CC BY
20
УДК 621.784
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-48-52
ДВЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАКАЛКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Семен Львович Цукров, канд. техн. наук
УК «Алюминиевые продукты», Москва, Россия, tsukrov@bk.ru
Аннотация. Дается сравнение двух технологий закалки длинномерных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов. По одной - закалочное охлаждение садки полуфабрикатов ведется последовательным погружением в вертикальном положении в закалочный бак, по другой- одновременным охлаждением садки в горизонтальном положении. Закалка с последовательным погружением осуществляется в вертикально-закалочных агрегатах (ВЗА). Приводится краткое описание технологии закалки в ВЗА конструкции 50-60-х гг. и усовершенствованных агрегатов. Отмечаются недостатки ВЗА, например, при закалке труб из сплава Д16 возникает опасность снижения стойкости к межкристаллитной коррозии, а также положительные результаты при закалке тонкостенных профилей.
Одновременное погружение полуфабрикатов осуществляется в закалочных агрегатах, где садка расположена горизонтально. Дается краткое описание технологии закалки полуфабрикатов длиной 30 м, а также конструкции современных закалочных агрегатов с одновременным погружением садки, отмечаются недостатоки таких агрегатов - значительное коробление тонких и разностенных профилей, и их преимущества - нет необходимости в строительстве высотных зон и глубоких приямков для баков, возможность закалки массивных длинномерных полуфабрикатов.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, вертикально-закалочные агрегаты, закалочные агрегата с горизонтальным расположением садки, длинномерные полуфабрикаты, преимущества и недостатки
Two Technologies for Quenching of Long-Length Semiproducts Made of High-Strength Aluminum Alloys. Cand. of Sci. (Eng.) Semyon L. Tsukrov
The management company «Aluminum Products», Moscow, Russia, tsukrov@bk.ru
Abstract. Two technologies for quenching of long-length semiproducts made of high-strength aluminium alloys were compared. According to the one method, the quenching of a charge of semi-finished products is carried out in the vertical position by the sequential immersion in a quenching tank; according to the other one the charge is cooled in a horizontal position by simultaneous cooling. Quenching by sequential immersion is carried out in vertical quenching units (VQU). The quenching technology carried out in the VQU designed in the 1950s and 1960s and in improved units is briefly described. Shortcomings of the VQU are noted. For example, in the course of quenching of D16 alloy pipes, there is a danger of a decrease in the intergranular corrosion resistance, but positive results are obtained when thin-walled sections are quenched.
Simultaneous immersion of semi-finished products is carried out in the quenching units, where the charge is located horizontally. The technology for quenching of 30 m long semiproducts, as well as the design of modern quenching units with simultaneous immersion of the charge is briefly described. Disadvantages of such units are noted -significant warping of thin- and different-walled sections. Their advantages, such as elimination of building of high-rise constructions and deep pits for tanks, possibility of quenching of long massive semiproducts are listed as well.
Key words: aluminium alloys, vertical quenching units, horizontally charged quenching units, long-length semiproducts, advantages and disadvantages
Длинномерные полуфабрикаты, длина которых в сотни раз превышает их толщину или диаметр, являются распространенными видами продукции заводов по обработке алюминиевых сплавов. К ним относятся прессованные профили и прутки разнообразного сечения, прессованные и катание трубы. Они широко применяются в авиа- и судостроении, транспортном машиностроении и строительстве. В настоящее время существуют две технологии садочной закалки длинномерных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов типа Д16, В95, АК4-1 и др. По одной -закалочное охлаждение полуфабрикатов ведется в вертикальном положении последовательным погружением в закалочный бак, по другой - одновременным охлаждением в горизонтальном положении полуфабрикатов.
Закалка с последовательным погружением осуществляется в вертикально-закалочных агрегатах (ВЗА), состоящих из вертикальной печи и глубокого бака (рис. 1) [1].
