Струмопідвідний кристалізатор

1 Струмопідвідний кристалізатор, що складається не менше, ніж з двох, розташованих по висоті, ізольованих одна від одної водоохолоджуваних секцій з електропровідного матеріалу, одна з яких є струмопідвідною і складається з внутрішньої гільзи та зовнішнього кожуха, який відрізняється тим, що внутрішня гільза струмопідвідної секції виготовлена з біметалу, перший шар якого, контактуючий з ЗОВНІШНІМ кожухом, виконаний з тепло- і електропровідного матеріалу, а другий шар, звернений до наплавленого і переплавленого металу, виконаний з матеріалу, що має більш низьку, ніж у першого шару, теплопровідність і склад, компоненти якого при попаданні до переплавленого і наплавленого металу не змінюють його властивостей, причому відношення товщини першого шару до товщини другого шару становить від 1 1 до 5 1 2 Струмопідвідний кристалізатор по п 1, який відрізняється тим, що внутрішня гільза виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний зі сталі 3 Струмопідвідний кристалізатор по п 1, який відрізняється тим, що внутрішня гільза виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний з титану 4 Струмопідвідний кристалізатор по п 1, який відрізняється тим, що внутрішня гільза виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний з нікелю 5 Струмопідвідний кристалізатор по п 1, який відрізняється тим, що внутрішня гільза виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний з сплаву з таким самим складом, що і наплавлений сплав або сплав, що піддається переплавленню О ю о (О ю Область техніки Винахід відноситься до області спеціальної електрометалургії, а більш конкретно - до конструкцій секційних кристалізаторів для електрошлакового переплавлення та наплавлення переважно тіл обертання, зокрема до струмопідвідних кристалізаторів і може бути використаний при виробництві та ремонті будь-яких валків прокатних станів, роликів машин безперервної розливки заготовок, рольгангів прокатних станів, роликів нагрівальних печей та ш Передуючий рівень техніки В спеціальній електрометалургії широко розповсюджені кристалізатори, в яких здійснюється розплавлення металу та його кристалізація Переважна КІЛЬКІСТЬ кристалізаторів виконується мідними водоохолоджуваними Частина кристалізаторів є секційною, конструкція яких передбачає вш розніми, переважно у горизонтальній площині, що розділяють кристалізатор на окремі секції, які виконують різні функції Одною з функцій секції може бути функція невитратного електрода У цьому випадку такі кристалізатори називають струмопідвідними Струмопідвідна секція такого кристалізатора конструктивно мало чим відрізняється від звичайного односекційного кристалізатора Частіше за все конструктивно кристалізатори виконуються ватержакетними, тобто, складеними з внутрішньої гільзи та зовнішнього кожуха (див, наприклад, патент США № 3129473 від 9 11 1960) При цьому внутрішня гільза виготовляється з МІДІ, а ЗОВНІШНІЙ кожух може бути мідним або сталевим Тоді при електрошлаковому процесі у такому кристалізаторі розплавлений шлак контактує з водоохолоджуваною мідною, а отже, добре тепло- та електропровідною гільзою, що за 25605 безпечує надійний ТОКОПІДВІД до шлакової ванни та добрий ВІДВІД тепла від металу, що кристалізується Проте при взаємодії МІДІ З розплавленим токопровідним шлаком створюється напівпровідниковий елемент, що приводить до електроерозм гільзи та скороченню строку и служби Ступінь електроерозм суттєво збільшується при збільшенні ЩІЛЬНОСТІ струму в МІСЦІ контакту гільзи зі шлаком, як це має місце у струмопідвідних кристалізаторах Ремонтоздатність ж кристалізаторів з мідною гільзою шляхом наплавки МІДІ на дефектне місце вельми низька з-за необхідності підігрівання МІДІ, внаслідок м високої теплопровідності, а відтак і всього кристалізатора у цілому, до високої температури, що приводить до суттєвих деформацій кристалізатора Крім того, потрапляння МІДІ навіть у дуже малих кількостях до розплавленого металу (особливо сталі) може суттєво погіршити його властивості Відношення об'єму металевої ванни до величини поверхні гільзи, контактуючої з шлаком можна представити співвідношенням к(У2 - t2/D), де к - коефіцієнт пропорційності, який залежно від режимів плавки може становити 0,7 1,4, t - товщина наплавлення або стінки виплавлюваного циліндричного виливка, D - внутрішній діаметр гільзи В випадку суцільного виливка, тобто при t = =K-ID/2, це співвідношення