Spôsob horizontálneho kontinuálneho liatia kovov a sústava induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora

Číslo patentu: U 7431

Dátum: 01.06.2016

Autori: Murgaš Marian, Pokusová Marcela, Tehlár Pavol

Je ešte 3 strany.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka spôsobu horizontálneho kontinuálneho liatia kovov a konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora v technológii kontinuálneho liatia Al zliatin s levitáciou. Vynález patrí do oblasti kontinuálneho liatia a zlievarenstva.Vo vývoji technológií kontinuálneho liatia Al zliatin bolo významným prínosom nahradenie mechanického kontaktu tuhnúcej taveniny so stenami kryštalizátora pôsobením elektromagnetických síl. Tvarovanie povrchu kontizliatku vtedy preberá špeciálny induktor známy pod pojmom elektromagnetický kryštalizátor(EMK), ktorým tečie striedavý elektrický prúd. Striedavé magnetické pole vybudené induktorom vstupuje do tvarovanej taveniny a indukuje v jej objeme elektrický prúd, ktorý vytvorí vlastné magnetické pole s opačným znamienkom, dôsledkom čoho medzi induktorom a taveninou vznikajú odpudivé sily. Magnetické pole sa pri prestupe taveninou exponenciálne zoslabuje, dôsledkom čoho sa zoslabujú aj generované sily. Hĺbka pod povrchom, v ktorej sa intenzita prestupujúceho magnetického poľa zoslabí e-násobne, sa označuje ako ô a je známa ako hĺbka vniku poľa. Medzi povrchom a hlbkou 5 sa vytvára približne 86,4 z maximálneho možného množstva síl. Elektromagnetický tlak preto nepôsobí na tvarovaný povrch, ale vzniká v kúpeli taveniny, pričom v hĺbke 0,346 ô od povrchu vzniká 50 síl. Na tvarovaní kúpeľa taveniny sa preto musia podieľať i sily povrchového napätia. Pre hodnotu tlaku vyvíj aného striedavým magnetickým poľom platí vzťah p H 2/4, kde p je tlak v Pa (N.m 2) a H je intenzita magnetického poľa v A.m 1, ktoré bolo takmer úplne pohltené taveninou a je permeabilita taveniny 0 z 47 t . 107 H.m 1.V praxi sa veľmi dobre osvedčilo použitie elektromagnetického tvarovania, pri ktorom je kontizliatok vertikálne usporiadaný podľa patentu US 3 773 101 (A). Podmienkou funkčnosti elektromagnetického kryštalizátora je, aby na dostatočnej výške medzi hladinou a zónou tuhnutia bola periféria taveniny orientovaná zvisle. Vtedy musia byť v rovnováhe gravitačné sily s elektromagnetickými, teda na čo najväčšej výške kúpeľa taveniny na hornej časti kontizliatku musí platiť vzťah pgh ,uH 2/4. Pri vývoji EMK spočiatku prevažovala tendencia zväčšovania prierezu ingotov, ktorý dnes prekročil 1 m 2. Pri požiadavke zmenšovania prierezu pod 0,01 m 2 sa vertikálne usporiadanie ukázalo ako nevýhodné pre problémy so stabilitou polohy kontizliatku a privádzaním tekutého kovu. Riešenie ponúklo horizontálne usporiadanie zariadenia.Sú známe spôsoby horizontálneho kontinuálneho liatia veľmi malých profilov, podľa patentu US 4 694 888,pri ktorom sa na vyvolanie levitácie taveniny využívajú elektromagnetické sily vytvorené interakciou jednosmerného elektrického prúdu tečúceho taveninou s magnetostatickým poľom privedeným zboku. Veľkou výhodou metódy je vysoká energetická účinnosť vyvolania levitácie, ale najmä priaznivý charakter generovaných síl. Ako vyplýva z rovnice F J x B, pri zaistení správnej priestorovej orientácie, kolmosti vektorov prúdovej hustoty J v tavenine a indukcie magnetického poľa B je generovaná sila F orientovaná proti vektoru gravitácie g a vyvolá levitáciu úseku kúpeľa taveniny so zónou tuhnutia. Pri tvarovaní profilu hrajú významnú úlohu sily povrchového napätia. Vytvorený profil kúpeľa taveniny je blízky kruhovému iba pri veľmi malých prierezoch, pri väčších sú odchýlky príliš veľké. Je tiež známy spôsob dotvarovania kontizliatku po jeho obvode doplnkovým induktorom podľa patentu GBZ 009 002 A, ktorý dovoľuje sformovať levitujúci kúpeľ do profilu pásu. Spoločným nedostatkom postupov založených na vyvolaní levitácie interakciou elektrického jednosmerného prúdu s vonkajším elektromagnetom je samotná požiadavka privedenia elektrického prúdu a tiež neuspokojivá tvarová presnosť