Технология закалки включает подготовку садки из большого числа полуфабрикатов; тру-
бы и профили просверливают для подвески к траверсе, тонкие прутки укладывают в корзину. Садка через водяной или сухой бак с помощью лебедки поднимается в печь через нижний проем. После нагрева до температуры закалки и выдержки садка последовательно погружается в водяной бак. Недостатки ВЗА конструкции 50-60-х гг. прошлого века: низкая производительность, разновременность нагрева верхнего и нижнего концов садки, отсутствие принудительной циркуляции воды в баке.
Фирма Эбнер (Австрия), специализирующаяся на производстве промышленных печей, существенно усовершенствовала ВЗА. В печи применен реверс воздушного потока, в большом приямке под печью размещается револьверное устройство с четырьмя баками: сухим баком для загрузки садки, водяным баком, баком с водным раствором полимера и баком для ускоренной сушки садки (рис. 2) [2]. Такие решения намного улучшили технологию закалки длинномерных полуфабрикатов, повысили производительность ВЗА.
Однако недостатки такой технологии остаются:
1. Необходимость строительства высотных зон и глубоких приямков, что ведет к большим капитальным затратам.
2. Большие затраты ручного труда для подготовки садки.
3. Потери металла, вызванные отходами при подвеске садки.
4. Ухудшение стойкости к межкристаллитной коррозии труб из сплава Д16 вследствие быстрого закипания воды внутри трубы и движения вверх по трубе пароводяных пробок, которые приводят к предварительному охлаждению
Рис. 1. Вертикальная закалочная печь для нагрева длинномерных профилей
Рис. 2 Схема ВЗА фирмы Эбнер [2]
верхней части трубы и вызывают появление локальных вторичных разогревов, способствующих ускоренному распаду твердого раствора сплава [3].
5. Невозможность закалки массивных и сверхдлинных полуфабрикатов из-за обрыва подвески.
Вместе с тем закалочное охлаждение в ВЗА имеет особенность, которая дает положительный результат при закалке тонкостенных профилей. Она состоит в том, что при последовательном погружении в воду тепло садки передается поверхностному слою воды и разогревает его. В отсутствие принудительного перемешивания стратификация надолго сохраняет повышенную температуру разогретого слоя, а естественная конвекция за короткое время погружения не успевает развиться, и перемешивание воды практически отсутствует. Температура разогрева поверхностного слоя зависит от массы садки и объема слоя воды, в который входит садка. Например, садка профилей длиной 10 м с толщиной стенки 2 мм массой 1000 кг погружается в воду с температурой 21 °С со скоростью 0,8 м/с. Садка имеет внешний диаметр 1 м (диаметр рабочего пространства большинства ВЗП 1,2 м). Диаметр слоя воды, в который погружается садка, примем равным 1,1 м. На рис. 3 представлены полученные нами экспериментальные кривые охлаждения листа толщиной 2 мм в воде с различной температурой. При температуре воды 21 °С металл охладится с 500 до 120 °С примерно за 0,5 с. Поэтому глубина поверхностного слоя составит 0,5^0,8 = 0,4 м. Через 3 с погружения нижняя часть садки длиной 2,4 м массой 240 кг передаст воде объемом около 0,4 м3 примерно 109 000 кДж. По тепловому балансу это тепло разогреет поверхностный слой воды до 80 °С, остальные 7,6 м садки будут погружаться в горячую воду и дальше разогревать поверхностный слой. Из кривой охлаждения 5 на рис. 3 следует, что время охлаждения листа толщиной 2 мм в воде при 80 °С в диапазоне критических для распада твердого раствора температур 420-250 °С составляет 0,9 с, т.е. скорость охлаждения около 190 °С/с, что достаточно для получения требуемых прочностных свойств. Вместе с тем коробление тонких профилей при охлаждении в горячей воде
г,° с
500 1 — 21 °С
2 — 40 °С
3 — 50 °С
400 4 — 60 °С
. 5 — 81 °С
300 - \\ \ \
200 - \ V ЗД \ 4
100 V 4----—---
у -
0,1 0,5 0,75 1 1,25 1,5 2,0 3,0 т,с
Рис. 3. Экспериментальные кривые охлаждения алюминиевого листа в воде с различной температурой
уменьшится, и это снизит деформацию при правке растяжением и повысит пластичность профилей. Этот пример показывает принципиальную возможность полезного использования последовательного погружения длинномерных полуфабрикатов. Разогрев поверхностного слоя воды увеличивает время охлаждения для всех видов полуфабрикатов, закаливающихся в ВЗА, что для большинства из них не приводит к ухудшению механических свойств, так как это происходит только при относительно высокой температуре металла, при которой распад твердого раствора незначителен.
