СПОСОБ СОВМЕЩЕННОЙ ПРОКАТКИ И ПРЕССОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для получения профилей, катанки, секторных жил, преимущественно из алюминия и алюминиевых сплавов, методом совмещенной прокатки и прессования. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройство и способ непрерывного литья по патенту RU2547775, B22D1 1/12, опубл.10.04.2015. Машина непрерывного литья металлического продукта содержит кристаллизатор и ряд ограничительных направляющих секций с роликами для направления металлического продукта литья, выходящего из кристаллизатора, которая снабжена одной или более ограничительными направляющими секциями смешанного типа, каждая из которых содержит один или более направляющих роликов, расположенных с одной стороны от металлического продукта литья, и изолирующие и/или отражающие и/или нагревательные панели, расположенные с противоположной стороны металлического продукта литья, причем ограничительные направляющие секции смешанного типа расположены в продолжении одной или более ограничительных направляющих секций с роликами или между ограничительными направляющими секциями с роликами. Способ непрерывного литья металлического продукта с использованием машины по патенту RU2547775 включает направление металлического продукта литья, выходящего из кристаллизатора машины непрерывного литья, с помощью ограничительных направляющих секций с роликами и ограничительных направляющих секций смешанного типа, в котором при
снижении скорости литья с 6-7 м/мин или более на скорость 4-5 м/мин или менее направление металлического продукта литья осуществляют с помощью ограничительных направляющих секций смешанного типа за счет замены по меньшей мере одной из ограничительных направляющих секций с роликами. Изобретение обеспечивает снижение температурных потерь и регулирование тепловых условий продукта литья на выходе из кристаллизатора при изменении скорости литья.
Недостатком указанного изобретения является то, что способ получения литой заготовки с помощью дополнительных поддерживающих валков, не предусматривает процесс ее обработки давлением и получения конечного изделия в виде прутка и профиля.
Известен способ прокатки полосового металла и соответствующий прокатный стан по патенту RU 2568550, В21В1/46 , опубл. 20.11.2015, согласно которым установка для производства полосы содержит:
- литьевую машину, снабженную кристаллизатором и обеспечивающую возможность непрерывного литья тонкого сляба с низкой скоростью, в диапазоне приблизительно от 3,5 метров в минуту до 6 метров в минуту,
- узел быстрого нагрева,
- прокатный стан Стеккеля, содержащий две комбинированные клети реверсивного типа,
- по меньшей мере одну клеть черновой прокатки, выполненную с возможностью уменьшения толщины только что затвердевшего тонкого сляба и установленную в производственной линии сразу за упомянутой литьевой машиной и перед упомянутым узлом быстрого нагревания, при этом упомянутый узел быстрого нагрева выполнен в виде индукционной печи, обеспечивающей по меньшей мере компенсацию температурных потерь тонкого сляба при прохождении его через клеть черновой прокатки, причем в производственной линии за указанной индукционной печью установлено устройство для наматывания и разматывания, снабженное по
меньшей мере двумя сердечниками и обеспечивающее возможность выборочно и попеременно осуществлять функцию наматывания полосы, поступающей от литьевой машины, и разматывания ее для подачи на упомянутый прокатный стан Стеккеля.
При этом способ производства полосы включает:
- операцию непрерывного литья в кристаллизаторе тонкого сляба, имеющего толщину в диапазоне от 25 мм до 50 мм, со скоростью в диапазоне от 3,5 метров в минуту до 6 метров в минуту,
- операцию черновой прокатки тонкого сляба по меньшей мере в одной клети черновой прокатки для уменьшения толщины до величины от 10 мм до 40 мм, обеспечивающей возможность наматывания,
- операцию прокатки,
- операцию охлаждения и
- операцию наматывания конечного продукта в виде полосы,
- операцию быстрого нагрева с использованием электрической индукции для компенсации по меньшей мере температурных потерь на участке производственной линии после операции литья и в процессе операции черновой прокатки,
- операции наматывания и разматывания, осуществляемые с помощью устройства для наматывания и разматывания, снабженного двумя сердечниками, после упомянутой операции быстрого нагрева,
при этом упомянутую операцию прокатки полосы, разматываемой упомянутым устройством для наматывания и разматывания, осуществляют в прокатном стане Стеккеля с двумя клетями реверсивного типа не более чем за три двойных пропуска с получением конечного продукта в виде полосы, толщина которого составляет величину от 1,2 мм до 16 мм, при этом в каждом из прокатных пропусков процентное уменьшение толщины полосы в первой клети прокатного стана Стеккеля
с двумя клетями составляет величину от 25% до 50%, а процентное уменьшение толщины полосы во второй клети - до 30%.