виглядає як K2D/4 Наприклад, при наплавленні сталевого шару товщиною 50 мм діаметром 350 мм відношення об'єму металевої ванни до поверхні гільзи, контактуючої зі шлаком, може скласти величину 13 25 мм Це означає, що у випадку електроерозм контактової поверхні гільза - шлак на глибину тільки 0,1 мм вміст МІДІ у сталі може підвищитись на 0,45 0,87%, що суттєво перевищує припустимі норми Захистом стінки кристалізатора від електроерозм служить винахід по авторському свідоцтву СРСР № 624407 від 3 05 1976, МПК B22D7/06, згідно з яким на стінку кристалізатора, контактуючу з розплавленим шлаком, наносять захисне покриття з електроізоляційного, наприклад органосилікатного, матеріалу Вадою цієї конструкції є необхідність наносити це покриття кожен раз перед плавкою у кристалізаторі, тому що при плавці воно розчиняється розплавленим шлаком, а також те, що воно погіршує ТОКОПІДВІД до кристалізатора Найбільш близька по сукупності ознак і тому обрана за прототип конструкція струмопідвідного кристалізатора, описана у патенті США № 4185682 від 29 01 1980, МПК B22D27/02 Цей струмопідвідний кристалізатор складається не менше як із двох, розташованих по висоті, ізольованих одни від одного водоохолоджуваних секцій з електропровідного матеріалу, одна з яких є струмопідвідною і складається з внутрішньої гільзи і зовнішнього кожуха До вказаної струмопідвідної секції підводиться струм від джерела живлення і ця секція грає роль невитратного електрода Внутрішня гільза виконана з МІДІ І МІСТИТЬ неохолоджуване змінне кільце з тугоплавкого електропровідного матеріалу - графггу, вольфраму або молібдену, яке служить для запобігання електроерозм внутрішньої гільзи при м контакті з наплавленим або переплавленим металом Вказана конструкція кристалізатора дозволяє використати його для електрошлакового наплавлення циліндричних поверхонь, зокрема валків прокатних станів При цьому виключається електроерозія мідної внутрішньої гільзи та потрапляння МІДІ до наплавленого металу Разом з тим, наявність неохолоджуваного змінного кільця із тугоплавкого матеріалу (графггу, вольфраму, молібдену) сприяє потраплянню вказаних елементів до наплавленого або переплавленого металу Якщо невеликі добавки вольфраму і молібдену до наплавленого або переплавленого металу не викликають, як правило, особливих проблем, то навіть самі малі добаки графіту (вуглецю) у сталі та сплави з ультранизьким вмістом вуглецю роблять неможливим використання такого кристалізатора Проблемами ж використання змінного кільця з молібдену або вольфраму є низька СТІЙКІСТЬ ЦИХ металів до окислення при температурах електрошлакового процесу, що приводить до швидкого виходу їх з ладу, а також надзвичайно висока вартість цих матеріалів В результаті ці матеріали так і не знайшли на практиці застосування для виготовлення змінного кільця внутрішньої гільзи у струмопідвідних кристалізаторах Ці вади конструкції кристалізатора - прототипу стають особливо суттєвими при одержанні високоякісних зварних (наплавлених), з'єднань або виливків зі сталей та сплавів з ультранизьким вмістом вуглецю Суть винаходу До основи запропонованого винаходу поставлена задача вдосконалити струмопідвідний кристалізатор шляхом змінення його конструкції, зокрема, відмовою від виконання внутрішньої гільзи струмопідвідної секції з змінним кільцем з тугоплавкого електропровідного матеріалу, для виключення можливості потрапляння до розплавленого металу графіту при одночасному полегшенні та здешевленні ремонтних робіт у порівнянні з передуючим рівнем техніки Поставлена задача вирішена тим, що запропонований струмопідвідний кристалізатор, складений не менш як з двох, розташованих по висоті, ізольованих один від одного водоохолоджуваних секцій з електропровідного матеріалу, одна з яких є струмопідвідною і складається з внутрішньої гільзи та зовнішнього кожуха, в якому, згідно винаходу, внутрішня гільза струмопідвідної секції виготовлена з біметалу, перший шар якого, контактуючий з ЗОВНІШНІМ кожухом, виконаний з тепло- і електропровідного матеріалу, а другий шар, звернений до наплавленого і переплавленого металу, виконаний з матеріалу, що має більш низьку, ніж у першого шару, теплопровідність і склад, компоненти якого при потраплянні до переплавленого і наплавленого металу не змінюють його властивостей, причому відношення товщини першого шару до товщини другого шару становить від 1 1 до 5 1 Такий кристалізатор в меншій