CC BY
63
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич
УДК 669.715:621.74:621.777
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ ИЗ А!-1^-Б1-СПЛАВОВ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
Г.С. Макаров, докт. техн. наук (e-mail:macarovgs@rambler.ru)
Рассмотрена технология производства слитков из Al-Mg-Si-сплавов, обеспечивающая современный уровень требований качества для производителей прессованных профилей.
Ключевые слова: система Al-Mg-Si-сплавов, слиток, плавление, внепечная обработка расплава, литье, гомогенизация, охрана окружающей среды.
Metallugical Features of Al-Mg-Si Alloy Extrusion Billets Manufacturing.
G.S.Makarov.
The technology of Al-Mg-Si alloy billets manufacturing, which provides the modern level of quality requirements for extrusion manufacturers, is discussed.
Key words: Al-Mg-Si system, billet, melting, in-line melt treatment, casting, homogenization, environmental protection.
Введение
Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы А!-М^-81 являются самыми распространенными в сравнении с алюминиевыми сплавами других систем легирования. Наиболее широко их применяют для производства прессованных полуфабрикатов. В настоящее время свыше 90 % (по массе) выпускаемых в мире профилей, панелей и других прессованных изделий изготавливают из этих сплавов. Это объясняется, во-первых, высокой технологичностью -сплавов
при обработке давлением, позволяющей получать тонкостенные профили с отличным качеством поверхности, с большими скоростями истечения при прессовании и закалкой на столе пресса, и, во-вторых, хорошими эксплуатационными качествами сплавов, такими как благоприятное сочетание механических и коррозионных свойств, декоративности и свариваемости.
Становление и развитие поточного производства профилей из этих сплавов в нашей стране неразрывно связано с Александром
Федоровичем Беловым - одним из создателей отечественной металлургии легких сплавов. В 1969 г. по его инициативе в ВИЛСе создана и успешно освоена первая отечественная линия производства профилей из сплава АД31 с закалкой на столе пресса. Она обеспечила трехкратное повышение производительности в сравнении с действующими тогда технологиями [1]. На основе накопленного опыта в 70-е годы в различных регионах страны введены в эксплуатацию специализированные заводы по производству алюминиевых профилей из сплава АД31 и конструкций для жилищного и гражданского строительства. Суммарная мощность этих заводов к концу 80-х годов была доведена до 50 тыс. т/г. В этот период выпуск профилей строительного назначения в небольших объемах был налажен также и на предприятиях авиационной металлургии. Но это были достаточно простые профили так называемой «холодной» серии. Лишь к середине 90-х годов в России появился ряд новых прессовых предприятий, оснащенных современным оборудованием и способных
обеспечить выпуск качественных профилей самых сложных форм из сплавов АД31 и 6063. Строительный бум, начавшийся в Москве и постепенно охвативший крупные города центральной части страны, Урала, Сибири и Дальнего Востока, привел к тому, что основным потребителем прессованных изделий в стране стала строительная отрасль: на ее долю приходится 80 % прессованных профилей из алюминиевых сплавов. И, несмотря на ежегодный ввод в эксплуатацию 2-3 новых заводов, спрос до 2008 г. опережал предложение. К настоящему времени суммарная мощность этих заводов превышает 200 тыс. т/г.
Из анализа докладов последних трех семинаров Extrusion Technology - они проводятся раз в четыре года в США и являются наиболее представительным мировым форумом в области прессования алюминиевых сплавов - следует [2-4], что для конца 90-х годов прошлого века и начала этого характерным стало повышение стоимости трудовых и материальных ресурсов (металла, энергии), ужесточение требований к охране окружающей среды, появление на мировом рынке прессованных изделий из алюминиевых сплавов большого числа новых производителей и соответствующее обострение конкуренции, увеличение степени рециклинга алюминия и вовлечение в производство слитков возрастающих из года в год объемов вторичного алюминиевого сырья. Это привело к коренным изменениям в технике и технологии плавления сплавов и обращения со шлаком, обработки расплава, литья и последующей обработки слитков. Появляются новые до-
полнительные требования к структуре и другим характеристикам прессовой заготовки -слитку, получаемому методом непрерывного литья. Они отражают стремление производителей слитков обеспечивать конкурентный уровень качества в условиях, когда производители профилей в наибольшей мере стараются снизить издержки производства, максимизировать съем продукции с прессовых линий и минимизировать отходы производства. В результате эти требования к слитку периодически возрастают по мере увеличения скорости прессования и повышения выхода годного в прессовом производстве. В табл. 1 представлен современный уровень требований к качеству металла прессовой заготовки, к которому следует стремиться для обеспечения высокоэффективного прессования профилей из сплава 6063 (АД31).
Следует отметить, что для гарантированного получения этих показателей необходимо не только применение современного оборудования, но и понимание природы и механизмов явлений, происходящих с металлом в плавильной печи, при рафинировании и модифицировании расплава, а также при затвердевании слитков и их последующем нагреве для термической обработки и прессования. Как показывает опыт общения автора с технологами, мастерами и руководителями отдельных современных российских прессовых предприятий, существует огромный пробел в знаниях закономерностей этих процессов, что не позволяет эффективно использовать современное оборудование. Подобный же факт в общем характерен и для зарубежных производи-
Таблица 1 Желаемый уровень качества слитков сплава 6063 для прессования
Показатель Величина
Диаметр слитков, мм Размер зерна, мкм Дендритный параметр, мкм Толщина поверхностного ликвационного слоя, мм Содержание водорода, см3/100 г Содержание неметаллических включений, мм2/кг Максимальный размер неметаллического включения, мкм Степень превращения Р(А!5Ре81)-фазы в а(Д18Ре231)-фазу при гомогенизации, % Твердость НВ после регламентированного охлаждения с температуры гомогенизации, МПа 152,178, 203 150-200 25-30 0,1-0,25 Не более 0,20 0,1-0,3 20 Не менее 90 350-410
телей. Отмечается [5, 6], что многие технологи и менеджеры предприятий основываются лишь на способах и приемах, опробованных ими успешно в прошлом, и не стремятся к пониманию фундаментальных металлургических основ этих способов, создавая себе трудности в достижении максимальной производительности и обеспечении адекватного уровня качества продукции. Это подвигло автора подготовить монографию [7], которая недавно была выпущена издательством Интермет Инжиниринг (www.imet.ru). В книге детально обсуждены закономерности процессов, определяющих качественные показатели слитка и эффективность его производства, с объяснением механизмов происходящих явлений. Рассмотрим на их основе главные подходы к осуществлению современной технологии производства слитков на всех ее этапах.
