Kryštalizátor je základnou technologickou časťou ZPO. Ako primárny chladič zabezpečuje intenzívny odvod tepla z roztaveného kovu, a tým tvorbu liacej kôry, ktorá určuje tvar predliatku. Priemerne je to 10 – 30% celkového tepla.
Základné funkcie kryštalizátora, ktoré prednostne zabezpečuje, sú:
1, presný, intenzívny a stabilný odvod tepla
2, presné nastavenie parametrov oscilujúceho cyklu vzhľadom na rýchlosť liatia
3, vytvorenie dostatočnej liacej kôry na elimináciu ferostatického tlaku tekutej ocele a atmosferického pod kryštalizátorom
4, prípustnú kvalitu predliatkov, z hľadiska vnútornej štruktúry, povrchovej čistoty a rozmerovej presnosti.
Kryštalizátory možno deliť podľa:
1, šírky steny
- tenkostenné < 20 mm
- širokostenné > 20 mm
2, konštrukcie - blokové, trubkové a doskové
3, prierezu - štvorcový, obdĺžníkový, mnohouholníkový, kruhový a profilový
Blokový kryštalizátor
Pod blokovým kryštalizátorom rozumieme liatu, kovanú medenú nádobu zhotovenú z medeného ingotu. Využívajú sa v mnohých tvarových prevedeniach ako pravouhlé, mnohouholníkové aj kruhové. Nie sú náročné na údržbu a tiež majú dlhú životnosť. Môžu byť aj vnútorne ošetrené galvanickým nanesením vrstvy Ni a Cr. Kvôli cenovej náročnosti sú málo využívané.
Trubkový kryštalizátor
Trubkové kryštalizátory sú zhotovené z bezšvových medených trubiek uložených v oceľovej zvarovanej skrini. Môžu byť rovné aj zakrivené s určitou kónicitou nádoby. Môžu byť použité pre prierezy pravouhlé, kruhové, mnohouholníkové. Aby sa zabezpečilo optimálne chladenie s ohľadom na tvorbu liacej kôry, prúdenie vody je vedené zdola kryštalizátora smerom hore. Vnútorné steny môžu byť ošetrené ochrannou galvanicky nanášanou vrstvou Cr, Ni, alebo tiež plátovaním týchto kovov.
Doskový kryštalizátor
Tento typ primárneho chladiča sa svojimi prevádzkovými možnosťami radí na prvé miesto v efektivite využitia jeho vlastností. Konštrukcia pozostáva zo štyroch dosiek spojených v oceľovom ráme. Dosky spojené skrutkami s opornými chladiacimi skriňami kryštalizátora. Ak sú dosky kryštalizátora príliš hrubé musia do nich byť vyvŕtané chladiace otvory.
Výhody:
- malá spotreba medi
- možnosť plynulého nastavenia šírky predliatku
Nevýhody tohto typu kryštalizátora sú:
- zložitosť práce pri zostavovaní kryštalizátora
- znížená pevnosť spojenia dosiek pri nedokonalom mechanickom prevedení
Dosky sú podľa konštrukcie zhotovené v priečnom reze buď :
- rovné
- konkávne
- konvenčné
V priečnom reze sú buď :
- rovné
- kónické
- čiastočne kónické
Pre vyššiu životnosť kryštalizátora sa môžu steny ošetrovať nanesením troch vrstiev. Prvá je z Ni, druhá z Ni legovaného P a tretia z Cr.
tab. Rozmery profilov
Konštrukcia kryštalizátora
Materiál
Požiadavky na vhodnosť materiálu pre konštrukčné riešenie kryštalizátorovej steny sú zhrnuté do nasledujúcich požiadaviek:
- dobrá tepelná vodivosť
- dostatočná pevnosť
- znížená rozťažnosť pri vysokých teplotách
- nízky súčiniteľ trenia
- dobrá odolnosť voči oteru
Najčastejšie sa ako stena kryštalizátora používa zliatina medi a malého množstva striebra (0,1%). Striebro zvyšuje rekryštalizačnú teplotu materiálu nad teplotu 300°C, ktorú dosahuje stena kryštalizátora v prevádzkových podmienkach režimu odlievania.
Pevnosť tejto zliatiny Cu - Ag je zvýšená o 20% oproti čistej medi, ktorá dosahuje hodnotu 80 – 90 HB. Pridaním striebra sa teda zvyšuje trvanlivosť a objemová stálosť materiálu. Zliatina Cu – Cr – Zr (0,7% Cr, 0,6% Zr) dosahuje tvrdosť 160 – 180 HB. Tvrdosť a iné mechanické vlastnosti sa upravujú tepelným spracovaním materiálu. Napr. vytvrdzovaním sa dá dosiahnuť dvoj až päťnásobné zvýšenie tvrdosti, ale so znižujúcou sa tepelnou vodivosťou.
tab. Základné vlastnosti materiálu pre výrobu kryštalizátorov
Životnosť
Životnosť je daná počtom odliatych tavieb. Rádovo je to 500 – 2500 tavieb. Tento veľký interval je daný značným rozdielom vlastností ocelí a rôznymi tvarmi odliatkov, ktoré je možné odlievať. Za normálneho chodu to dosahuje 10 000 až 15 000 brám. Výmena doskového kryštalizátora je nutná, ak spoje medzi stenami kryštalizátora dosahujú väčšej medzerovitosti ako 0,3 mm a tiež stavom povrchu stien. Technický stav kryštalizátora má priamy vplyv na množstvo a typ povrchových vád predliatkov.
Medzi hlavné vplyvy na životnosť kryštalizátora môžeme radiť:
- vlastnosti a akosť materiálu kryštalizátora
- tvar a veľkosť predliatku
- spôsob chladenia
- rýchlosť liatia
- vlastnosti používaného liaceho prášku
- prevádzkové vplyvy (prepaly, argónovanie, typ ponornej výlevky a jej centrovanie, odlievacia teplota)
Oscilácia kryštalizátora
Aby sa predliatok pri pomalej rýchlosti odlievania (najvyššie okolo 6 m/min) nenalepoval na steny kryštalizátora, musí sa pohybovať vertikálnym smerom. Tento pohyb môže byť pre povrch predliatku škodlivý, preto vedci už od začiatku skúmajú jeho charakteristiku z čoho vznikli nasledovné závery:
1. Pohyb smerom dole je o niečo rýchlejší ako vytahovanie predliatku z kryštalizátra, tomu sa hovorí tzv. negatívne stripovanie. Negatívne stripovanie vychádza zo záverov, že:
a, kryštalizátor sa nesmie nikdy pohybovať rovnakou rýchlosťou ako predliatok.
b, tlak kryštalizátora smerom dole na kôru predliatku pôsobí priaznivo na prevenciu proti prievalom.
2. Rýchlosť akou sa kryštalizátor vracia smerom hore je tri-krát vyššia ako smerom dole.
3. Podľa rýchlosti odlievania sa nastavuje maximálna frekvencia oscilácie, ktorá neprevyšuje 120 cyklov za minútu.
4. Zdvih sa nastavuje čo najmenší a maximalizuje sa skôr frekvencia oscilácie.
Automatické sledovanie hladiny ocele v kryštalizátore
Hladinu v kryštalizátore je potrebné sledovať z dôvodov vplyvu liacej rýchlosti a výšky hladiny na chyby odliatkov. Hladina ocele sa má udržiavať na konštantnej úrovni, ako aj liaca rýchlosť. Náhla zmena hladiny ocele ihneď signalizuje možný prieval alebo zamrznutie výtokového otvoru medzipanvy a výlevky. V takom prípade sa okamžite postupuje podľa predurčených technologických krokov na odstránenie spôsobenej vady a predchádzaniu havarijnému stavu, čo ma enormný vplyv na ekonomickosť a technologickú vyspelosť tohto spôsobu odlievania. Pri zmene hladiny okamžite zareaguje automatické otváranie šúpatkového uzáveru postihnutého prúdu. Ak po úplnom otvorení šúpatka hladina naďalej klesá, evokuje to zarastenie ponornej výlevky a pristúpi sa k tzv. priepalu, kde technik prúdom kyslíka cez žiaruvzdornú trysku zárast prepáli.
Spôsoby sledovania výšky hladiny v kryštalizátore sú:
1, metóda rádioaktívnych izotopov (ŽP a.s. izotop Co)
2, metóda termoelektrických sond
3, metóda vírivých sond
4, metóda ultrazvukom
5, metóda infraoblastného spektra
6, metóda optickým meracím systémom
Každá metóda má svoje pozitíva i negatíva. Asi najrozšírenejšou je metóda rádioaktívnych izotopov, ktorá ale prináša veľké problémy s rizikom rádioaktívneho ožiarenia okolia pracoviska.
Chladenie kryštalizátora
Primárne chladenie ocele je zabezpečené vodou tečúcou cez trubky kryštalizátora, teda ide o nepriame chladenie. Voda prechádza kryštalizátorom od jeho spodku k vrchnej časti rýchlosťou 6 m.s-1, pričom sa ohreje o 5 až 15°C. Vyššia rýchlosť toku by mala za následok malý nárast odvodu tepla, čo by viedlo k neekonomickému využívaniu úžitkovej vody. Teplota vody nemá prekročiť 40°C inak nastáva vylučovanie solí po obvode trubiek a tvorba vodného kameňa.