plynulo liateho pásu.Je známych viac postupov, pri ktorých sa používa induktor situovaný vodorovne tak, aby vyvolal levitáciu kúpeľa taveniny so zónou tuhnutia. Zariadenie podľa patentu US 4 694 888 využíva na tvarovanie spodnej a vrchnej periférie taveniny dva induktory navrhnuté pre dané podmienky vyvolania levitácie kúpeľa taveniny tlakom zdola a dotvarovania hornej periférie kontizliatku. Nedostatkom známych riešení je najmä nevyhovujúca distribúcia magnetického poľa v pracovnom priestore ohraničenom sústavou induktorov. Bežné induktory sa vyznačujú veľkým poklesom intenzity magnetického poľa smerom od stredu a vyvolanie levitácie taveniny je možné len na krátkom úseku okolo stredu. Dlžka možnej polohy zóny taveniny v smere odťahu neprevyšuje 20 až 30 šírky induktora. Predĺženie zón aktívneho tvarovania sa síce dá dosiahnuť rozšírením vodiča induktora, ale vedie k zvýšeniu spotreby energie a k zväčšeniu vzdialenosti medzi zónou tuhnutia a miestom odvodu tepla. Vhodnosť na tvarovanie, t. j. technologická funkčnosť horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora (HEMK), je teda obmedzená na stred pracovného priestoru a na konci pracovného priestoru už môže dôjsť k priamemu kontaktu taveniny s induktorom.Vzhľadom na to, aby sa skvalitnila technológia kontinuálneho liatia Al zliatin s levitáciou, aby sa dosiahla tvarová presnosť plynulo liateho pásu, aby sa dosiahla vyhovujúca distribúcia magnetického poľa v pracovnom priestore ohraničenom sústavou induktorov a aby sa znížila spotreba elektrickej energie, naskytla sa možnosť riešiť tento problém technickými prostriedkami s použitím odlišnej sústavy induktorovna tvarovanie hornej a dolnej periférie kontizliatku so zohľadnením distribúcie magnetického poľa, hodnoty oddialenia, polohy zóny tuhnutia, množstva vyvíjaného tepla, efektívnej hodnoty prúdu tečúceho induktorom, spôsobu privedenia prúdu, odvodu vody z pracovného priestoru EMK, spôsobu štartu a ukončenia liatia.Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisovaný spôsob horizontálneho kontinuálneho liatia kovov a sústava induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora v technológii kontinuálneho liatia Al zliatin s levitaciou podľa tohto vynálezu.Nedostatky známych spôsobov sú v podstatnej miere odstránené spôsobom horizontálneho kontinuálneho liatia kovov podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že kontizliatok pôsobením elektromagnetických síl medzi horným a spodným induktorom sa tvaruje a levituje vo vzdialenosti oddialenia 2 až 6 mm medzi spodným induktorom a spodnou perifériou kontinuálne liateho pásu kovu, pričom aktívna zóna tuhnutia liateho pásu kovu je až 0,875 šírky spodného induktora a rýchlosť odťahu je 0,3 až 3 m/min. Je možný variant,že kontizliatok sa tvaruje a levituje pri rozdielnych intenzitách prúdu tečúceho horným a spodným induktorom. Alebo sa kontizliatok tvaruje a levituje pri zhodných intenzitách prúdu tečúceho horným a spodným induktorom.Uvedený spôsob vyústil do konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora V technológii kontinuálneho liatia Al zliatin s levitáciou podľa tohto vynálezu. Podstata vynálezu spočíva v tom, že pozostáva zo zloženého spodného induktora a zloženého horného induktora, kde zložený spodný induktor je tvorený hlavným spodným induktorom a aspoň jedným dolným pomocným induktorom a kde zložený horný induktor je tvorený hlavným horným induktorom a aspoň jedným horným pomocným induktorom. Pritom hlavný spodný induktor a hlavný homý induktor sú k sebe orientované plochými horizontálnymi základňami. Hrúbka hlavného spodného a horného induktora je v priečnom priereze maximálna na stredovej vertikále s minimami na ich oboch stranách. Zložený spodný induktor obsahuje dva dolné pomocné induktory, z ktorých jeden je umiestnený na strane odťahu. Zložený horný induktor obsahuje dva horné pomocné induktory, z ktorých jeden je umiestnený na strane odťahu. Induktory sú orientované navzájom paralelne a môžu to byť duté tyčové vodiče.Dolné pomocné induktory sú oddelené od