Недостатком известного из RU 2568550 изобретения является то, что с помощью предлагаемой конструкции литейного стана и способа невозможно производить продукты литья, такие как прутки или профили небольшого сечения.
Известен способ прессования металлов, при котором в одной технологической операции совмещается кристаллизация расплавленного металла на поверхности валков, прокатка металла в валках и прессование в матрице (патент RU2519078). На стадии прессования последовательно осуществляется прямое прессование, угловое прессование и повторное прямое прессование, совмещенное с формообразованием конечного изделия. Чем достигается высокий уровень накопленной деформации, обеспечивается однородность свойств полуфабриката.
Недостатком известного способа является низкая производительность, из-за необходимости преодоления высоких пассивных сил трения возникающих в инструменте в процессе равноканального углового прессования. При этом мощность активных сил трения в очаге деформации ограничена конструкцией валков. К тому же при совмещении процессов литья, прокатки и равноканального углового прессования, трудность вызывает отвод большого количества тепла образовывающегося при деформационном разогреве, что снижает износостойкость инструмента, ограничивает номенклатуру используемых алюминиевых сплавов.
Наиболее близким прототипом способа по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому, является совмещенный процесс непрерывного литья и прессования цветных металлов (патент RUN!.2100136) включающий кристаллизацию расплавленного металла в роторном кристаллизаторе, прокатку металла в валках, прессование в
матрице, охлаждение прессованного полуфабриката и последующую его смотку.
Недостатком прототипа по способу является нестабильность свойств прессованного полуфабриката, в связи с отсутствием элемента стабилизации температуры литой заготовки перед валками. Указанные клиновые полости на матрице, делают сложным процесс изготовления матрицы и короткий цикл работы инструмента (низкая износостойкость). Известно аналогичное устройство для непрерывного литья прокатки и прессования катанки (патент RU2559615). Устройство может быть использовано для получения сплошных и полых пресс изделий из металлов и сплавов.
Недостатком аналогичного устройства является то, что при подаче жидкого металла в рабочий калибр возможно образование окислов, неметаллических включений, газовой пористости. Это снижает качество полуфабрикатов, приводит к неоднородности свойств конечного продукта, отрицательно сказывается на механических свойствах, таких как временное сопротивление разрыву и относительное удлинение. Низкая эффективность процесса охлаждения при кристаллизации металла на валках не обеспечивает высокой производительности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, является устройство для непрерывной совмещенной прокатки и прессования длинномерных изделий (патент на полезную модель RU122315). Устройство может быть использовано для получения длинномерных изделий в виде катанки прутков и проволоки с относительно небольшим поперечным сечением преимущественно из цветных металлов и сплавов методом непрерывной совмещенной прокатки прессования. Устройство для непрерывной совмещенной прокатки и прессования включает валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлен матрицедержатель с
прижимным устройством. В пазу матрицедержателя установлена матрица в виде прямой трапецеидальной призмы с охлаждающими каналами, причем матрица выполнена составной, содержит калибровочную и направляющую части.
Недостатком прототипа по устройству является то что, конструкция держателя матрицы не обеспечивает фиксирование сменной части матрицы от поворота вокруг оси прессования. В связи с чем не гарантируется обеспечение равномерного зазора на контактной поверхности подвижных валков и неподвижной матрицы, контакт сталь- сталь приводит к их интенсивному износу.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества получаемых длинномерных изделий, повышение однородности механических свойств изделий, а также повышение эффективности процесса прокатки и прессования литой заготовки в целом за счет снижения энергозатрат, исключения внутренних дефектов, увеличения срока службы валков и матрицы и снижения возвратных потерь металла в процессе прессования.
