Устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка
Полезная модель относится к литейному производству, в частности к непрерывному литью металлов и конкретно к устройствам для управления кристаллизацией путем обработки непрерывнолитого слитка с помощью электрических и магнитных полей в зонах вторичного охлаждения и затвердевания машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Полезная модель позволяет повысить качество непрерывнолитой заготовки за счет увеличения эффективности объемного кондуктивного электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка, согласованного со скоростью разливки, условиями охлаждения и обжатия слитка. Устройство снабжено источниками импульсного постоянного тока, подключенными через четыре регулятора тока с микропроцессорной системой управления (МПСУ) к двум верхним и двум нижним роликовым электродам, установленным напротив друг друга со стороны длинных стенок кристаллизатора между тянущими роликами и постоянными магнитами. Вход МПСУ соединен с блоком задания переключения тока и блоком согласования, подключенным к датчику скорости разливки на разливочном стакане. Выходы из МПСУ соединены с блоками управления электроприводов тянущих роликов, с регуляторами расхода охладителя на распылительных форсунках, с регуляторами обжатия на электроприводах обжимающих роликов и с управляющими входами всех регуляторов тока. 1 ил.
Полезная модель относится к литейному производству, в частности к непрерывному литью металлов и конкретно к устройствам для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка с помощью электрических и магнитных полей в зонах вторичного охлаждения и затвердевания машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Известно устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка, содержащее вертикально ориентированные и сообщающиеся между собой разливочный стакан и кристаллизатор, несколько поддерживающих и тянущих роликов, которые вертикально и последовательно установлены на выходе из кристаллизатора с горизонтальным смещением вдоль его стенок и снабжены электроприводами с блоком управления. Кроме того, устройство содержит постоянные магниты, которые расположены напротив друг друга со встречной полярностью между тянущими роликами со стороны длинных стенок кристаллизатора, установленные с чередующейся от ролика к ролику полярностью, источники постоянного тока подключены через токоподводы к соседним тянущим роликам (см. заявку Японии №55-18424, МПК8 B22D 11/10, 27/02, опубл. 19.05.1980).
Известное устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка реализует кондуктивное перемешивание металла жидкой фазы сляба за счет электромагнитных сил, которые возникают при наложении на вытягиваемый слиток в зоне вторичного охлаждения постоянного магнитного поля от стационарно расположенных магнитов при одновременном пропускании через расплав постоянного электрического тока. Однако такое устройство имеет относительно низкий
к.п.д., составляющий 0,05-0,5% (см. Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. - М.: Металлургия, 1991. - С.139-142), вследствие того, что жидкая сталь немагнитна. При этом полюса магнитов устанавливаются на значительном расстоянии от перемешиваемого металла вокруг слитка, с использованием дополнительных узлов из немагнитной стали. Это требует применения высоких значений силы тока (более 7 кА), пропускаемого через жидкую сердцевину слитка с помощью тянущих роликов. Поэтому в известном устройстве существует проблема, связанная с подводом электрического тока необходимой мощности к поверхности слитка и пропусканием тока через его жидкую сердцевину. При подводе постоянного тока величиной более 5-7 кА через бочки тянущих роликов к перемещающемуся слитку, покрытому литейным шлаком, возникают электрические дуги, способствующие проплавлению как самих роликов, с нарушением стабильности вытягивания, так и поверхности слитка, что приводит к снижению качества непрерывнолитых заготовок.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка. Устройство содержит вертикально ориентированные и сообщающиеся между собой разливочный стакан с датчиком скорости разливки и кристаллизатор, несколько поддерживающих и тянущих роликов, которые вертикально-последовательно установлены на выходе из кристаллизатора с горизонтальным смещением вдоль его стенок и снабженных электроприводами с блоками управления. Кроме того, в устройстве установлены постоянные магниты, размещенные напротив друг друга с противоположной полярностью между тянущими роликами со стороны длинных стенок кристаллизатора и расположенные с чередующейся от ролика к ролику полярностью, а также источники импульсного постоянного тока, которые попарно подключены к двум верхним и двум нижним роликовым электродам и установлены напротив друг друга со стороны длинных стенок кристаллизатора между тянущими роликами и постоянными магнитами. Между нижними роликовыми электродами и тянущими роликами установлены распылительные форсунки с регуляторами расхода охладителя (см. заявку Японии №62-179855, МПК8 B22D 11/10, опубл. 07.08.1987).