hlavného spodného induktora alebo spolu tvoria monolit. Horné pomocné induktory sú umiestnené pod úrovňou a za minimom hrúbky plochej horizontálnej základne hlavného horného induktora. V jednej realizácii je zložený spodný induktor a zložený horný induktor v sériovom zapojení a majú prvé napájacie svorky pripojené k elektrickému zdroju, pričom šírka základne hlavného horného induktora je menšia ako šírka základne hlavného spodného induktora. Zložený spodný induktor a zložený horný induktor sú prepojené dutými prepojovacími členmi. V druhej realizácii je zložený spodný induktor a zložený homý induktor v paralelnom zapojení a majú prvé a druhé napájacie svorky pripojené k elektrickému zdroju, pričom šírka základne hlavného horného induktora je rovnaká ako šírka základne hlavného spodného induktora. Medzi zloženým spodným induktorom a zloženým horným induktorom je vytvorená technologická medzera na odvod ostrekovej vody. Je výhodné, ak zložený spodný induktor a zložený horný induktor sú pokryté Žiaruvzdorným elektroizolačným náterom.Následne je vysvetlená funkčnosť špeciálnej sústavy induktorov s tvarovo zložitým prierezom, ktorý je odlišný pre tvarovanie dolnej a hornej periférie tvarovaného pásu. Pri vyvolaní levitácie zo spodnej strany sa využíva vzdialenosť medzi telesom induktora a perifériou taveniny 2 až 6 mm. Dôsledkom interakcií magnetického poľa induktora s prúdom indukovaným v kúpeli taveniny pri zmenšovaní oddialenia pod 6 mm dochádza k strmému vzostupu odtláčacích elektromagnetických síl a uplatňuje sa určitá stabilizácia polohy periférie k induktoru. Interakcia polí induktora a jeho zrkadlového obrazu spôsobuje presun ťažísk prietoku prúdu k sebe a zvýšenie prúdovej hustoty v stene induktoru priľahlej ku tavenine. V takom prípade vodič s polomerom r, ktorým tečie prúd I, vo vzdialenosti I od elektricky vodivej roviny povrchu taveniny vytvorí rovnaké magnetické pole ako vodič nulovej hrúbky s rovnakou hodnotou prúdu I, ale vo vzdialenosti I od povrchu, keď Z 2 12 12. Hodnota intenzity magnetického poľa H,- na povrchu taveniny potom bude vektorovým súčtom oboch zložiek od samotného vodiča H a od jeho zrkadlového obrazu H . Pri vzdialenosti induktora od taveniny a, keď I a r, veľkosť príspevku Hi, od zvoleného elementárneho vodiča vo vzdialenosti x, od kolmice na povrch budePrierez vodiča s uvažovaným geometrickým tvarom prináša do výpočtov ďalšiu premennú, a to hrúbku t,keď so zmenou súradnice x sa mení aj hodnota polomeru fiktívneho vodiča R(fx). Po rozdelení vodiča induktora na n elementárnych vodičov, každým z týchto vodičov tečie n-tá časť celkového prúdu I, keď In I/n a polomer každého z týchto vodičov R(fx) bude funkciou x,- alebo odvodene funkciou í. Z hodnoty prúdu l tečúceho konkrétnym elementárnym vodičom umožní vyrátať hodnotu intenzity magnetického poľa Hx, pô 10sobiaceho na povrchu kúpeľa taveniny V mieste, ktoré je vzdialené o hodnotu x,- od kolmice vedenej ñktív nym vodičom na hladinu podľa vzťahu i 12 r ZaRUxh2 n (Romi a) r Rosa 3 Sumáma hodnota Hx, na všeobecnom mieste povrchu taveniny so súradnicou x s obecnými hodnotami R bude súčtom n príspevkov H, od všetkých n elementárnych vodičov a od ich n zrkadlových obrazov, keď platíizn H I L ,(0.2 ŽQRUXM m TNT I (12 2 aRUx)l-xž. í 0 Výhody konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora v technológii kontinuálneho liatia Al zliatin s levitáciou podľa vynálezu sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Touto konštrukciou je zaistená funkčnosť po celej šírke induktora, kde sa vylučuje možnosť priameho kontaktu induktora s taveninou. Aktívna poloha zóny tuhnutia môže siahať pri šírke induktora 28 mm približne i 12 mm okolo stredu induktora, t. j. až do vzdialenosti 2 mm pred koncom pracovného priestoru. Prevýšenie okrajov pracovného priestoru HEMK, ktoré zaisťuje vhodnú distribúciu magnetického poľa na dolnej ploche pásu, súčasne vytvára priehlbinu, z ktorej sa odvádza chladiaca voda, odstreknutá z chladiaceho systému alebo skondenzovaná na induktore, ale aj tekutý kov na konci