Указанный технический результат достигается за счет предлагаемого устройства для совмещенной прокатки и прессования литой заготовки, которое содержит:
роторный кристаллизатор, формирующий литую заготовку бесконечной длинны, валок с ручьем и валок с выступом, образующие рабочий калибр, на выходе из которого размещена матрица, установленная в пазу матрицедержателя, устройство для регулирования температуры подаваемой литой заготовки, установленное перед валками, при этом перед рабочим калибром размещены направляющие элементы, установленные с возможностью фиксации литой заготовки под углом к оси
прессования или параллельно оси прессования, верхняя часть выступа валка с выступом имеет Т-образную поверхность, валок с ручьем содержит выступы, а валок с выступом содержит пазы, которые размещены относительно друг друга так, что выступы и пазы образуют лабиринтное сопряжение упомянутых валков друг с другом, матрица выполнена с возможностью фиксации ее положения относительно матрицедержателя при помощи сопрягаемых пазов и выступов, выполненных в матрице и матрицедержателе, причем между поверхностями валков и матрицы в рабочем калибре предусмотрены зазоры,
Предлагаемое устройство дополняют частные случаи его выполнения.
Согласно предложенному варианту, рабочая часть матрицы, контактирующая с очагом деформации литой заготовки в рабочем калибре, может иметь Т-образную форму сечения.
Часть матрицы, зафиксированная в матрицедержателе, может иметь цилиндрическую форму.
Согласно одному из предложенных вариантов, между боковыми поверхностями ручья валка и контактными поверхностями матрицы выполнен зазор, ширина которого может составлять от 0,2 до 0, 5 мм.
Согласно одному из предложенных вариантов, между боковыми поверхностями ручья валка и неконтактными поверхностями матрицы выполнен зазор, ширина которого может составлять от 2,0 до 3,0 мм.
Согласно одному из предложенных вариантов, матрица установлена в рабочем калибре с зазором между поверхностью матрицы и поверхностью вершины выступа валка, и с зазором между поверхностью матрицы и поверхностью дна ручья валка, при этом ширина указанных зазоров может составлять от 1,0 до 2,0 мм.
По всей окружности валков могут быть выполнены внутренние охлаждаемые каналы, и на выходе из матрицы в матрицедержателе могут быть также установлены каналы для подвода и отвода хладагента.
Согласно одному из предложенных вариантов, устройство для регулирования температуры подаваемой литой заготовки представляет собой комбинированный узел, содержащий устройство для нагрева и устройство для охлаждения. Устройство для нагрева может представлять собой индуктор, предназначенный для осуществления индукционного нагрева литой заготовки при температуре заготовки ниже заданной. Устройство для охлаждения может представлять собой охладитель, в котором осуществляется орошение литой заготовки охлаждающей жидкостью, если температура литой заготовки выше заданной.
Выступ валка с выступом может иметь такую конфигурацию, при которой соотношение размеров высоты пояска к ширине выступа, которое составляет 0,07- 0,08.
Согласно одному из предложенных вариантов, рабочая часть матрицы, имеющая Т-образную форму сечения, имеет соотношение высоты пояска к ширине матрицы, составляющее 0,08- 0,09.
Угол подачи литой заготовки относительно оси прессования составляет от 0 до 20 градусов, предпочтительно от 5 до 20, предпочтительно от 10 до 20.
Согласно одному из предложенных вариантов, между контактными поверхностями Т-образного выступа валка и боковыми поверхностями ручья валка может быть выполнен зазор, ширина которого составляет от 0,2 до 0,5мм. При этом, между неконтактными поверхностями Т-образного выступа валка и боковыми поверхностями ручья валка ширина зазора может составлять от 2,0 до 3,0мм
Согласно одному из предложенных вариантов, заявленное устройство может дополнительно содержать устройство для охлаждения прессованного длинномерного изделия.
