1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28558
(51) B22D 11/12 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0477.1
(22) 12.04.2013
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Тлеугабулов Сулейман Мустафьевич; Қойшина
Гүлзада Мынғышқызы; Сұлтамұрат Гүлмира
Изатуллақызы; Тажиев Елеусиз Болатович
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Казахский
национальный технический университет им.
К.И. Сатпаева" Министерства образования и науки
Республики Казахстан
(56) Патент РФ №2182858, кл. B22D 11/00, B22D
11/14, опубл. 27.05.2002г
(54) СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ
(57) Предложено новое техническое решение по
непрерывному литью расплава металла в
металлоизделие с возможностью изменения его
структуры и прочности термохимической
обработкой его поверхности. В качестве исходного
металлического расплава был использован
науглероженный металл - чугун с относительно
низкой температурой плавления tпл=1153°С,
обладающий хорошим литейным свойством
заполнять объем литейной формы. После
кристаллизации литого металлоизделия его
поверхность обрабатывается потоком
окислительного газа (СО2, О2) при температуре
1000-1100°С. На контактной поверхности
происходит твердофазное окисление растворенного
углерода. Слой чугуна с содержанием углерода
[С]=3,8-4,2% преобразуется в слой стали с
содержанием углерода [С]=0,5-1,5%. Слой стали
перемещается от контактной поверхности к
внутренним слоям с градиентным изменением
концентрации углерода.
(19)KZ(13)A4(11)28558

2. 28558
2
Предлагаемое техническое решение относится к
металлургии, в частности литейному процессу.
Непрерывный металлургический процесс является
наиболее эффективным и завершается
формированием и калибровкой металлоизделия.
Формирование металлоизделия из расплава
осуществляется двумя путями: 1) прокаткой
закристаллизованного слитка и 2) литьем в формы
изделия с дальнейшим охлаждением.
Второй путь для рядовых металлоизделий,
особенно бытового назначения, является наиболее
коротким и малозатратным. Большое значение для
народного хозяйства имеют способы и устройства
для организации непрерывного литья заготовок и
изделий. В этом отношении имеются определенные
успехи, предусматривающие подачу расплава в
кристаллизатор, вытягивание из него
закристаллизованного слитка и дальнейшую
обработку в процессе охлаждения.
Наиболее близким по сущности и достигаемому
результату процессом является способ
непрерывного литья заготовок, например, рельсовой
стали [Паради Филипп (FR), Маршионни Кристиан
(FR), Бабадилла Манюель (FR) и др. Пат.№2182858
МПК7
В22D 11/00, В22D 11/14, В22D 11/06, опубл.
2002.27.05. Патентообладатель Юзинор (FR), Тиссен
Шталь АГ (DE)]. Способ предусматривает заливку
стали в кристаллизатор, вытягивание из него слитка.
Слиток поступает далее во вторичный охладитель.
После приобретения слитком высокопластического
состояния слиток подвергается обжатию в
соответствующую форму. При этом длину обжатия
слитка в конце зоны затвердения регулируют в
зависимости от скорости его вытягивания.
Недостатком существующего способа является
ограниченная возможность непрерывного литья для
определенных форм заготовок, невозможность
формирования полых металлоизделий трубчатой и
квадратной формы, а также упрочнения их
поверхности термохимической обработкой. Кроме
того, процесс непрерывного литья усложнен
формированием изделия или заготовки после зоны
охлаждения. Несоответствие скорости вытягивания
заготовки высоте (или длине) зоны обжатия создает
неравномерность деформации слитка и образование
дефектов.
Целью предполагаемого изобретения является
формирование профиля металлоизделий,
непосредственно из расплава чугуна в
кристаллизаторе, вытягивание, термохимическая
обработка его поверхности, охлаждение, обжатие,
калибровка и выдача готового изделия.