liatia alebo v havarijnej situácii, keď sa už neuplatňuje vztlak. Problém rieši spôsob privedenia prúdu do induktora, a to v mieste dolného konca uhlopriečky telesa induktora. Medzera medzi prívodmi je široká cca 2 až 3 mm a po celej šírke induktora 28 mm, aby bola schopná odviesť vodu z plochy približne 20 x 160 mm. Spoľahlivý odtok vody zaistí šikmáplocha z organosilikátu alebo nenavlhavej keramiky po celej šírke induktora, ktorá sa zvažuje smerom k bočnej medzere medzi prívodmi prúdu. Sikmá plocha rieši aj havarijný odchod taveniny.Prehľad obrázkov na výkresochKonštrukcia sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora v technológii kontinuálneho liatia s levitáciou podľa technického riešenia bude bližšie ozrejmená na výkresoch, kde na obrázku l je znázornený princíp levitácie taveniny nad spodným induktorom. Na obrázku 2 sú znázornené dva technicky výhodné návrhy induktorov. Na obrázku 3 je znázornené tvarovanie spodnej a hornej periférie spolu s distribúciou magnetického poľa. Na obrázku 4 je v čelnom pohľade znázornená sústava paralelne zapojených induktorov. Na obrázku 5 je v čelnom pohľade znázornená sústava sériovo zapojených induktorov. Na obrázku 6 je znázornená aplikácia sústavy induktorov v horizontálnom elektromagnetickom kryštalizátore.Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia podľa technického riešenia sú predstavované na ilustráciu, a nie ako obmedzenia technických riešení. Odborníci znalí stavu techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam technického riešenia. Aj takéto ekvivalenty budú patriť do rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu. Pre odborníkov znalých stavu techniky nemôže robiť problém optimálneho navrhnutia konštrukcie, preto tieto znaky neboli detailne riešené.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaná prvá realizácia spôsobu horizontálneho kontinuálneho liatia kovov, kde kontizliatok sa tvaruje a levituje pri zhodných intenzitách prúdu tečúceho horným a spodným induktorom, pričom kontizliatok pôsobením elektromagnetických síl medzi horným a spodným induktorom sa tvaruje a levituje vo vzdialenosti oddialenia Z až 6 mm medzi spodným induktorom a spodnou perifériou kontinuálne liateho pásu kovu, čo je principiálne znázornené na obrázku l. Výsledkom je parameter, kde aktívna zóna tuhnutia liateho pásu kovu je až 0,875 šírky spodného induktora a rýchlosť odťahu je 0,3 až 3 m/min. Tiež sa dosiahne podstatne väčšie oddialenie medzi hornou perifériou kontizliatku a horným induktorom.Príklad 2 V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaná druhá realizácia spôsobu horizontálneho kontinuálneho liatia kovov, kde kontizliatok sa tvaruje a levituje pri rozdielnych in 10tenzitách prúdu tečúceho horným a spodným induktorom, pričom kontizliatok pôsobením elektromagnetických síl medzi horným a spodným induktorom sa tvaruje a levituje vo vzdialenosti oddialenia 2 až 6 mrn medzi spodným induktorom g a spodnou perifériou A kontinuálne liateho pásu kovu, čo je aj so zrkadlovým obrazom § induktora znázornené na obrázku l. Výsledkom je parameter, kde aktívna zóna mhnutia liateho pásu kovu je až 0,875 šírky spodného induktora a rýchlosť odťahu je 0,3 až 3 In/min. Tu sa dosahuje oddialenie 2 až 6 mm pre obe periférie kontizliatku medzi horným aj spodným induktorom.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaná prvá realizácia konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora (HEMK) v technológii kontinuálneho liatia pásu hrúbky 20 mm širokého 150 mm Al zliatin s levitáciou, ako je to znázornené na obrázkoch 2, 5 a 6. Sústava induktorov pozostáva zo zloženého spodného induktora g a zloženého horného induktora g, kde zložený spodný induktor g je tvorený hlavným spodným induktorom a dvoma dolnými pomocnými induktormi Q, z ktorých jeden je na strane odťahu, a kde zložený horný induktor g je tvorený hlavným horným induktorom Q a dvoma hornými pomocnými induktormi Q, z ktorých jeden je na strane odťahu. Hlavný spodný induktor Q a hlavný horný induktor Q sú k sebe orientované