RU2794362C1

RU2794362C1 - Method for continuous casting of i-beam blanks and device for its implementation

Info

Publication number: RU2794362C1
Application number: RU2022129181A
Authority: RU
Inventors: Олег Степанович Лехов; Сергей Олегович Непряхин
Original assignee: Олег Степанович Лехов
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2023-04-17

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: device for continuous casting of I-beams contains a one-piece mould (1) with a section of the working cavity in form of an I-beam. On the ends of the mould (1) side walls (10, 11) of the detachable part of the mould are fixed. The walls (10, 11) together with the profiled walls (8, 9) form a detachable part of the prefabricated mould. The metal is fed into the mould (1), where an I-shell (13) of the solidified metal with a liquid phase (12) is formed and it is moved into the strikers of the detachable part of the mould. Cyclic action of the strikers on the two walls of the shell bend these walls and form the shelves of the I-beam. As the shell passes through the strikers, the shell walls approach each other and the liquid metal is displaced and mixed. The I-beam wall is formed when the shell walls are completely closed. The workpiece is formed under conditions close to compression from all sides, since compressive stresses act on the shell from the side of the walls, and hydrostatic pressure acts from the side of the liquid phase, which eliminates the occurrence of cracks in the shell.

EFFECT: improved quality of I-beam blanks and increased productivity of the continuous casting process.

2 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывному литью заготовок и может быть использовано при изготовлении двутавровых заготовок.The invention relates to metallurgy, namely to continuous casting of billets and can be used in the manufacture of I-shaped billets.

Известен способ производства двутавровой балки и литейно-прокатный комплекс для его осуществления. Способ включает изготовление заготовки, ее прокатку в двутавровую балку, обрезку и охлаждение. Возможность снижения суммарной вытяжки при прокатке и затрат на производство обеспечивается за счет того, что исходную фасонную заготовку отливают в центробежной литьевой машине с угловой скоростью вращения охлаждаемого трубчатого кристаллизатора ω=5-:-47 сек-1, в виде двухгребневого полосового профиля с поперечной выпуклостью и регламентированными геометрическими параметрами. Центробежно-литьевая машина имеет охлаждаемый трубчатый кристаллизатор с горизонтальной осью вращения, во внутренней цилиндрической полости которого выполнены литьевые формы в виде продольных каналов с переменной поперечной глубиной, разделенные между собой продольными огнеупорными вставками. Корпус трубчатого кристаллизатора выполнен сборным с возможностью изменения длины заготовки, в его внутреннюю полость помещен промковш. Прокатку производят за 4-:-6 прохода в реверсивной черновой и чистовой универсальных прокатных клетях прокатного стана, с суммарной вытяжкой 1,7-:-3,5 (патент на изобретение РФ №2620212, опубл. 23.05.2017 г.).A known method for the production of I-beams and casting and rolling complex for its implementation. The method includes manufacturing a billet, rolling it into an I-beam, trimming and cooling. The possibility of reducing the total stretch during rolling and production costs is ensured due to the fact that the original shaped billet is cast in a centrifugal injection molding machine with an angular speed of rotation of the cooled tubular mold ω=5-:-47 sec-1, in the form of a two-ridge strip profile with a transverse convexity and regulated geometric parameters. The centrifugal casting machine has a cooled tubular mold with a horizontal axis of rotation, in the inner cylindrical cavity of which molds are made in the form of longitudinal channels with variable transverse depth, separated from each other by longitudinal refractory inserts. The body of the tubular mold is made prefabricated with the possibility of changing the length of the workpiece, a tundish is placed in its internal cavity. Rolling is carried out in 4-:-6 passes in the reversible roughing and finishing universal rolling stands of the rolling mill, with a total drawing of 1.7-:-3.5 (RF patent No. 2620212, publ. 23.05.2017).

Известен способ непрерывного литья двутавровых заготовок, заключающийся в том, что двутавровые заготовки получают на машине непрерывного литья заготовок, рабочая полость кристаллизатора которой имеет в сечении двутавр с заданными размерами (1).A known method of continuous casting of I-beams, which consists in the fact that the I-beams are produced on a continuous casting machine, the working cavity of the mold which has an I-beam in cross section with specified dimensions (1).