мірі, ніж кристалізатор з чисто мідною гільзою схильний до електроерозм, а головне, продукти електроерозм, згідно винаходу, не впливають на ХІМІЧНИЙ склад та властивості наплавленого або переплавленого металу Крім того, такий кристалізатор легко ремонтується, оскільки матеріал, що ремонтується, має меншу теплопровідність, а, отже, не вима 25605 гає попереднього підігрівання Між тим біметалева струїсгура внутрішньої гільзи при відношенні товщини першого шару до товщини другого шару з більш низькою теплопровідністю від 1 1 до 5 1 забезпечує надійний ТОКОПІДВІД через внутрішню гільзу до шлакової ванни і досить добрий тепловідвід від металу, що кристалізується При відношенні товщини першого шару до товщини другого шару менше і електрична та теплова проводимість внутрішньої гільзи падає настільки, що порушується ТОКОПІДВІД до шлакової ванни і тепловідвід від металу, що кристалізується, викликаючи додаткові витрати електроенергії та погіршення структури закристалованого металу При відношенні товщини першого шару до товщини другого шару більше 51 ремонтоздатність кристалізатора суттєво погіршується, викликаючи небезпеку пропалу шару, що ремонтується і забруднення його металом першого шару Крім того, з'являється небезпека забруднення переплавленого або наплавленого металу металом першого шару ще у процесі електрошлакового переплавлення або наплавлення з-за пропалу Доцільно, щоб внутрішня гільза була виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний зі сталі, при використанні струмопідвідного кристалізатора для наплавлення і переплавлення заготовок зі сталі та сплавів на залізо нікелевій основі Ділянки внутрішньої гільзи, піддані електроерозм, наплавляються у цьому випадку вручну сталевими електродами без будь-якого підігрівання і розбирання кристалізатора з подальшим зачищенням наплавленої поверхні внутрішньої гільзи наждачним кругом Така конструкція струмопідвідного кристалізатора запобігає також забрудненню сталі міддю внаслідок и електроерозм та погіршенню м властивостей Доцільно, щоб внутрішня гільза була виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар з титану при використанні струмопідвідного кристалізатора для наплавлення і переплавлення заготовок з титану та його сплавів Ділянки внутрішньої гільзи, піддані електроерозм, наплавляються у цьому випадку вручну титаном без будь-якого підігрівання і розбирання кристалізатора з подальшим зачищенням наплавленої поверхні внутрішньої гільзи наждачним кругом Така конструкція струмопідвідного кристалізатора запобігає також забрудненню титану міддю внаслідок м електроерози та погіршенню його властивостей Доцільно, щоб внутрішня гільза була виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар виконаний з нікелю, при використанні токопровідного кристалізатора для наплавлення і переплавлення заготовок з сплавів на нікелевій основі Ділянки внутрішньої гільзи, піддані електроерозм, наплавляються у цьому випадку вручну нікелем або сплавом на основі нікелю без будь-якого підігрівання і розбирання кристалізатора з подальшим зачищенням наплавленої поверхні внутрішньої гільзи наждачним кругом Така конструкція струмопідвідного кристалізатора запобігає також забрудненню нікелевого сплаву міддю внаслідок м електроерозм та погіршенню його властивостей Доцільно, щоб внутрішня гільза була виготовлена з біметалу, перший шар якого виконаний з МІДІ, а другий шар зі сплаву з таким самим складом, що і наплавлений сплав або сплав, що піддається переплавленню Ділянки внутрішньої гільзи, піддані електроерозм, наплавляються у цьому випадку вручну сплавом, що підлягає наплавленню або переплавленню без будь-якого підігрівання та розбирання кристалізатора з подальшим зачищенням наплавленої поверхні внутрішньої гільзи наждачним кругом Така конструкція струмопідвідного кристалізатора запобігає також забрудненню наплавленого або переплавленого сплаву міддю Короткий опис креслень Більш докладне пояснення винаходу дається далі на прикладах з посиланнями на креслення, які додаються Фіг 1 схематично зображає вертикальний переріз струмопідвідного кристалізатора згідно винаходу з розміщеною у цьому кристалізаторі заготовкою, що підлягає наплавленню і схемою струмопідвіду Тут показана струмопідвідна водоохолоджувальна секція кристалізатора з біметалевою внутрішньою гільзою Фіг 2 схематично зображає вертикальний переріз струмопідвідного кристалізатора згідно винаходу для електрошлакової