plochými horizontálnymi základňami. Hrúbka hlavného spodného a homého induktora Q, Q je v priečnom priereze maximálna na stredovej vertikále s minimami na ich oboch stranách, ako je to znázornené na obrázku 2 a 6. Induktory sú dutej tyčovej konštrukcie. Dolné pomocné induktory 1.2 spolu s hlavným spodným induktorom tvoria monolit. Alternatívne, dolné pomocné induktory Q sú oddelené od hlavného spodného induktora Q a môžu mať prípadne aj inú konštrukciu vodiča, napríklad so vzduchovým chladením. Horné pomocné induktory Q sú umiestnené pod úrovňou a za rninimom hrúbky plochej horizontálnej základne hlavného horného induktora 2.1.V tejto realizácii konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora(HEMK) sú zložený spodný induktor g a zložený horný induktor g zapojené do série a tak obsahujú spoločné prvé napájacie svorky 5, ktorými sú pri zhodnej intenzite elektrického prúdu napojené z neznázorneného elektrického zdroja. Pre túto realizáciu je typické, že šírka základne hlavného horného induktora Q je menšia ako šírka zakladne hlavného spodného induktora Q. Tiež zložený spodný induktor g a zložený horný induktor g sú prepojené dutými prepojovacími členmi 5. Vzhľadom na to, že zložený spodný induktor g, zložený horný induktor g a prepojovacie členy 5 sú duté, tak koncová časť zloženého spodného induktora g je vybavená prívodom Z chladiacej vody induktorov a spodná koncová časť druhého prepojovacieho člena 5 je vybavená odvodom § chladiacej vody induktorov, ako je to znázornené na obrázku 5. Zložený spodný induktor g, zložený horný induktor g sú pokryté žiaruvzdorným elektroizolačným náterom.Aktívna poloha zóny tuhnutia, v ktorej sa veľkosť oddialenia pohybuje v rozmedzí 3 až 3,5 mm, môže siahať pri šírke induktora 28 mm približne i 12 mm okolo stredu induktora, t. j. až do vzdialenosti 2 mm pred koncom pracovného priestoru. Za touto hranicou sa hodnota oddialenia a zmenší a na konci pracovného priestoru sa zmenší asi na 2,5 mm. Prevýšenie okrajov pracovného priestoru HEMK zaisťuje vhodnú distribúciu magnetického poľa, ako je to znázornené na obrázku 3.Parametre procesu na liatie pásu s hrúbkou 20 mm zo zliatin AlSi 8 . 5 Cul a AISnZO sú uvedené v tabuľke, kde Hł je hodnota intenzity magnetického poľa pôsobiaca na spodnej periférií pasu a El je hodnota intenzity magnetického poľa na hornej periférií, je vzdialenosť od hladiny v zásobníku po spodnú perifériu a l 1 l je vodivosť po hornú perifériu pásu. Veličina lłf je efektívna hodnota striedavého prúdu s frekvenciou 10 kHz tečúceho induktorom, 5 je hĺbka vniku magnetického poľa a Q je hustota taveniny.Je možná aj alternatívna konštrukcia, kde sústava induktorov pozostáva zo zloženého spodného induktora g a zloženého horného induktora g, kde zložený spodný induktor g je tvorený hlavným spodným induktorom Q a jedným dolným pomocným induktorom 1.2 na strane odťahu a kde zložený horný induktor g je tvorený hlavným horným induktorom Q a jedným horným pomocným induktorom Q na strane odťahu.V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu technického riešenia je opísaná druhá realizácia konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora (HEMK) v technológii kontinuálneho liatia pásu hrúbky 20 mm širokého 150 mm Al zliatin s levitáciou, ako je to znázornené na obrázkoch 2 a 4. V základe je konštrukcia opísaná v príklade č. 3. Rozdielnosť konštrukcie a zapojenia spočíva v tom, že v tejto realizácii konštrukcie sústavy induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora

MPK / Značky

MPK: B22D 11/04, B22D 11/01

Značky: liatia, spôsob, kovov, induktorov, elektromagnetického, kontinuálneho, kryštalizátora, sústava, horizontálneho

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/11-u7431-sposob-horizontalneho-kontinualneho-liatia-kovov-a-sustava-induktorov-horizontalneho-elektromagnetickeho-krystalizatora.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob horizontálneho kontinuálneho liatia kovov a sústava induktorov horizontálneho elektromagnetického kryštalizátora</a>

Podobne patenty