Однако данный способ не позволяет получить двутавровую заготовку высокого качества и имеет низкую производительность. Это связано с тем, что в зоне формирования двутавровой заготовки на участке кристаллизатор - первые секции роликов зоны вторичного охлаждения оболочка двутавра еще не обладает достаточной прочностью и жесткостью, что способствует зарождению и развитию в ней дефектов. Кроме того, из-за неэффективности системы электромагнитного перемешивания жидкого металла в осевых зонах двутавра образуются ликвации. Все это в совокупности снижает качество двутавровых заготовок.However, this method does not allow to obtain a high quality I-beam and has low productivity. This is due to the fact that in the zone of formation of an I-beam billet in the area of the mold - the first sections of the rollers of the secondary cooling zone, the I-beam shell does not yet have sufficient strength and rigidity, which contributes to the initiation and development of defects in it. In addition, due to the inefficiency of the liquid metal electromagnetic mixing system, segregations form in the axial zones of the I-beam. All this together reduces the quality of I-beams.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство для непрерывного литья с последующей прокаткой для получения металлических фасонных профилей, в частности двутавровых профилей из стали, который заключается в предварительном формировании фасонного профиля в кристаллизаторе и деформировании его в системе горизонтальных и вертикальных роликов на участке мягкого обжатия под кристаллизатором установки непрерывного литья с последующей прокаткой (патент на изобретение №2283203, опубликовано 01.09.2006. Бюл. №25). Однако при формировании двутавровой заготовки горизонтальными и вертикальными роликами отсутствует по всему периметру двутавра и по его длине постоянный контакт с поверхностями роликов, что, в отличие плоских бойков, не позволяет осуществлять формирование двутавровой заготовки в условиях всестороннего сжатия и исключить образование трещин, а также предотвратить прогорание оболочки двутавра с жидкой фазой и прорывы жидкого металла.The closest technical solution is a method and device for continuous casting followed by rolling to obtain metal shaped profiles, in particular I-shaped steel profiles, which consists in the preliminary formation of a shaped profile in the mold and its deformation in a system of horizontal and vertical rollers in the area of soft compression under a mold of a continuous casting plant with subsequent rolling (patent for invention No. 2283203, published on September 1, 2006. Bull. No. 25). However, when forming an I-beam blank with horizontal and vertical rollers, there is no constant contact with the surfaces of the rollers along the entire perimeter of the I-beam and along its length, which, unlike flat dies, does not allow the formation of an I-beam blank under conditions of all-round compression and eliminate the formation of cracks, as well as prevent burnout shells of an I-beam with a liquid phase and breakthroughs of liquid metal.

Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния металла двутавровой заготовки в зоне ее формирования методом конечных элементов позволило определить уровень и характер распределения растягивающих напряжений по периметру двутавровой оболочки в зависимости от скорости разливки (1). Установлено, что при скорости разливки двутавровой заготовки 1 м/мин. уровень растягивающих напряжений ниже предела текучести материала заготовки - стали 09Г2. При увеличении скорости разливки уровень растягивающих напряжений возрастает, что может привести к пластической деформации двутавровой оболочки. Таким образом, данный способ непрерывного литья двутавровых заготовок не позволяет повысить в прототипе производительность процесса.A theoretical study of the stress-strain state of the metal of an I-beam billet in the zone of its formation by the finite element method made it possible to determine the level and nature of the distribution of tensile stresses along the perimeter of the I-beam shell depending on the casting speed (1). It has been established that at a casting speed of an I-beam billet of 1 m/min. the level of tensile stresses is below the yield strength of the workpiece material - steel 09G2. With an increase in the casting speed, the level of tensile stresses increases, which can lead to plastic deformation of the I-shell. Thus, this method of continuous casting of I-beams does not allow to increase the productivity of the process in the prototype.

Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно улучшение качества двутавровых заготовок за счет предотвращения образования дефектов и ликвации в двутавровой заготовке и увеличение производительности процесса непрерывного литья.The technical objective of the claimed invention is to eliminate these shortcomings, namely, improving the quality of I-beams by preventing the formation of defects and segregation in I-beams and increasing the productivity of the continuous casting process.

