных валах с цилиндрической втулкой, торцевая поверхность выполнена вертикальной, а на втором бойке, установленном на приводном валу с эксцентриковой втулкой, торцевая поверхность выполнена в виде наклонного и вертикального участков, установленных на приводных валах с эксцентриковыми втулками пару боковых стенок, выполнены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Благодаря тому, что бойки установлены на четырех приводных валах с возможностью вращения в противоположных направлениях, движение бойков и вертикальных стенок становится согласованным, а отсутствие системы охлаждения в неподвижном бойке с вертикальной торцевой поверхностью предупреждает преждевременное захолаживание расплава в кристаллизаторе. Деформирование заготовки производится путем обжатия заготовки одновременно с ее кристаллизацией и последующим этапом интенсивной пластической деформации за два деформирующих цикла, обеспечиваемых согласованным движением бойка и вертикальных стенок.

Во внутреннем объеме кристаллизатора реализуется процесс объемной кристаллизации с одновременным деформированием металла. При движении второго бойка, совершающего движение на эксцентриковых приводных валах навстречу неподвижному бойку, происходит обжатие и деформирование объемно кристаллизующегося расплава. В момент максимального сближения бойков на металл оказывается деформационное воздействие, в результате которого металл, деформируясь, воздействует на вертикальную пару стенок, которые в этот момент времени движутся вверх. После завершения этапа обжатия обжимной боек двигается вниз, удаляясь от неподвижного бойка. В результате сил трения заготовка удерживается вертикальными стенками и поднимается вверх на 0,5 шага, проскальзывая вверх вдоль вертикальной торцевой поверхности неподвижного бойка, причем боек с вертикальной торцевой поверхностью контактирует с заготовкой, но не охлаждает ее, так как в бойке нет системы охлаждения. Величина одного шага равна 2е, где е - эксцентриситет валов. При поднятии заготовки вверх вертикальными стенками в момент контакта с затвердевающим расплавом, заготовка, прежде чем продвинуться вниз, в момент контакта с жидкой фазой затвердевающего металла во внутреннем объеме кристаллизатора, получает дополнительное тепло, достаточное для поддержания температуры заготовки, при которой возможно ее горячее пластическое деформирование. По мере дальнейшего поворота приводных валов с эксцентриковыми втулками, вертикальные стенки начинают движение вниз, удерживая заготовку благодаря трению между поверхностью заготовки и поверхностью вертикальных стенок, и продвигают заготовку вниз на 1 шаг. В момент последующего цикла сближения подвижного бойка с неподвижным бойком область заготовки, которая получила дополнительное тепло и имеет температуру, при которой возможно осуществление пластического деформирования, причем она не охлаждается при контакте с неподвижным бойком из-за отсутствия в нем системы охлаждения, находится между вертикальными поверхностями бойков и претерпевает повторное пластическое деформирование в момент сближения подвижного бойка с неподвижным. Повторное пластическое деформирование приводит к измельчению зерен, возникновению большого количества дислокаций, а именно, к формированию тонкой дислокационной структуры, а также к сплющиванию и вытягиванию зерен в направлении действия деформирующей силы, что приводит к повышению прочности на разрыв и пластичности по всему объему заготовки.

Вышеописанное согласованное движение бойка и вертикальных стенок обеспечивается вращением приводных и эксцентриковых валов в противоположном направлении навстречу друг другу, причем валы, имеющие эксцентриковые втулки обладают одинаковыми эксцентриситетами.

Поверхность вертикальных стенок имеет достаточную зону контакта с заготовкой на этапе ее обжатия и этапе пластического деформирования, и полностью исключает преждевременное проскальзывание заготовки в сторону ее выхода. Это приводит к увеличению производительности устройства и повышению механических характеристик у получаемых заготовок.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен вид устройства сверху, на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 изображена схема движения стенок кристаллизатора.