Технология закалки в ВЗА, несмотря на ее универсальность по видам полуфабрикатов, не смогла полностью удовлетворить потребности авиационной промышленности. Создание широкофюзеляжных самолетов потребовало увеличения длины прессованных полуфабрикатов до 30 м. С увеличением длины полуфабрикатов возникала опасность обрыва их подвески в печи.
В ВИЛСе было принято решение о проектировании и изготовлении закалочного агрегата, в котором длинномерные полуфабрикаты находились в горизонтальном положении. В 80-м г. такой агрегат был построен и запущен в эксплуатацию на Белокалитвинском металлургическом заводе. Агрегат состоит из установленной на стойках садочной многозонной горизонтальной электрической печи с принудительной циркуляцией воздуха. Под печью располагается закалочный бак с водой. Садка полуфабрикатов укладывается в корзину и затем погружается на состав тележек,
который по рельсам подвозит корзину к нижнему проему печи. Опускается печная траверса и корзина прикрепляется к ней. Траверса поднимает садку в печь, и подина закрывает ее нижний проем. После нагрева и выдержки отрывается подина и садка погружается в бак. Полуфабрикаты полностью входят в воду в течение 1-2 с, такое погружение в отличие от последовательного можно назвать одновременным. Закалочный бак имеет такой объем, чтобы в конце охлаждения садки температура воды не превышала 40 °С.
Закалочные агрегаты с одновременным погружением садки нередко используются в и отечественных, и зарубежных производствах алюминиевых сплавов [4, 5]. В работе [4] приведено описание закалочного агрегата для различных изделий авиационного назначения. Размеры рабочего пространства печи: ширина 3 м, высота 3,6 м, длина 18 м. В печи можно нагревать садку массой до 4,5 т за 30 мин с равномерностью ±3 °С. Печь обогревается природным газом с помощью трубчатых нагревателей с рекуператорами (косвенный нагрев). Закалочное охлаждение изделий осуществляется
Рис. 4. Общий вид закалочного агрегата с передвижным баком [4]
Рис. 5. Общий вид агрегата горизонтальной закалки на КУМЗе [5]
одновременным погружением в передвижной закалочный бак (рис. 4), оборудованный насосами для интенсивного перемешивания закалочной среды. В качестве последней возможно применение водного раствора полиалкилен-глиголя (ПАГ). В 2008 г. на Каменск-Уральском металлургическом заводе (КУМЗ, Россия) был пущен в эксплуатацию новый закалочный агрегат, изготовленный по техническому заданию российских специалистов немецкой фирмой Otto Junker (рис. 5) [5]. Агрегат предназначен для закалки штамповок, колец, поковок, прутков из алюминиевых сплавов. Основными составляющими частями агрегата являются:
- электрическая элеваторная печь с максимальной температурой 620 °C и размерами рабочего пространства 7300 мм (длина), 4300 мм (высота), 2500 мм (ширина). Печь оборудована шестью циркуляционными вентиляторами, обеспечивающими высокую интенсивность и равномерность нагрева (отклонения от заданной температуры не более ±3 °C);
- расположенный под печью стационарный закалочный бак с интенсивной циркуляцией воды и теплообменником, поддерживающим температуру воды в диапазоне 20-30 °C;
- два мобильных закалочных бака для горячей воды и водно-полимерного раствора, оба бака снабжены системой циркуляции среды с ее равномерным распределением по объему баков;
- две промежуточные емкости для подготовки горячей воды и хранения полимерного раствора;
- загрузочная тележка для перемещения садки, мобильных баков под печь, а также для разгрузки печи;
- набор загрузочных корзин специальной конструкции, уменьшающей их деформацию при закалочном охлаждении;
- современная система контроля и регулирования температуры и система автоматического управления с визуализацией процесса.