Поставленная задача достигается тем, что в способе непрерывного литья двутавровых заготовок подвижными профилированными стенками-бойками и боковыми стенками разъемной части кристаллизатора формируют из двутавровой оболочки с жидкой фазой двутавровую заготовку, причем двутавровый профиль формируют путем смыкания двух противоположных стенок оболочки до их полного соприкосновения и обеспечивают при этом приложение сил подпора на наружные поверхности других стенок оболочки, одновременно вытягивают оболочку с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора и продвигают ее через разъемную часть сборного кристаллизатора.The task is achieved by the fact that in the method of continuous casting of I-beam blanks by movable profiled walls-drillers and side walls of the detachable part of the mold, an I-beam is formed from an I-beam shell with a liquid phase, and the I-beam profile is formed by closing two opposite shell walls until they are in full contact and provide at in this case, the application of backwater forces on the outer surfaces of other walls of the shell, simultaneously pulling the shell with the liquid phase from the one-piece mold and advancing it through the detachable part of the prefabricated mold.

В предлагаемом способе в неразъемном кристаллизаторе образуется двутавровая оболочка с жидкой фазой, которая стенками-бойками и боковыми стенками вытягивается из неразъемного кристаллизатора и подается в разъемную часть сборного кристаллизатора. В разъемной части кристаллизатора профилированными бойками из оболочки с жидкой фазой формируют двутавровую заготовку, обеспечивая при этом приложение сил подпора на наружные поверхности полок двутавра. При этом происходит циклическое сближение стенок оболочки и вытеснение расплава металла из конуса жидкой фазы, то есть осуществляется интенсивное механическое перемешивание жидкого металла. Это исключает образование ликвации и способствует удалению неметаллических включений из осевой зоны двутавровой заготовки, что способствует улучшению ее качества. Следует отметить, что в процессе формирования двутавровой заготовки обеспечивается по всему ее периметру постоянный контакт с водоохлаждаемыми бойками и боковыми стенками кристаллизатора, что предотвращает прогорание оболочки и прорывы жидкого металла. Кроме того, формирование двутавра путем гибки стенок оболочки с жидкой фазой осуществляется в условиях близких к всестороннему сжатию, поскольку на контактных поверхностях двутавра с бойками и боковыми стенками разъемного кристаллизатора имеют место сжимающие напряжения, что предотвращает образование дефектов в двутавровой заготовке. Все это в совокупности способствует улучшению качества двутавровых заготовок.In the proposed method, an I-shell with a liquid phase is formed in a one-piece mold, which is pulled out of the one-piece mold by the walls-pegs and side walls and fed into the detachable part of the prefabricated mold. In the detachable part of the mold, I-beam blanks are formed by profiled strikers from a shell with a liquid phase, while providing the application of backwater forces on the outer surfaces of the I-beam shelves. In this case, cyclic convergence of the shell walls and the displacement of the metal melt from the cone of the liquid phase occur, that is, intensive mechanical mixing of the liquid metal is carried out. This eliminates the formation of segregation and contributes to the removal of non-metallic inclusions from the axial zone of the I-beam billet, which improves its quality. It should be noted that in the process of forming an I-beam billet, constant contact with water-cooled dies and side walls of the mold is ensured along its entire perimeter, which prevents burn-through of the shell and breakthroughs of liquid metal. In addition, the formation of an I-beam by bending the walls of the shell with a liquid phase is carried out under conditions close to all-round compression, since compressive stresses occur on the contact surfaces of the I-beam with strikers and side walls of the split mold, which prevents the formation of defects in the I-beam blank. All this together contributes to the improvement of the quality of I-beam blanks.

Благоприятная схема формирования двутавра в процессе кристаллизации и исключение прорывов жидкого металла позволяют увеличить скорость вытягивания оболочки из неразъемного кристаллизатора и продвижение ее вдоль разъемной части сборного кристаллизатора, то есть повысить производительность процесса непрерывного литья.A favorable scheme for the formation of an I-beam during crystallization and the elimination of liquid metal breakthroughs make it possible to increase the speed of pulling the shell out of the one-piece mold and its advancement along the detachable part of the prefabricated mold, that is, to increase the productivity of the continuous casting process.