Известное устройство позволяет управлять кристаллизацией непрерывнолитого слитка за счет кондуктивного электромагнитного перемешивания жидкой фазы путем наложения на нее постоянного магнитного поля и пропускания через слиток постоянного тока от специальных электродов. В известном устройстве эффект кондуктивного перемешивания оказывает влияние на формирование структуры слитка в достаточно малом пространстве между тянущими роликами, ограниченном доступной зоной вторичного охлаждения (см. Электромагнитное перемешивание жидкой стали в металлургии / Р.С.Айзатулов, А.Г.Кузьменко, В.Т.Грачев и др. - М.: Металлургия, 1996. - С.153). Поэтому при выходе слитка из зоны действия электромагнитного перемешивания происходит восстановление неоптимальных закономерностей роста зоны столбчатых кристаллов, что снижает однородность кристаллической макроструктуры и качество слитка. Кроме того, турбулентные потоки расплава при кондуктивном электромагнитном перемешивании вызывают вымывание легкоплавких примесей (углерода, серы и других) из двухфазной зоны слитка, в результате чего наблюдаются чередующиеся слои с существенно различающимися содержаниями этих элементов. В результате явления слоистой сегрегации или отрицательной ликвации наблюдается снижение качества непрерывнолитого слитка. В известном устройстве отсутствует взаимосвязь между интенсивностью кондуктивного перемешивания жидкой фазы слитка и условиями охлаждения его поверхности распылительными форсунками, что снижает качество структуры слитка. В зоне окончательного затвердевания слитка в известном устройстве наблюдается снижение эффективности кондуктивного электромагнитного перемешивания, так как объем жидкой сердцевины не превышает 5-10%, поэтому вновь образуется осевая рыхлость и снижается качество заготовки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка, является повышение качества непрерыв-нолитой заготовки.
Техническим результатом от использования предлагаемого устройства является стабилизация скорости разливки металла, увеличение зоны электромагнитного воздействия на жидкую фазу формирующегося слитка путем повышения химической однородности и уменьшения образования и развития дефектов макро- и микроструктуры
заготовок, связанных с кристаллизацией, усадочными и ликвационными процессами.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка, содержащее вертикально ориентированные и сообщающиеся между собой разливочный стакан с датчиком скорости разливки и кристаллизатор, несколько поддерживающих и тянущих роликов, вертикально-последовательно установленных на выходе из кристаллизатора с горизонтальным смещением вдоль его стенок и снабженных электроприводами с блоками управления, постоянные магниты, расположенные напротив друг друга с противоположной полярностью между тянущими роликами со стороны длинных стенок кристаллизатора с чередующейся от ролика к ролику полярностью, источники импульсного постоянного тока, подключенные попарно к двум верхним и двум нижним роликовым контактным электродам, установленным напротив друг друга со стороны длинных стенок кристаллизатора между тянущими роликами и постоянными магнитами, а также распылительные форсунки с регуляторами расхода охладителя, расположенные между нижними роликовыми электродами и тянущими роликами, добавлены новые элементы и изменены связи между узлами. Устройство дополнительно снабжено для каждого источника импульсного постоянного тока четырьмя регуляторами тока с микропроцессорной системой управления, вход которой соединен с блоком задания переключения тока и блоком согласования, подключенным к датчику скорости разливки. В устройство дополнительно введены обжимающие ролики, установленные между тянущими роликами и распылительными форсунками и снабженные приводами с регуляторами обжатия слитка. Причем положительные полюса источников импульсного постоянного тока подключены к верхним парам роликовых электродов соответственно через первые и вторые регуляторы тока, а их отрицательные полюса - через третьи и четвертые регуляторы тока - к нижним парам роликовых электродов. При этом управляющие входы всех регуляторов тока, а также блоки управления электроприводами тянущих роликов, регуляторы охладителя на распылительных форсунках и регуляторы обжатия слитка на обжимающих роликах соединены с выходами из микропроцессорных систем управления.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен поперечный разрез устройства для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка и схема его
регулирования.
Устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка содержит вертикально ориентированный разливочный стакан 1, сообщающийся сверху с промежуточным ковшом (на чертеже не показан) МНЛЗ, а снизу - с кристаллизатором 2, и снабженный шиберным затвором 3 и датчиком скорости разливки 4, например тензодатчиком или электромагнитным. Снизу на выходе из кристаллизатора 2 вдоль его стенок установлены поддерживающие ролики 5 с приводами 6. Далее вертикально-последовательно с горизонтальным смещением размещены несколько групп тянущих роликов 7, каждый из которых снабжен электроприводами 8 с блоками управления 9, например частотными преобразователями. Между каждыми соседними по вертикали тянущими роликами 7 со стороны длинных стенок кристаллизатора 2 установлены постоянные магниты 10 с противоположной по горизонтали и чередующейся по вертикали полярностью. Между тянущими роликами 7 и постоянными магнитами 10, с обеих сторон последних, установлены два верхних 11 и 12 и два нижних 13 и 14 роликовых электрода, например, металлических или графитовых. Верхние пары роликовых электродов 11 и 12 подключены к положительным полюсам источников импульсного постоянного тока 15, соответственно через первые 16 и вторые 17 регуляторы тока, например тиристорные или транзисторные. Нижние пары роликовых электродов 13 и 14 подключены к отрицательным полюсам источников импульсного постоянного тока 15 соответственно через третьи 18 и четвертые 19 регуляторы тока. Управляющие входы 20, 21, 22 и 23 всех регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 соответственно, а также блоки управления 9 электроприводов 8 тянущих роликов 7 подключены к выходам 24 микропроцессорных систем управления 25. Входы 26 микропроцессорных систем управления 25 соединены с блоками задания переключения тока 27 и через блоки согласования 28 с датчиком скорости разливки 4 на разливочном стакане 1. После нижних роликовых электродов 13 и 14 размещены распылительные форсунки 29 с регуляторами расхода охладителя 30 и обжимающие ролики 31, имеющие приводы 32, с регуляторами обжатия слитка 33. Регуляторы охладителя 30 распылительных форсунок 29 и регуляторы обжатия слитка 33 на приводах 32 обжимающих роликов 31 также подключены к выходам 24 микропроцессорных систем управления 25.
Устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка работает следующим образом. При установившемся режиме работы МНЛЗ из промежуточного ковша (на чертеже не показан) расплав поступает через разливочный стакан 1 в кристаллизатор 2. Расход металла регулируется шиберным затором 3 и измеряется датчиком скорости разливки 4. Формирующийся слиток с твердой корочкой и жидкой сердцевиной на выходе из кристаллизатора 2 удерживается поддерживающими роликами 5 с приводами 6 и вытягивается несколькими последовательно установленными группами тянущих роликов 7. На чертеже показана группа из четырех роликов 7, приводимых во вращение с помощью электроприводов 8, регулируемых от блоков управления 9. Постоянные магниты 10, установленные между двумя верхними 11 и 12 и двумя нижними 13 и 14 роликовыми электродами, создают в жидкой фазе слитка постоянное магнитное поле. Затем подают напряжение величиной 2-20 В на верхние 11 и 12 и нижние 13 и 14 роликовые электроды от источников импульсного постоянного тока 15. При этом напряжение от положительных полюсов источников импульсного постоянного тока 15 одновременно или поочередно подводится на верхние роликовые электроды 11 и 12 через первые 16 и вторые 17 регуляторы тока соответственно, а от их отрицательных полюсов - на нижние роликовые электроды 13 и 14 через третьи 18 и четвертые 19 регуляторы тока соответственно. Для управления переключением регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 на их управляющие входы соответственно 20, 21, 22 и 23 подаются исполнительные сигналы от выходов 24 микропроцессорных систем управления 25. На входы 26 последних поступают установочные сигналы с блоков задания переключения тока 27 и через блок согласования 28 - управляющие сигналы обратной связи от датчика скорости разливки 4 на разливочном стакане 1. Например, при увеличении скорости разливки аналоговый сигнал с датчика скорости разливки 4 поступает на блоки согласования 28 и далее, после аналого-цифрового преобразования, на входы 26 микропроцессорных систем управления 25. В соответствии с установочными сигналами с блоков задания переключения тока 27 и управляющим сигналом с блока согласования 28 на микропроцессорных системах управления 25 формируются исполнительные сигналы, поступающие с выходов 24 на управляющие входы 20, 21, 22 и 23 регуляторов тока соответственно 16, 17, 18 и 19, а также на блоки управления 9 электроприводов 8 тянущих роликов 7. При этом приводится в соответствие