Указанный технический результат достигается также за счет осуществления способа совмещенной прокатки и прессования металлов или сплавов, включающего следующие стадии:
осуществляют кристаллизацию литой заготовки,
подают литую заготовку с предварительно заданной температурой в рабочий калибр, образованный двумя валками, в котором осуществляют прокатку, и затем в матрицу, через которую осуществляют прессование, получают готовые прессованные изделия, при этом
перед подачей литой заготовки в рабочий калибр регулируют температуру литой заготовки путем дополнительного нагрева или охлаждения,
подачу литой заготовки в рабочий калибр осуществляют под углом к оси прессования или параллельно указанной оси,
при подаче литой заготовки в рабочий калибр создают на поверхностях валков плакирующий слой металла или сплава путем выдавливания литой заготовки через зазоры, образованные между поверхностями валков и матрицы.
Предлагаемый способ позволяет получать готовые длинномерные прессованные изделия с коэффициентом вытяжки от 5,2 до 16,8.
Предлагаемый способ может быть применен для осуществления прокатки и прессования алюминия или сплавов алюминия.
Согласно одному из предложенных вариантов, разливку металла в кристаллизатор могут осуществлять параллельно горизонтальной оси кристаллизатора.
Температуру литой заготовки перед подачей на поверхность валков поддерживают в диапазоне от 380 до 420 °С, предпочтительно в диапазоне от 400 до 420 °С.
Согласно одному из предложенных вариантов, литую заготовку индукционно нагревают, если ее температура ниже заданной температуры,
или охлаждают путем подачи на ее поверхность хладагента, если ее температура выше заданного значения.
Согласно предложенному варианту, подачу литой заготовки на поверхность валков осуществляют под углом к оси прессования, составляющим от 0 до 20 градусов, предпочтительно от 5 до 20 градусов, предпочтительно от 10 до 20 градусов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства
На фиг. 2 представлена принципиальная схема сопряжения валков ручей-выступ в разрезе.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема сопряжения матрица - валок с ручьем в разрезе.
На фиг. 4 представлена принципиальная схема сопряжения матрице держатель-матрица в разрезе.
На фиг. 5 показано соотношение геометрических размеров выступа.
На фиг. 6 показано соотношение геометрических размеров матрицы.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для совмещенной прокатки и прессования (фиг. 1) содержит:
печь-миксер 1 с жидким алюминием или сплавом алюминия 2, роторный кристаллизатор 3, формирующий литую заготовку 4 бесконечной длинны, устройство регулирования температуры литой заготовки 5, ролики направляющего элемента 6, валок 7 с ручьем и валок 8 с выступом и матрицу 9, образующие закрытый рабочий калибр (фиг. 2), для прессования полуфабриката 10, устройство охлаждения прессованного полуфабриката 11.
Цилиндрическая поверхность валка 7 с ручьем имеет выступы 12, сопряженные с пазами 13, выполненными на цилиндрической
поверхности валка 8 с выступом. Указанные выступы и пазы на поверхностях валков 7 и 8 образуют лабиринтное сопряжение упомянутых валков друг с другом. При работе установки внутри рабочего калибра за счет активных сил трения создается очаг деформации. Выступ 14 валка 8 имеет Т-образную форму рабочей поверхности в месте сопряжения с очагом деформации (заштрихованная область на фиг.2). При этом Т- образная форма выступа валка 8 размещена относительно ручья валка 7 с возможностью образования зазора К между боковыми поверхностями ручья валка 7 и контактными поверхностями выступа валка 8 (фиг. 2). При этом при этом ширина зазора К составляет 0,2-0,5 мм. Между контактными поверхностями ручья валка 7 и не контактными поверхностями выступа валка 8 обеспечивается зазор L равный 2,0 - 3,0мм. Т-образный выступ валка 8 (фиг. 5) имеет соотношение размеров высоты пояска с к ширине выступа Ь, составляющее 0,07- 0,08.