В предлагаемом устройстве расстояние между внутренними поверхностями боковых стенок разъемной части сборного кристаллизатора остается неизменным, что при формировании двутавра стенками бойками из оболочки с жидкой фазой обеспечивает возникновение распорных сил на контактных поверхностях полок двутавра с боковыми стенками. Эти боковые стенки в совокупности с подвижными стенками-бойками образуют замкнутую полость переменного сечения, что позволяет циклически в условиях всестороннего сжатия путем гибки формировать из оболочки с жидкой фазой двутавровую заготовку. Кроме того, вытягивание оболочки с жидкой фазой из неразъемного кристаллизатора и продвижение заготовки через разъемную часть сборного кристаллизатора осуществляется синхронно работающими поверхностями бойков и боковых стенок разъемной части, что исключает образование растягивающих напряжений в двутавровой оболочке при ее циклическом формировании и, соответственно, трещин, что улучшает качество заготовок и обеспечивает повышение производительности процесса.In the proposed device, the distance between the inner surfaces of the side walls of the detachable part of the prefabricated mold remains unchanged, which, when the I-beam is formed by the walls of the strikers from the shell with the liquid phase, ensures the occurrence of spacer forces on the contact surfaces of the I-beam shelves with the side walls. These side walls, together with the movable walls-strikers, form a closed cavity of variable cross section, which makes it possible to cyclically form an I-beam billet from a shell with a liquid phase by bending under conditions of all-round compression. In addition, the pulling of the shell with the liquid phase from the one-piece mold and the promotion of the workpiece through the split part of the prefabricated mold is carried out by synchronously operating surfaces of the strikers and side walls of the split part, which eliminates the formation of tensile stresses in the I-shell during its cyclic formation and, accordingly, cracks, which improves workpiece quality and improves process productivity.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от прототипа, поэтому можно предположить, что оно соответствует критерию «новизна».Comparison of the proposed technical solution with the prototype shows that it differs from the prototype, so we can assume that it meets the criterion of "novelty".

При проведении патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтом заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень»When conducting patent information research, the claimed set of features was not identified, so the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step"

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство для непрерывного литья двутавровых заготовок, а на фиг. 2-4 показан способ непрерывного литья.In FIG. 1 shows the inventive device for continuous casting of I-beams, and Fig. 2-4 show a continuous casting process.

Устройство включает водоохлаждаемый кристаллизатор 1, который имеет постоянный контакт со стенками- бойками 8 и 9 и прижимается к ним с помощью специального пружинного механизма. Стенки-бойки 8 и 9 крепятся соответственно на суппортах 2 и 3. Каждый суппорт установлен на двух эксцентриковых валах: второй на валах 4 и 5, третий на валах 6 и 7. Эксцентриковые валы 4, 5, 6 и являются приводными. Боковые стенки разъемной части сборного кристаллизатора 10 и 11 крепятся к торцам кристаллизатора 1. Рабочие поверхности боковых стенок 10 и 11 образуют в совокупности со стенками-бойками 8 и 9 разъемную часть сборного кристаллизатора, полость которой является продолжением полости кристаллизатора 1. Вытягивание двутавровой полосы 16 из кристаллизатора 1 осуществляется с помощью тянущих роликов 18.The device includes a water-cooled mold 1, which is in constant contact with the walls of the strikers 8 and 9 and is pressed against them using a special spring mechanism. Wall-strikers 8 and 9 are mounted respectively on calipers 2 and 3. Each caliper is mounted on two eccentric shafts: the second on shafts 4 and 5, the third on shafts 6 and 7. Eccentric shafts 4, 5, 6 are driven. The side walls of the detachable part of the prefabricated mold 10 and 11 are attached to the ends of the mold 1. The working surfaces of the side walls 10 and 11 form, together with the walls-pegs 8 and 9, the detachable part of the prefabricated mold, the cavity of which is a continuation of the cavity of the mold 1. Pulling the I-beam 16 from mold 1 is carried out with the help of pulling rollers 18.