повышенная скорость разливки, скорость перемешивания расплава в жидкой сердцевине и скорость вытягивания слитка. В зависимости от режимов переключения регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 (открыт - закрыт) прохождение тока (на чертеже показано штрих-пунктирными линиями) между роликовыми электродами 11, 12, 13 и 14 может осуществляться в двух вариантах. Первый вариант: от 11 к 13 и от 12 к 14 роликовому электроду при периодическом открытии и закрытии следующих пар регуляторов тока - первого 16 и третьего 18, второго 17 и четвертого 19. Второй вариант: от 11 к 14 и от 12 к 13 роликовому электроду при периодическом открытии и закрытии следующих пар регуляторов тока - первого 16 и четвертого 19, второго 17 и третьего 18. При этом направляющие магнитных силовых линий от постоянных магнитов 10 ориентированны перпендикулярно направлению вытягивания слитка. В нем при температуре поверхности более 800°С образуется статическое магнитное поле. Причем полюсность постоянных магнитов 10, смонтированных на определенных участках в направлении вытягивания, взаимно чередуется. По участку слитка, на котором действует статическое магнитное поле, одновременно пропускают постоянный, импульсный или переменный ток с частотой менее 50 Гц или изменяют величину тока в определенных интервалах времени в пределах 1-2 А/см2 . При этом основное направление тока параллельно или несколько наклонено к направлению вытягивания слитка. В результате взаимодействия статического магнитного поля и постоянного импульсного электрического тока возникают электромагнитные силы, и происходит завихрение и перемешивание потоков металла в жидкой сердцевине слитка. Генерируемые магнитодвижущие силы воздействуют на расплавленную часть слитка и разрушают растущие дендриты, что способствует образованию равноосных кристаллов и повышению качества заготовки. Периодическое переключение прохождения тока между роликовыми электродами 11 и 13, а также 12 и 14, на прохождение тока между роликовыми электродами 11 и 14, а также 12 и 13, с помощью регуляторов тока 16, 17, 18 и 19 увеличивает зону кондуктивного электромагнитного воздействия в слитке. Это способствует интенсификации турбулентных течений в жидкой сердцевине слитка, которые на фронте кристаллизации сепарируют легкоплавкие примеси из двухфазной зоны заготовки. В результате слой расплава, примыкающий к фронту кристаллизации, обогащается примесью, снижающей температуру ликвидуса. Возникающие переменные
электромагнитные силы изменяют теплофизические условия кристаллизации слитка и турбулизируют жидкую фазу, примыкающую к зоне столбчатых кристаллов в заготовке, что уменьшает ширину этой зоны, концентрационную центральную пористость и осевую ликвацию. Это связано с облегчением подпитки усадочных пустот через разрыхленный кондуктивным электромагнитным перемешиванием каркас дендритов и увеличением скорости перемешивания двухфазной зоны. Снабжение каждого источника импульсного постоянного тока 15 четырьмя регуляторами тока 16, 17, 18 и 19, последовательность и частота переключения которых определяется скоростью разливки, позволяет увеличить эффект от кондуктивного электромагнитного перемешивания. Это достигается за счет большего пространственного и временного интервалов воздействия на вытягиваемую заготовку и обеспечивает оптимальные условия роста зоны равноосных кристаллов, что повышает однородность кристаллической структуры и качество заготовки (см. Самойлович Ю.А. Кристаллизация слитка в электромагнитном поле. - М.: Металлургия, 1986. - С.106). Регулируемое микропроцессорной системой управления 25 переключение тока от источников импульсного постоянного тока 15 между роликовыми электродами 11, 12, 13 и 14 позволяет повысить интенсивность турбулентного перемешивания расплава в жидкой фазе заготовок за счет возникновения переменных электромагнитных сил (см. Моделирование электромагнитных процессов в электродуговых печах постоянного тока: Монография // И.М.Ячиков и др. - Магнитогорск: МГТУ, 2005. - С.99), что повышает к.п.д. кондуктивного перемешивания до 10-15%. При этом обеспечивается увеличение протяженности циркуляционных потоков и зоны активного перемешивания расплава, а также интенсивности процессов теплообмена в жидкой фазе слитка. Кроме того, возможно снижение в 1,5-2 раза (до 3-4 кА) силы тока пропускаемого через слиток. Это уменьшает вероятность возникновения электрических дуг между роликовыми электродами 11, 12, 13 и 14 и вытягиваемым слитком, и поэтому способствует повышению стабильности режимов вытягивания и качества поверхности непрерывнолитых заготовок. После прохождения зоны кондуктивного электромагнитного перемешивания между роликовыми электродами 11, 12, 13 и 14 слиток подвергается охлаждению воздушно-водяной смесью, подаваемой распылительными форсунками 29 через регуляторы расхода 30. Изменение расхода охладителя осуществляется путем подачи исполнительного
импульса на регуляторы расхода 30 с выходов 24 микропроцессорных систем управления 25 согласно управляющим сигналам, поступающим с блока задания переключения тока 27 и с блока согласования 28. В результате охлаждение слитка происходит в соответствии с условиями кондуктивного электромагнитного перемешивания и скоростью разливки. При этом вследствие турбулентного характера движения расплава жидкая сердцевина слитка подвергается более интенсивному и равномерному охлаждению, что создает предпосылки для массового зарождения равноосных кристаллов и подавление столбчатых структур. Это повышает качество непрерывнолитых заготовок. После зоны охлаждения слиток подвергается пластической деформации с помощью обжимающих роликов 31, имеющих электроприводы 32 с регуляторами обжатия слитка 33. Степень обжатия слитка задается подачей исполнительных сигналов на регуляторы обжатия слитка 33 с выходов 24 микропроцессорных систем управления 25 согласно скорости разливки, интенсивности кондуктивного электромагнитного перемешивания и охлаждения слитка. Совместное и согласованное кондуктивно-импульсное электромагнитное воздействие на формирующийся слиток, а также его охлаждение и деформация обжимающими роликами 31, позволяет «мягко» обжимать тело заготовки с уменьшением ее внутреннего объема, улучшением условий питания жидким металлом твердого дендритного каркаса и предотвращением формирования раковин усадочной пористости (особенно в зоне окончания затвердевания). Это приводит к выравниванию линии фронта кристаллизации в корочке слитка и уплотнению формирующейся кристаллической структуры. Под воздействием импульсных тепло-электродинамических нагрузок и обжатия слитка вершины дендритов механически обламываются, осколки твердой фазы оседают в думпфовую зону, т.е. в зону объемной кристаллизации. При этом обломки дендритов частично расплавляются, снижая температуру жидкой фазы слитков, а другая часть становится дополнительными центрами кристаллизации, которые уплотняются при обжатии, что в целом создает благоприятные условия для подавления роста столбчатой структуры и улучшает качество заготовки.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить качество непрерывнолитого слитка, получаемого в машине непрерывного литья заготовок на участке от зоны вторичного охлаждения до зоны полного затвердевания за счет:
- повышения эффективности объемного кондуктивного электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины слитка;
- уменьшения структурной и химической неоднородности литого металла путем подавления роста и деградации растущих ветвей дендритов столбчатых ориентированных кристаллов, выравнивания фронта затвердевания, устранения условий для возникновения «мостов» и осевой рыхлости в конце лунки жидкой фазы, а также уменьшения степени осевой ликвации;
- уменьшения явления слоистой сегрегации или отрицательной ликвации в слитках, особенно из высокоуглеродистых сталей, вследствие применения колебательного или реверсивного кондуктивного электромагнитного перемешивания;
- обеспечения оптимальных скоростей движения расплава жидкой фазы слитка у границы раздела фаз с механическим разрушением столбчатых кристаллов, обломки которых попадают в нижележащие части заготовки, где формируются при вторичном охлаждении и обжатии слитка, а также играют роль дополнительных центров кристаллизации, способствуя расширению структуры с равноосными кристаллами.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемое устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка обеспечивает повышение качества непрерывнолитых заготовок, работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемое устройство может быть применено в литейном производстве с целью повышения качества непрерывнолитых заготовок, а, следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».
Устройство для управления кристаллизацией непрерывнолитого слитка, содержащее вертикально ориентированные и сообщающиеся между собой разливочный стакан с датчиком скорости разливки и кристаллизатор, несколько поддерживающих и тянущих роликов, вертикально-последовательно установленных на выходе из кристаллизатора с горизонтальным смещением вдоль его стенок и снабженных электроприводами с блоками управления, постоянные магниты, расположенные напротив друг друга с противоположной полярностью между тянущими роликами со стороны длинных стенок кристаллизатора и установленные с чередующейся от ролика к ролику полярностью, источники импульсного постоянного тока, подключенные попарно к двум верхним и двум нижним роликовым электродам, установленным напротив друг друга со стороны длинных стенок кристаллизатора между тянущими роликами и постоянными магнитами, а также распылительные форсунки с регуляторами расхода охладителя, расположенные между нижними роликовыми электродами и тянущими роликами, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено для каждого источника импульсного постоянного тока четырьмя регуляторами тока с микропроцессорной системой управления, вход которой соединен с блоком задания переключения тока и блоком согласования, подключенным к датчику скорости разливки, а также обжимающими роликами, установленными между тянущими роликами и распылительными форсунками и снабженными приводами с регуляторами обжатия слитка, причем положительные полюса источников импульсного постоянного тока подключены к верхним парам электродов соответственно через первые и вторые регуляторы тока, а их отрицательные полюса - через третьи и четвертые регуляторы тока - к нижним парам роликовых электродов, при этом управляющие входы всех регуляторов тока, а также блоки управления электроприводами тянущих роликов, регуляторы охладителя на распылительных форсунках и регуляторы обжатия слитка на обжимающих роликах соединены с выходами из микропроцессорных систем управления.