Матрица 9 (фиг. 3), имеет Т-образную форму рабочей поверхности
14, сопряженную с очагом деформации и боковыми поверхностями ручья валка 7. При этом между боковыми поверхностями ручья валка 7 и контактными поверхностями матрицы 9 выполнен зазор М ширина которого составляет 0,2-0,5 мм. Между контактными поверхностями ручья валка 7 и не контактными поверхностями матрицы 9 обеспечивается зазор N равный 2,0 - 3,0мм.
Рабочая часть матрицы (фиг. 6) имеет соотношение высоты пояска d к ширине матрицы е, составляющее 0,08- 0,09.
Матрица 9 (фиг. 4) и матрицадержатель 15 имеют сопрягаемые прямоугольные выступы и пазы, предназначенные для исключения поворачивания цилиндрической части матрицы 9 относительно матрицедержателя 15.
Матрицадержатель обеспечивает установку матрицы в рабочем калибре с зазором G между поверхностями: вершина выступа валка - матрица и дно ручья валка - матрица, равном 1-2 мм.
За счет наличия зазоров между рабочими поверхностями валков, и рабочими поверхностями валков и матрицей исключается контакт сталь- сталь, всвязи с чем увеличивается срок их службы. При этом в процессе прессования на контактных поверхностях валков образуется плакирующий слой металла или сплава, например, алюминия или его сплава, тем самым увеличивается мощность активных сил трения за счет коэффициента трения металл-металл, в частном случае выполнения, это может быть плакирующий слой алюминий-алюминий. При этом матрица гранями рабочих поверхностей формирует плакирующий слой металла на валках.
Толщина плакирующего слоя металла или сплава на рабочих поверхностях ручья и выступа валков 7 и 8 составляет от 0.2 до 2.0 мм.
Как уже упоминалось, Т-образная форма рабочей части 14 матрицы 9 позволяет создать зазор G между боковыми поверхностями ручья и контактными поверхностями матрицы. За счет наличия зазора М между боковыми поверхностями ручья и контактными поверхностями матрицы и матрицедержателя, и жесткого позиционирования матрицы 9 относительно матрицедержателя 15 и валков 7, 8 исключается контакт сталь-сталь, снижается износ матрицы.
Как уже упоминалось, Т-образная форма матрицы так же обеспечивает наличие зазоров N между боковыми поверхностями ручья и не контактными поверхностями матрицы и матрицедержателя. За счет наличия зазоров М и N, исключается образование уса и потери металла из рабочего калибра в сопряжении матрица - ручей при прессовании.
По всей окружности валков 7 и 8 выполнены внутренние охлаждаемые каналы.
На выходе из матрицы 9 установлены каналы для подвода и отвода хладагента.
Устройство 5 регулирования температуры литой заготовки обеспечивает ее оптимальную температуру 380-420°С для обеспечения стабильного процесса прессования, стабильных свойств прессованных длинномерных полуфабрикатов независимо от режимов литья, температуры литой заготовки на выходе из кристаллизатора. Устройство стабилизации температуры представляет собой комбинированный узел, состоящий из индуктора (для нагрева литой заготовки при температуре ниже номинальной) и охладителя (для охлаждения литой заготовки при температуре выше номинальной). Нагрев литой заготовки осуществляется за счет индукционного нагрева, Охлаждение литой заготовки осуществляется за счет орошения. Контроль заданной температуры литой заготовки осуществляется бесконтактным способом, например, при помощи пирометра. Задаваемая температура 380-420°С обеспечивает достаточную прочность литой заготовки в горячем состоянии для ее точного позиционирования в рабочем калибре валков 7 и 8 направляющим устройством 6.