Поставленная цель достигается тем, что расплав
чугуна из донного отверстия приемной воронки
заливают в металлоприемник, через боковые
отверстия которого далее он поступает в
кристаллизатор с подложкой заданного профиля
изделия, закристаллизованный профиль
вытягивают, вводят в камеру нагрева с
температурой 1000-1100°С, при которой подвергают
поверхность термохимической обработке в потоке
окислительного газа (СО2,О2), выдерживают в
течении 20-90 мин в зависимости от толщины стен
литого изделия, продолжают выдерживать систему
под нейтральной или слабовосстановительной
атмосферой в интервале времени 20-40 мм, далее
вытягивают в холодильную камеру, охлаждают до
200-300°С, подвергают литье обжатию в
соответствующую форму, калибруют и выпускают
готовое металлоизделие.
Изобретение поясняется чертежом, где 1 -
приемная воронка; 2 -графитовый капильник
металла с горизонтальными выпускными
отверстиями; 3 - короб-формообразователь; 4 -
кристаллизатор; 5 -холодильник; 6 -
закристаллизованное литье; 7 - флянцевое
соединение; 8 -короб трубчатой нагревательной
печи; 9 - трубка для газоотвода; 10 -нагревательная
трубчатая печь; 11 - свободное пространство (зазор)
между поверхностями литого изделия и
нагревательной печи; 12 - экран; 13 -нагревательный
элемент; 14 - теплоизоляция; 15 - патрубки для
подвода газа; 16 - холодильная камера; 17 -
флянцевое соединение холодильника; 18 -
сальниковое уплотнение.
Расплав металла заливают в приемную воронку
1. В донной части воронка имеет выпускное
отверстие, которое может закрываться и
открываться стопором. Воронка 1 плотно
отпирается на графитовый копильник металла 2,
который имеет боковые наклонные отверстия. Через
эти отверстия металлический расплав поступает в
короб по форме изделия 3, перекрываемую снизу
соответствующей подложкой, например, торцевой
поверхностью трубы. Торец изделия одновременно
является и подложкой и кристаллизатором 4.
Расплав металла в форме, соприкасаясь с
поверхностью подложки 4 и холодильника 5,
кристаллизуется и приобретает форму изделия.
Материал подложки по составу соответствует
составу заливаемого расплава. Поэтому стык между
ними при кристаллизации расплава образует
монолитное соединение. Кристаллизация
начинается с поверхности подложки и
распространяется вверх. Кристаллизатор через
флянцевое соединение 7 герметично соединен с
коробом трубчатой печи 8. Вытягивание подложки
(например, трубы заданного диаметра и толщины
стенок) приведет в движение формирующееся
изделие (той же трубы). Скорость вытягивания
должна быть равна скорости кристаллизации
металла в форме. Формировавшееся литое
металлоизделие опускаясь вниз, поступает в рабочее
пространство короба 8 нагревательной печи 10.
Между рабочей поверхностью печи и литым
изделием образуется зазор 11, через патрубки 15
продувают окислительный газ (СО2, О2) и отводится
через газоотвод 9.
Поступление расплава металла через донное
отверстие приемной воронки 1 в накопитель 2
обеспечивает постоянство уровня расплава и
непрерывную разливку металла из накопителя в
короб формообразователя 3. Соединение
формообразователя с накопителем металла
формирует профиль литого изделия и обеспечивает
разделение слоя металла по высоте на две части:

3. 28558
3
кристаллизационную - нижнюю и жидкую - верхнюю.
Жидкое состояние верхнего слоя обеспечивается
регулированием температуры нагрева металла в
плавильной печи.
1. Перекрытие нижней торцевой части формы
подложкой из того же материала и той же формы, что
и отливаемое изделие основана на том, что расплав
металла и подложка при кристаллизации первого на
поверхности второго образуют монолитное
соединение. Образование монолитного соединения
кристаллизующегося расплава в форме обеспечивает
вытягивание непрерывно формирующегося изделия.