Устройство для непрерывного литья и деформации плоских заготовок включает подвижный составной кристаллизатор, содержащий неподвижный боек 1 без системы охлаждения и подвижный боек 2 имеющий систему охлаждения, которые не указаны на фигурах 1, 2 и 3. Внутренний объем кристаллизатора имеет зоны кристаллизации, обжатия, интенсивной пластической деформации и калибровки. На бойке 1 торцевая поверхность 3 выполнена вертикальной, а на бойке 2 торцевая поверхность 4 состоит из наклонного участка 5 и вертикального участка 6. Две боковые стенки 7 также являются частями составного кристаллизатора. Бойки 1, 2 и боковые стенки 7 соединены с приводными валами 8 эксцентриковыми втулками 9 и цилиндрическими втулками 14. Неподвижные опорные плиты 10 через плоские подшипники 11 качения нажимными винтами 12 прижимают стенки 7 к боковым поверхностям бойков, обеспечивая герметичность стыков между составляющими кристаллизатора при действии распорных усилий деформируемого металла. Стойки станины крепятся к фундаменту болтами и жестко фиксируются относительно друг друга боковыми стенками станины 13.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Перед заливкой в кристаллизатор расплавленного металла в его калибрующей части устанавливается «затравка», например асбестовый шнур, которая не позволяет вытекать жидкому металлу. Далее, из промежуточного разливочного ковша жидкий металл заливается в кристаллизатор. Пространство кристаллизатора ограничено, с одной стороны неподвижным бойком 1 и подвижным бойком 2, с другой стороны боковыми стенками 7 с передней и задней стороны кристаллизатора. После заливки жидкого металла включается привод установки, при этом происходит вращение валов 8 с эксцентриками 9 и цилиндрическими втулками 14, а, следовательно, и подвижного бойка 2 навстречу неподвижному бойку 1 на величину равную значению эксцентрика втулки 9. Одновременно с включением привода установки осуществляется непрерывная подача жидкого металла в кристаллизатор для обеспечения непрерывного процесса работы устройства.

При этом движение подвижных частей кристаллизатора организовано таким образом, что торцевая поверхность 4 бойка, осуществляет циклический захват, обжатие-деформирование металла с последующим его пластическим деформированием поверхностями 6 и 3 после кристаллизации и исключает преждевременное проскальзывание заготовки вниз, так как, на торцевых стенках 7 при обжатии заготовки поверхностями 6 и 3 создаются такие значения сил трения, которые полностью исключают преждевременное проскальзывание заготовки в направлении ее выхода. Одновременно с бойками 1 и 2 работают боковые стенки 7, которые движутся вверх-вниз вдоль оси разливки металла, и обеспечивают продвижение заготовки вдоль оси разливки в направлении выхода заготовки (вниз) и в противоположном направлении (вверх), когда боек 2 разведен. Такая кинематика подвижных частей кристаллизатора обеспечивает деформацию закристаллизовавшегося металла и выход готового металлоизделия вниз. Для обеспечения герметичности стыков между составляющими кристаллизатора при действии распорных усилий деформируемого металла используются неподвижные опорные плиты 10, которые через плоские подшипники 11 качения нажимными винтами 12 прижимают стенки 7 к боковым поверхностям бойков 1 и 2. Для жесткого крепления устройства к фундаменту используются стойки станины 13, которые крепятся к фундаменту болтами и жестко фиксируются относительно друг друга боковыми стенками станины 13.

На фиг. 3 представлена схема движения бойка 2 и стенок 7 кристаллизатора. При движении приводных валов 8 с эксцентриковыми втулками 9 из положения I в положение II боек 2 начинает движение навстречу бойку 1 и в точке II находится в максимально сведенном состоянии и тем самым совершает деформирующее воздействие на заготовку. При движении приводных валов с эксцентриковыми втулками из положения I в положение II стенки 7 двигаются вверх и проскальзывают вдоль поверхности заготовки. В точке II боек 2 максимально деформируют заготовку (положение а) и металл упирается в стенки 7.

Стенки 7 удерживают заготовку под действием сил трения между поверхностью заготовки и поверхностью стенки 7. При переходе приводных валов из положения II в положение III боек 2, двигаясь вниз, отходит в противоположную сторону от бойка 1, а стенки 7, удерживая заготовку, поднимают ее вверх на 0,5 шага. При повороте валов из положения III в положение I боек 2 в разведенном состоянии поднимается вверх (в положении 6 боек максимально разведен), а стенки 7, удерживая заготовку, продвигают ее вниз на 1 шаг. В итоге из кристаллизатора выходит заготовка длинной 0,5 шага, а вторая часть заготовки длинной 0,5 шага повторно деформируется бойком 2.