Из печи-миксера 1 металл или сплав металла (например, алюминий или алюминиевый сплав) 2 горизонтально подается на роторный кристаллизатор 3, в котором формируется непрерывная литая заготовка 4. Литая заготовка 4 через устройство стабилизации температуры 5 и ролики направляющего элемента 6 поступает в рабочий калибр образованный валками 7, 8. Направляющий элемент 6 обеспечивает подачу литой заготовки в валки под углом а к оси прессования, составляющем от 0 до 20°. При этом за счет поддержания оптимальной температуры литой заготовки 4 и выбора оптимального угла а подачи литой заготовки к оси прессования обеспечивается стабильность процесса подачи литой заготовки в калибр валков. Литая заготовка 4 захватывается валками 7, 8,
за счет активных сил трения в рабочем калибре, прессуется через калиброванное отверстие матрицы 9, полученный прессованный полуфабрикат 10 охлаждается в устройстве охлаждения 11. Т-образная форма выступа 14 валка 8 обеспечивает наличие зазора К между боковыми поверхностями ручья валка 7 и контактными поверхностями выступа валка 8, зазора L между боковыми поверхностями ручья валка 7 и неконтактными поверхностями выступа валка 8. За счет чего исключается контакт сталь - сталь в сопряжении ручей-выступ, снижается износ валков. В процессе прессования металл или сплав, из калибра образуемого валками 7, 8 запираемым матрицей 9, заполняет зазор L при этом за счет наличия на цилиндрических поверхностях лабиринта образованного выступами 12 валка 7, впадинами 13 валка 8 исключается дальнейший выход металла из калибра. Таким образом исключается образование уса и потери металла из рабочего калибра за счет самоуплотнения сопряжения ручей-выступ слоем алюминия, или его сплава формируемом в зазоре L.
Благодаря данному изобретению при реализации совмещенного процесса прокатки-прессования снижаются возвратные потери металла, снижаются энергозатраты процесса, повышается качество и однородность прессованных полуфабрикатов, повышается производительность.
Пример конкретной реализации способа и устройства.
В качестве примера практического использования устройства приведен пример деформирования непрерывной литой заготовки на опытно-промышленной линии ЛПА 6. В роторном кристаллизаторе 01510мм осуществляли литье с получением непрерывной литой заготовки размером 40X37мм. Непрерывную совмещенную прокатку и прессование осуществляли на установке СЛиПП с диаметром охлаждаемых валков 0428мм, при скорости вращения валков 3-12 об/мин. Температура расплава составляла 750°С, температура литой заготовки на выходе из
роторного кристаллизатора 520°С, температура литой заготовки после устройства стабилизации температуры на входе в калибр, поддерживалась в диапазоне 380-420°С. Использовали термостойкий сплав Al-Zr, содержащий мае. %: 0,1 кремний; 0,25 железо; 0,28 цирконий; алюминий остальное. Прессование проводили с помощью матриц с вытяжкой μ от 5,2 до 16,8, с последующим охлаждением и смоткой прессованного прутка. Была получена опытная партия катанки сплава Al-Zr 09,5мм в объеме 6т. Из отпрессованных прутков вырезали образцы на растяжение и электропроводность, по результатам испытаний оценивали их временное сопротивление разрыву GB, относительное удлиннение δ, удельную электропроводность.. Полученные бунты прессованного прутка были подвергнуты термическому отжигу. После проведения термического отжига повторно отбиралисть образцы на растяжение и электропроводность. Результаты испытаний образцов прессованного прутка и проволок приведены в таблице 1
Далее производилось волочение термообработанных бунтов прессованного прутка в проволоку до диаметра 3,50мм. Волочение проволок производилось на волочильной машине без скольжения. Скорость волочения на диаметре 3,50мм составила 7,21 м/сек. Для смазки
волок использовалась смазывапюще-охлаждающая жидкость. Маршрут волочения 9,5-8,0-6,92-5,93-5,04-4,32-3,71-3,50.
Результаты испытаний проволок диаметром 3,50мм приведены в таблице 2
После волочения было отобрано 15 образцов проволок диаметром 3,50мм для проведения испытаний на термостойкость. Термообработка образцов проволоки была проведена в лабораторной печи при температурах 230 , 280 , 400, в течении 1 часа. После термообработки образцы были охлаждены на воздухе
Результаты испытаний механических свойств и электропроводности проволок после термической обработки приведены в таблице 3
Таким образом, результаты испытаний показали, что проволока, изготовленная из катанки сплава Al-Zr, полученной предлагаемым методом совмещенной прокаткии прессования соответствует требованиям типов ATI, АТЗ, AT 4 международного стандарта МЭК 62004.