Закалочный агрегат являлся в то время одним из лучших в мире.
Технология горизонтальной закалки с одновременным погружением полуфабрикатов в закалочную среду имеет следующие преимущества:
1. Отсутствует необходимость в строительстве высотной зоны и глубокого приямка для бака.
2. Сокращаются затраты труда и потери металла при подготовке садки к подвеске.
3. Возможна закалка массивных длинномерных полуфабрикатов.
Недостаток такой технологии садки состоит в том, что в отличие от последовательного охлаждения в ВЗА, где полуфабрикаты свободно подвешены и слабо взаимодействуют друг с другом, одновременное закалочное охлаждение в горизонтальном положении садки приводит к значительному короблению тон-
костенных и разностенных профилей, существенно затрудняющему их правку.
На данный момент в ОАО «КУМЗ» разрабатывают техническое предложение на садочный агрегат горизонтальной закалки прессованных прутков, полос и труб сечением свыше 300 см2.
Заключение
В настоящее время существуют две конкурентные технологии закалки длинномерных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов. Одна состоит в применении ВЗА с последовательным погружением полуфабрикатов в закалочную среду. Она имеет преимущество при закалке тонкостенных и разностенных профилей, но не применима для сверхдлинных и массивных полуфабрикатов.
Другая - в применении агрегатов с одновременным погружением полуфабрикатов в закалочную среду в горизонтальном положении. Такая технология позволяет проводить закалку массивных полуфабрикатов, но не подходит для закалки тонкостенных и разно-стенных профилей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цукров С.Л. Развитие технологии закалки полуфабрикатов из алюминиевых сплавов / В кн.: Перспективные технологии легких и специальных сплавов. М.: Физматлит, 2006. С. 323-338.
2. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. М.: НП «Апрал», 2020. 552 с.
3. Цукров С.Л. Особенности охлаждения труб из алюминиевых сплавов при вертикальной закалке // Технология легких сплавов. 1991. № 8. С. 38-42.
4. Howard R.D., Bogh N. Advancements in Aluminum Solution Heat Treatment Drop-Bottom Furnace Systems Increase Process Effectiveness // Industrial Heating. 1995. February. P. 43-45.
5. Болотова Е.М., Цукров С.Л., Исякаев К.Т. Закалка штамповок из сплава 7050 с охлаждением в водно-полимерной среде // Цветные металлы. 2009. № 4. С. 75-77.
REFERENCES
1. Tsukrov S.L. Razvitiye tekhnologii zakalki polufab-rikatov iz alyuminiyevykh splavov / V kn.: Perspe-ktivnyye tekhnologii legkikh i spetsial'nykh splavov. M.: Fizmatlit, 2006. S. 323-338.
2. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termiches-kaya obrabotka deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov. M.: NP «Apral», 2020. 552 s.
3. Tsukrov S.L. Osobennosti okhlazhdeniya trub iz alyuminiyevykh splavov pri vertikal'noy zakalke // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 1991. № 8. S. 38-42.
4. Howard R.D., Bogh N. Advancements in Aluminum Solution Heat Treatment Drop-Bottom Furnace Systems Increase Process Effectiveness // Industrial Heating. 1995. February. P. 43-45.
5. Bolotova Ye.M., Tsukrov S.L., Isyakayev K.T. Za-kalka shtampovok iz splava 7050 s okhlazhdeniyem v vodnopolimernoy srede // Tsvetnyye metally. 2009. № 4. S. 75-77.