Скорость кристаллизации определяется опытным
путем в зависимости от толщины стенок изделия и
разности температуры расплава и поверхности
кристаллизации. Вытягивание литого изделия
осуществляется со скоростью, равной скорости
кристаллизации. Это равенство обеспечивает
непрерывность получения литого металлоизделия из
выплавляемого металла.
2. Вытягивание закристаллизованного профиля
литья в герметизированную камеру нагрева
обеспечивает термохимическую обработку,
регулирование структуры и прочности его
поверхности в твердофазном состоянии литья.
3. Подача окислительного газового потока в камеру
нагрева с температурой 1000-1100°С и выдержка во
времени 20-90 мин основана на необходимости
проведения окислительного обжига,
обезуглероживания определенной толщины стен
литого металлоизделия, тем самым преобразования
хрупкого подслоя чугуна в вязкопластичный и более
прочный подслой стали.
4. Дополнительная выдержка системы в
нейтральной или слабовосстановительной атмосфере
предусматривает установление равновесия
массообменного процесса между наружным
окисленным и внутренним углеродсодержащим
слоями.
5. Охлаждение в холодильной камере и обжатие
литого изделия предусматривают предотвращение
вторичного окисления и уплотнение наружной
поверхности металлоизделия.
Установление подложки т формирование литья из
чугуна основаны на возможности осуществления
литья при более низкой температуре (1200-1250°С)
благодаря температуре плавления чугуна - 1153°С, и
плотной заполняемостью формы чугунным расплавом.
Растворенный в чугуне углерод обладает высоким
восстановительным потенциалом, активно
взаимодействует с окислителями. Для использования
этой возможности закристаллизованный профиль
литья вводится в герметизированную камеру нагрева.
3. Вдувание окислительного газа в жидкую ванну
расплава чугуна, практикуемое в кислородно-
конвертерных процессах, как известно, приводит к
одновременному окислению как углерода, так и
полезных металлов. В условиях твердофазного
чугунного литья при вводе окислительного газового
потока на поверхность изделия происходит в основном
избирательное окисление растворенного углерода
через поверхность раздела по реакциям
Fe2C + СО2 = 2[Fe] + 2СО
2Fe2C + СО2 = 4[Fe] + 2СО
и структурное изменение в слое металла
[Fe] +Fe2C = Fe3C
n[Fe] + Fe2C = Fe(2+n)C
В результате протекания указанных реакций будет
происходить постепенное снижение концентрации
углерода в металле от наружной поверхности литья к
центру толщины его стен. Выдержка времени 20 мин
обеспечивает преобразование структуры
тонкостенного металлического литья в пределах
2-3 мм, а 90 мин соответствует преобразованию
структуры толстостенного металлического литья в
пределах 5-10 мм.
4. Прекращение подачи окислительного газа и
дополнительная выдержка во времени 20-40 мин
основаны на завершении окисления растворенного
углерода в поверхностных слоях литья и
необходимостью установления равновесия
твердофазной реакции прямого восстановления
окислительных металлов на поверхностных слоях
растворенным углеродом внутри слоя
(FeO) + [С] = [Fe] +СО
Время выдержки ниже 20 мин ограничено
незавершенностью реакции восстановления
окисленного железа, время 40 мин ограничено
завершением реакции восстановления растворенным
углеродом и снижением производительности
установки.
5. Охлаждение литого и термохимически
обработанного металлоизделия ниже 200°С
ограничено потерей времени и снижением
производительности, а выше 300°С - ограничено
возможностью вторичного окисления металла,
интервал температуры охлаждения в пределах 200-
300°С является оптимальной.
В связи с термохимической обработкой
поверхности литого металлоизделия, после
охлаждения его наружная поверхность имеет рыхлую
структуру и поэтому механическое обжатие при 200-
300°С обеспечивает уплотнение поверхностного слоя
литья.