виплавки в ньому зливка з розміщеної у цьому кристалізаторі заготовкою, що підлягає наплавленню і схемою струмопідводу Тут показана струмопідвідна водоохолоджувальна секція кристалізатора з біметалевою внутрішньою гільзою Докладний опис винаходу Струмопідвідний кристалізатор згідно винаходу складається з декількох, розташованих по висоті водоохолоджуваних, ізольованих одна від одної секцій струмопідвідної 1, проміжної 2 і формуючої 3 Струмопідвідна секція складається з зовнішнього кожуха 4 і внутрішньої гільзи 5 Внутрішня гільза 5 виготовлена з біметалу, перший шар якого 6 звернутий до зовнішнього кожуха 4 і має високу тепло- і електропровідність завдяки тому, що виготовлений, наприклад, з МІДІ, а другий шар 7 звернутий до осі кристалізатора 8 і має більш низьку, ніж у першого шару, теплопровідність При цьому у струмопідвідному кристалізаторі, призначеному для наплавлення і переплавлення сталей та сплавів на залізонікелевій основі, цей шар виготовлений зі сталі, у струмопідвідному кристалізаторі, призначеному для наплавлення і переплавлення титану та його сплавів, цей шар виготовлений з титану, а у струмопідвідному кристалізаторі, призначеному для наплавлення і переплавлення сплавів на нікелевій основі, цей шар виготовлений з нікелю, у струмопідвідному кристалізаторі, призначеному для наплавлення і переплавлення різних сплавів цей шар виготовлений зі сплаву, що має такий самий склад, що і наплавлений або переплавлений сплав При наплавці заготовки 9 або виплавки виливка 10 найбільша ЩІЛЬНІСТЬ струму - у струмоПІДВІДНІЙ секції 1, під'єднаної до джерела живлення 11 При взаємодії шару 7 гільзи 5 з розплавле 25605 ним струмопровідним шлаком 12 створюється напівпровідниковий елемент, що приводить до електроерозм цього шару гільзи Це приводить до скорочення строку служби гільзи 5 і потраплянню матеріалу цього шару через розплавлений шлак 12 у металеву ванну 13 Оскільки електроерозм піддається шар 7, виготовлений з матеріалу (сталь, титан, нікель) з суттєво меншою теплопровідністю, ніж мідь, ремонт поверхні цього шару наплавкою не викликає ускладнень, оскільки не вимагає підігрівання до високої температури 3 іншого боку, при правильному виборі біметалу гільзи 5 згідно з наплавленим або переплавленим матеріалом (призначенням кристалізатора) потрапляння сталі до сталі або сплаву на залізонікелевій основі, або титану до титану і його сплавів, або нікелю до нікелю і сплавів на нікелевій основі, або сплаву, що має такий самий склад, що і наплавлений або переплавлений сплав не викликає суттєвого змінення ХІМІЧНОГО складу і, отже, властивостей наплавленого або переплавленого матеріалу Конкретний приклад здійснення Далі заявлена конструкція кристалізатора пояснюється конкретним прикладом, в якому дані струмопідвідного кристалізатора, який заявляється, такі Струмопідвідний кристалізатор (фіг 1) з діаметром формуючої частини 110 мм, складається з трьох водоохолоджуваних, ізольованих одна від одної секцій Струмопідвідна секція 1 кристалізатора вате ржа кет ного типу складається з сталевого кожуха 4 і внутрішньої гільзи 5, зварених між собою Внутрішня гільза 5 з внутрішнім діаметром 170 мм виконана з біметалу мідьсталь загальною товщиною 10 мм Товщина мідного шару 6, зверненого до кожуха 4, становить 6 мм, товщина сталевого шару 7, зверненого до осі кристалізатора 8, становить 4 мм Проміжна секція 2 з внутрішнім діаметром 170 мм, має висоту 20 мм і виконана з МІДІ Формувальна частина З кристалізатора має висоту 150 мм Між струмопідвідною 1, проміжною 2 і формувальною 3 секціями кристалізатора встановлені ІЗОЛЯЦІЙНІ прокладки з азбестокартону товщиною 1,2 мм Цей струмопідвідний кристалізатор згідно винаходу дозволяє здійснювати електрошлакову наплавку і електрошлакову виплавку сталевих заготовок круглого перерізу Промислова застосовність Найбільший ефект застосування струмопідвідного кристалізатора даної конструкції має місце при наплавці і виплавці сталей і сплавів з ультранизьким вмістом вуглецю, корозійностійких і жароміцних суперсплавів на нікелевій основі, а також титану і його сплавів при виробництві і ремонті будь-яких трубних заготовок для хімічної, авіаційної промисловості та енергетики, а також для валків прокатних станів, роликів машин безперервної розливки заготовок, рольганів прокатних станів, роликів нагрівальних печей та ш ФІГ. 1 25605 Фіг. 2 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 25605