Сущность способа получения заключается в следующем (Фиг. 2-4). Жидкий металл 12 заливается в водоохлаждаемый кристаллизатор 1, совершающий возвратно-поступательные вертикальные перемещения с частотой, равной угловой скорости эксцентриковых валов. За счет отвода тепла стенками кристаллизатора 1 образуется двутавровая оболочка 13 затвердевшего металла с жидкой фазой 12, которая поступает в стенки-бойки 8 и 9 разъемной части сборного кристаллизатора. Стенки-бойки 8 и 9 формируют из оболочки 13 с жидкой фазой 12 двутавровую заготовку 17 и одновременно совместно с боковыми стенками 10 11 вытягивают оболочку 13 из кристаллизатора 1 и продвигают ее через разъемную часть сборного кристаллизатора. При формировании двутавровой заготовки 17 путем циклического воздействия профилированными стенками-бойками 8 и 9 на две стенки оболочки 13 происходит гибка этих стенок и образование полок 16 двутавра при одновременном наличии распорных сил на контактных поверхностях полок 16 с боковыми стенками 10 и 11. По мере прохождения оболочки 13 с жидкой фазой 12 через рабочие поверхности бойков 8 и 9 происходит циклическое сближение стенок оболочки 13 и вытеснение жидкого металла 12 из конуса жидкой фазы, то есть механическое перемешивание жидкого металла. Далее происходит смыкание стенок 13 оболочки и вытеснение жидкой фазы 12 с образованием стенки 17 двутавра. Причем, формирование двутавровой заготовки 17 из 13 при наличии жидкой фазы осуществляется в условиях близких к всестороннему сжатию, поскольку со стороны стенок-бойков 8 и 9 и стенок 10 и 11 на оболочку 13 воздействуют сжимающие напряжения и одновременно при этом оболочка испытывает гидростатическое давление жидкой фазы, что исключает возникновение трещин в оболочке и способствует улучшению качества двутавровых заготовок.The essence of the method of obtaining is as follows (Fig. 2-4). Liquid metal 12 is poured into a water-cooled mold 1, which performs reciprocating vertical movements with a frequency equal to the angular velocity of the eccentric shafts. Due to the removal of heat by the walls of the mold 1, an I-shell 13 of solidified metal is formed with a liquid phase 12, which enters the wall-boys 8 and 9 of the detachable part of the prefabricated mold. Striker walls 8 and 9 form an I-beam 17 from the shell 13 with the liquid phase 12 and simultaneously, together with the side walls 10 11, the shell 13 is pulled out of the mold 1 and advanced through the detachable part of the prefabricated mold. During the formation of the I-beam blank 17 by cyclic action of the profiled walls-strikers 8 and 9 on the two walls of the shell 13, these walls are bent and the shelves 16 of the I-beam are formed with the simultaneous presence of spacer forces on the contact surfaces of the shelves 16 with the side walls 10 and 11. As the shell passes 13 with the liquid phase 12 through the working surfaces of the strikers 8 and 9 there is a cyclic convergence of the walls of the shell 13 and the displacement of the liquid metal 12 from the cone of the liquid phase, that is, mechanical mixing of the liquid metal. Then there is a closing of the walls 13 of the shell and the displacement of the liquid phase 12 with the formation of the wall 17 of the I-beam. Moreover, the formation of an I-beam blank 17 of 13 in the presence of a liquid phase is carried out under conditions close to all-round compression, since compressive stresses act on the shell 13 from the side of the walls-strikers 8 and 9 and walls 10 and 11 and at the same time the shell experiences hydrostatic pressure of the liquid phase , which eliminates the occurrence of cracks in the shell and improves the quality of I-beams.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Привод сообщает синхронное вращение эксцентриковым валам 4, 5, 6 и 7. При вращении эксцентриковых валов установленные на них суппорты 2 и 3 с закрепленными на них стенками-бойками 8 и 9 совершают одновременно в одной плоскости синхронные перемещения по замкнутой траектории с радиусом, равным эксцентриситету эксцентриковых валов. Такая кинематика движения стенок-бойков 8 и 9 разъемной части сборного кристаллизатора обеспечивает возвратно-поступательные вертикальные перемещения кристаллизатора 1 с боковыми стенками 10 и 11, циклическое формирование двутавра из оболочки 13 с жидкой фазой 12 с одновременным вытягиванием оболочки из кристаллизатора 1 и продвижение ее через разъемную часть сборного кристаллизатора. На холостом ходу вытягивание оболочки 13 из кристаллизатора 1 осуществляется роликами 18 тянущего механизма.The device works as follows (Fig. 1). The drive communicates synchronous rotation to the eccentric shafts 4, 5, 6 and 7. When the eccentric shafts rotate, the calipers 2 and 3 mounted on them with the walls 8 and 9 attached to them simultaneously perform synchronous movements in the same plane along a closed trajectory with a radius equal to the eccentricity eccentric shafts. Such kinematics of the movement of the walls-drillers 8 and 9 of the detachable part of the prefabricated mold provides reciprocating vertical movements of the mold 1 with side walls 10 and 11, the cyclic formation of an I-beam from the shell 13 with the liquid phase 12 while simultaneously pulling the shell out of the mold 1 and advancing it through the detachable part of the prefabricated crystallizer. At idle, the shell 13 is pulled out of the mold 1 by the rollers 18 of the pulling mechanism.