Пример. В приемную воронку 1 при закрытом
положении выпускного отверстия стопором заливают
расплав чугуна с содержанием углерода [С] = 3,8% и
температурой 1250°С. Чугунную трубу о 32 с
толщиной стен 3 мм подводим в короб-
формообразователь 3. Поднимая стопор и открывая
выпускное отверстие приемной воронки, запускаем
расплав чугуна в графитовый копильник. Расплав
металла по горизонтальным отверстиям копильника
поступает в короб-формообразователь 3 и
соприкасается с торцевой поверхностью трубы
(подложки) кристаллизатора 4 и со стенами
холодильника 5. При выдержке 0,5-1,0 мин
происходит кристаллизация расплава и сцепление его
с подложкой. Кристаллизация распространяется вверх
до уровня горизонтальных отверстий. От уровня
выпускных отверстий и выше жидкое состояние
металла в форме регулируется нагревом заливаемого
металла. Формировавшуюся трубу - литье 6 медленно
вытягивают и далее устанавливают скорость
вытягивания, равной со скоростью кристаллизации.
При опускании формировавшейся из чугуна трубы

4. 28558
4
ниже уровня флянцевого соединения 7 во внутрь
короба нагревательной печи 8, через патрубки 15 в нее
вводят поток окислительного газа и выпускают через
газоотводы 9. Температуру нагревательной трубчатой
печи 10 в свободном пространстве (зазоре) 11
поддерживают на уровне 1100°С, т.е. ниже
температуры начала плавления чугуна (1153°С).
Между поверхностью литья и окислительным газовым
потоком происходило обезуглероживание металла по
реакциям (1) и (2), что установлено повышением
концентрации СО по анализу отходящего газа.
Выдержка системы во времени 20 и более мин
обеспечивало структурное изменение в глубинных
слоях литья по реакциям (3) и (4), т.е. снижение
концентрации растворенного углерода от глубинных
слоев к поверхностным. После
30 минутной выдержки прекратили продувку
окислительным газом. Выдерживали систему без
доступа газа и воздуха в течение 20 мин. Через
10 мин наблюдалось выделение газа СО из системы,
что было подтверждено на газоанализаторе. Это было
результатом протекания реакции (5), т.е.
довосстановления окисленного железа на
поверхностном слое литья.
С поверхности полученного литого металлоизделия
последовательно снимали стружки и анализировали на
содержание углерода. В трех последовательных слоях
от наружной поверхности до внутренней по толщине 1
мм получены следующие концентрации углерода: 1)
[С]=0,48%; 2)[С]=1,25%; 3)[С]=2,12%.
Изобретение реализует твердофазное
обезуглероживание литого металлоизделия, что имеет
существенное технологическое и экономическое
преимущество по сравнению с жидкофазным
обезуглероживанием. В результате термохимической
обработки поверхности чугунное литье преобразуется
в стальное металлоизделие без особых материальных и
энергетических затрат и обеспечивает кратное
повышение экономической эффективности
производства.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ непрерывного литья металлоизделий,
включающий плавку металла, литье в формы,
кристаллизацию, вытягивание, охлаждение,
отличающийся тем, что расплав углеродсодержащего
металла с содержанием углерода более 2,0% через
донное отверстие приемной воронки заливают в
накопитель из которого через боковое отверстие
подают в кристаллизатор с подложкой формируемого
профиль металлоизделия, закристаллизованный
профиль опускают в герметизированную камеру,
устанавливают температуру нагрева 1000-1100°С, в
свободное пространство (зазор) между стенами короба
нагревательной печи и литого профиля вводят поток
окислительного газа (СО2, О2), выдерживают во
времени 20-90 мин, прекращают подачу
окислительного газового потока, дополнительно
выдерживают систему под нейтральной или
слабовосстановительной атмосфере в пределах 20-40
мин, вытягивают в камеру охлаждения, охлаждают до
200-300°С, далее подвергают обжатию и калибруют.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч