Спосіб отримання безперервного злитка

1. Спосіб отримання безперервного злитка, що здійснюють заливкою металу у водоохолоджуючий кристалізатор та введенням в нього твердого металу, який відрізняється тим, що в кристалізатор подають твердий метал у вигляді частинок з температурою нижче точки Кюрі для даного сплаву, а уздовж осі злитка створюють неоднорідне магнітне поле. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що тверді частинки подають в кристалізатор в кількості, пропорційній коефіцієнту компактності β=(0,520,60) від загальної кількості металу. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що градієнт магнітного поля вибирають із співвідношення 2 3 52321 Згідно пропозиції частинки подають в кристалізатор в кількості, пропорційній коефіцієнту компактності =(0.52-0.60) від загальної кількості металу. Коефіцієнт компактності чисельно дорівнює відношенню максимального об'єму, який можуть займати тверді частинки металу при заповненні ними об'єму VT, до величини цього об'єму V: VT . V Для сферичних частинок ця величина може змінюватися від 0,52 до 0,6, якщо частинки дещо відрізняються від сферичних, необхідно брати =0,52. Уздовж осі злитка створюють неоднорідне маdB гнітне поле, градієнт якого вибирається із dz співвідношення 2 R2 1 r(1 ) 5 c v (Tкр Т о ) 9 7,2k 2l , dB pm dz де: R - радіус частинки, м; r - теплота фазового переходу, Дж/кг; - коефіцієнт компактності; c v - питома теплоємність частинки, Дж/кг·К; Tкр - температура кристалізації, К; Т о - початкова температура частинки, К; k - коефіцієнт температуропровідності, м2/с; l - висота рівня рідкого металу в кристалізато рі; Pm 233 A м2 / кг - магнітний момент одиниці маси; dB - градієнт магнітного поля. dz для того, щоб рідкий метал, що заповнює проміжки між твердими сферичними частинками, встигав віддавати свою теплоту фазового переходу для нагріву центральної частини твердих частинок до температури кристалізації Ткр. Якщо частинки вводити в розплав з температурою нижче за точку Кюрі, але без наявності неdB однорідного магнітного поля з градієнтом , dz який визначається з вищезгаданого співвідношення, то не досягнувши дна рідкої лунки безперервного злитка, вони повністю розплавляться, не забезпечивши об'ємну кристалізацію злитка. Тоді для забезпечення працездатності установки необхідно буде ввести нову ознаку, охолодження злитка в зоні вторинного охолодження. З боку неоднорідного магнітного поля на рідкий метал і тверді частинки металу діятиме сила, яка надасть твердим частинкам прискорення на декілька порядків більше прискорення вільного падіння, а отже, зменшить час перебування частинок в розплаві, їх прогрів і вірогідність повного ро 4 зплавлення і створює передумови для об'ємної кристалізації злитка. Цю силу представимо рівнянням: dB F Pm m ma (1) dz де F - сила, яка діє на частинку з боку поля, Н; Рm - магнітний момент одиниці маси, А·м2/кг; m - маса частинки, кг; dB - градієнт магнітного поля, Тл/м; dz а - прискорення частинки, м/с2. Згідно, (Берклеевский курс физики, т. П.Э. Парсэлл, Электричество и магнетизм, М., Наука, 1975, стр.349-362) на 1г. заліза, внесеного в неодdB норідне магнітне поле з градієнтом =17Тл/м, dz діятиме сила F1=4H, тоді прискорення, з яким рухатиметься частинка масою m1=1г, буде F1 4 a 4 103 м / с 2 . (2) m1 10 3 У виразі (1) сила пропорційна масі частинки і величині, згідно вищесказаного, визначимо магнітний момент одиниці маси, використовуючи вирази (1) і (2) a1 4 10 3 2,38 10 2 A м2 / кг. (3) dB 17 dz Найбільший час перебування частинки в розплаві кристалізатора визначається з умови рівності нулю початкової швидкості частинки і рівнянь кінематики Pm 2l (4) dB Pm dz де l - висота рівня рідкого металу в кристалізаторі, м. На холодні введені частинки буде наморожуватись тонка скориночка металу, товщина якої залежить від температури частинки і часу перебування її в розплаві, тому час перебування частинки в розплаві не повинен перевищувати часу, який необхідний для проникнення ізотерми Ткр углиб частинки на глибину . Час, за яке ізотерма Ткр проникає углиб на величину =nR, згідно (Проблемы теплообмена: пер с англ. / Под ред. П.Л. Кириллова М., Атомиздат, 1967, с.64-65) буде t1 2l a 2 n 2R 2 , (5) k(const ) k(2,68)2 де - глибина проникнення ізотерми, м; R - радіус частинки, м; k - коефіцієнт температуропровідності, м2/с. n=(0-0,7) - відносний коефіцієнт проникнення ізотерм. Для здійснення способу необхідно, щоб час, одержаний з виразу (5), був більше або рівний часу, одержаному з виразу (4) t2 n2R 2 k(2,68)2 2 2l , (6) dB Pm dz 5 52321 З другого боку, рідкий метал, що заповнює проміжки між твердими сферичними частинками, повинен віддати свою теплоту фазового переходу для нагріву центральної частини твердих частинок до температури кристалізації Ткр. Тоді рівняння теплового балансу, з урахуванням коефіцієнта компактності (0,52-0,6), запишеться так 4 4 R 3 (1 )r (R )3 c Tcp, (7) 3 3 де R - радіус частинки, м; =(0,52-0,6) - коефіцієнт компактності; r - питома теплота фазового переходу, Дж/кг; - густина металу, кг/м3; Cv - питома теплоємність затверділого металу, Дж/кг; Ткр - середньоб'ємний перепад температур між рідким і затверділим металом, K; =nR - глибина проникнення ізотерми Ткр, м. Звідси n 1 3 r (1 ) . (8) c Tcp Знаючи, що =nR, і використовуючи вираз (6) і (8), знайдемо величину dB lk 2 (2,68)4 52lk 2 . (9) 4 dz Pm Pmn 4R 4 Середньоб'ємна температура затверділого металу 5 Tср Tкр (Tкр Tо ), (10) 9 де Ткр - температура кристалізації, К; То - початкова температура твердої частинки, К. Тоді 5 Tср Tкр Tср (Tкр Tо ). (11) 9 Вирази (8) і (9) дають можливість знайти оптимальні відносини між технологічними параметрами, що забезпечують максимальну швидкість витягання злитка. Наприклад, для сталі мінімальне значення комплексу величин визначається по виразу (9), де r=2,7·105Дж/кг, Сv=700Дж/кг.К, Ткр=1773К, То=293К, Pm=2,38·102А·м2/кг, k=6·10-6м2/с, =0,52, l=0,1м. Тоді Ткр=5/9·(1773-293)=795К, n 1 3 2,7 105 (1 0,52) 700 795 1 0,484 0,516, dB 36 10 12 52 0,1 11 10 11 , . dz 238 0,516 4 R 4 R4 Результати розрахунку для сталі також можна подати у вигляді таблиці 1, з урахуванням зміни деяких параметрів. Таблиця 1 l=0,1м №, п/п R, м 1 2 0,3·10-3 0,5·10-3 1360 176 l=0,5м dB Tл , м dz 6800 880 l=1м 13600 1760 6 3 4 5 1,0·10-3 1,5·10-3 2,0·10-3 11 2,16 0,69 55 10,8 3,45 110 21,6 6,9 Як бачимо з таблиці 1, градієнт магнітного поля зростає з збільшенням висоти рівня рідкого металу в кристалізаторі, і зменшується з збільшенням радіусу частинок. dB Максимальне значення вибирається з dz конструктивних міркувань. Проте для створення більшого градієнта різко зростають енерговитрати. dB Мінімальне значення =11 Tл вибирається з м dz умови забезпечення однорідності центральної частини злитка, при зменшенні градієнта збільшується неоднорідність злитка через необхідність застосовувати більші частинки. Розрахуємо максимально можливу швидкість витягання злитка Tл dB при наступних значеннях величин =11 м , dz l=0,1м, Рm=2,39·102A·м2/кг. Тоді wp 2la 2lPm dB dz 2 0,1 2,38 10 2 30 22,9 м / с. Якщо порівняти дану швидкість витягання злитка з існуючими швидкостями витягання на сучасних установках безперервного розливу сталі (УБРС), які мають порядок w=wp/w м/с, то продуктивність установки при даному способі розливу зростає в 1000 разів, крім того, зростає однорідність злитка і його якість. Глибина рідкої лунки в цьому випадку буде значно менше (у 10-20 разів), і немає необхідності застосовувати зону вторинного охолоджування, що дозволяє зменшити габарити установки. Корисна модель пояснюється рисунком, де зображено установку для здійснення способу. Установка містить водоохолоджуючий кристалізатор 1, зовні якого, співісно з ним, розташовується електромагнітна котушка 2, яка створює неоднорідне магнітне поле. Над водоохолоджуючим кристалізатором розташовується бункернакопичувач 3 з твердими частинками металу 4 і розливний ківш 5 з рідким металом 6. Спосіб здійснюється таким чином. На установці безперервного розливу сталі у водоохолоджуючий кристалізатор 1 з розливного ковша 5 заливають рідкий метал 6, створюють за допомогою електромагнітної котушки 2 неоднорідне магнітне поле з певним градієнтом, в рідкий метал 6 з бункера-накопичувача 3 вводять тверді частинки 4 при температурі нижче за точку Кюрі, в кількості, відповідній коефіцієнту компактності =0,52-0,60, висоту рівня рідкого металу в кристалізаторі 1 підтримують постійною, заливаючи в нього рідкий метал в кількості (1- ). Таким чином даний спосіб отримання безперервного злитка в порівнянні з прототипом дозволяє збільшити швидкість самого процесу кристалізації і швидкість розливу металу, зменшити вагові та габаритні характеристики машини безперервно 7 52321 го лиття заготівок, поліпшити якість злитка, відпадає необхідність зони вторинного охолоджування через відсутність рідкої лунки. Збільшення швид Комп’ютерна верстка О. Рябко 8 кості розливу дозволить сполучити процес безперервного розливу з процесом безперервної прокатки. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601