Пример. В устройстве непрерывного литья получают двутавровую заготовку из стали 09Г2 высотой 400 мм, с шириной полок 200 мм и толщиной стенки 25 мм. Длина рабочей части неразъемного кристаллизатора 700 мм. Толщина двутавровой оболочки на выходе из неразъемного кристаллизатора 15 мм. Скорость вращения эксцентриковых валов 90 об/мин, скорость выхода двутавровой заготовки из сборного кристаллизатора 3 м/мин.Example. In the continuous casting device, an I-beam is produced from steel 09G2 400 mm high, with a shelf width of 200 mm and a wall thickness of 25 mm. The length of the working part of the one-piece mold is 700 mm. The thickness of the I-beam shell at the outlet of the one-piece mold is 15 mm. The speed of rotation of the eccentric shafts is 90 rpm, the speed of the exit of the I-beam billet from the prefabricated mold is 3 m/min.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет улучшить качество двутавровых заготовок за счет предотвращения образования дефектов и ликвации в двутавровой заготовке и увеличить производительность процесса непрерывного литья за счет увеличения скорости вытягивания оболочки.Thus, the claimed invention makes it possible to improve the quality of I-beam blanks by preventing the formation of defects and segregation in the I-beam blank and increase the productivity of the continuous casting process by increasing the speed of shell pulling.

Литература.Literature.

1. Комратов Ю.С., Лехов О.С.Совершенствование производства проката в условиях НТМК. Екатеринбург: Изд-во «Банк культурной информации», 2002. - 384 с.1. Komratov Yu.S., Lekhov O.S. Improving the production of rolled products under the conditions of NTMK. Yekaterinburg: Publishing House "Bank of Cultural Information", 2002. - 384 p.

Claims

1. A method for continuous casting of I-beams, including the supply of liquid metal to a one-piece mold having an I-beam in the working cavity section, characterized in that the movable profiled walls-drillers and side walls of the detachable part of the prefabricated mold form an I-beam with a liquid phase from an I-beam shell with a liquid phase by closing of two opposite walls of the shell until they are in full contact, while providing the application of forces to the outer surfaces of the other two walls of the shell and at the same time pulling the shell with the liquid phase from the one-piece mold and advancing it through the detachable part of the prefabricated mold.

2. A device for continuous casting of I-beams, containing a one-piece mold having an I-beam in the working cavity, characterized in that two side walls are fixed on the ends of the one-piece mold, the distance between the inner working surfaces of which is equal to the height of the I-beam, and these two side walls form a closed a detachable part of the prefabricated mold together with two movable profiled walls-strikers, while at the outlet the cross section of the prefabricated mold corresponds to a given cross section of an I-beam billet.