Плавление А1-1^-81-сплавов
Производство слитков для прессования из алюминиевых сплавов, легированных магнием и кремнием, в основном осуществляют по трем технологическим схемам, различающимся видом используемых шихтовых материалов:
- из первичного жидкого алюминия с введением в расплав необходимых легирующих элементов на электролизных заводах;
- из оборотных отходов собственного производства с добавлением в шихту чушкового алюминия на прессовых заводах или металлургических заводах, выпускающих деформированные полуфабрикаты из алюминиевых сплавов;
- из амортизационного лома и отходов производства с добавлением в шихту чушково-
го алюминия на специализированных заводах.
Независимо от технологической схемы ключевым моментом здесь является плавление, ибо только при нахождении металла в расплавленном состоянии возможно изменение его состава по легирующим компонентам и примесям. Технология приготовления сплавов должна позволять получать расплав заданного химического состава и температуры, обеспечивая при этом минимальный уровень безвозвратных потерь металла, максимально возможную экономию энергии, максимальное снижение количества выбросов в атмосферу углекислого газа, диоксинов и фуранов и безопасное для персонала ведение процесса.
Поэтому особое внимание следует уделять подготовке шихтовых материалов и выбору оборудования для приготовления сплава. Скрап алюминиевых изделий (амортизационный лом) необходимо перед плавкой подвергать механической обработке (разделке, сортировке, отделению неалюминиевых металлических частей, удалению органических загрязнений в случае применения однокамерных пламенных печей, пакетированию, брикетированию и т.п.), а также контролю. Любая влажная шихта, предназначенная для загрузки в расплав, должна быть предварительно просушена для исключения выбросов жидкого металла и взрывов, обусловленных высокой химической активностью алюминия: энергия, освобождающаяся при реакции одного килограмма жидкого алюминия с водой, эквивалентна взрыву трех килограммов тротила. Важно, чтобы тип шихтовых материалов соответствовал используемому печному оборудованию. В табл. 2 это соответствие обозначено знаком +.
Таблица 2 Шихта, используемая в различных печах для приготовления А1-1^-Б1-сплавов
Тип печи Тип шихтовых материалов
жидкий алюминий чушковый алюминий с отходами легковесный скрап скрап, загрязненный органическими веществами
Миксер-копильник + - - -
Однокамерная печь + + + -
Шахтная печь - + + -
Двухкамерная печь - + + +
Двухкамерная шахтная печь НЕ-ЕСОМЕ1_.Т - - + +
Трехкамерная печь непрерывного действия - + - -
При этом плавление скрапа, загрязненного органическими веществами, целесообразно вести в двухкамерных печах с газификацией загрязнений и дожигом пиролизного газа, обеспечивающими снижение расхода топлива и сокращение количества вредных газов, выбрасываемых в атмосферу. В случае же плавки такого скрапа в однокамерных печах необходимо предварительное проведение пиролиза загрязнений в специальных установках.
Загрузка шихты должна вестись в разогретую до температуры не менее 1000 °С печь -порциями, с помощью загрузочной машины, за максимально короткое время открытия загрузочного окна. Не допускается единовременное заполнение всего рабочего пространства камеры печи шихтой, что затрудняет нормальную работу горелок. При эксплуатации шахтных печей высоту загрузки шахты поддерживают такой, чтобы температура дымовых газов, покидающих шахту, не превышала 400 °С. Для уменьшения степени механического воздействия на футеровку сначала следует загружать небольшое количество мелкогабаритных или легковесных отходов, затем - первичный алюминий и крупногабаритные отходы, после чего - оставшуюся шихту. Лигатуры загружают в последнюю очередь. Порядок введения легирующих компонентов определяется их физико-химическими свойствами. Магний, вследствие его низкой температуры плавления и высокой активности, следует вводить в расплав с помощью специального перфорированного контейнера при 680-720 °С и интенсивном перемешивании ванны; кремний, марганец, медь -в виде двойных сплавов с алюминием или лигатур. Допускается введение меди в расплав при 730-750 °С и интенсивном перемешивании ванны.
Следует добиваться максимального сокращения времени плавления, которое, кроме увеличения производительности печного агрегата, обеспечивает и меньший угар металла. Для этого при наличии твердой загрузки в рабочем пространстве печи горелки должны работать на полную мощность, температура продуктов сгорания должна быть как можно выше и определяться стойкостью огнеупор-
ного материала футеровки. В этот период наиболее эффективными являются высокоскоростные горелки, существенно улучшающие теплопередачу конвекцией от продуктов сгорания к шихте. Важно, чтобы высокая скорость (>100 м/с) продуктов сгорания сохранялась при работе горелок и на пониженной мощности; альтернативой является работа горелок в импульсном режиме по принципу «включено-выключено». Контроль процесса при этом ведется по температуре свода печи. После расплавления шихты желателен переход на обогрев расплава факелом с длинным светящимся пламенем, особенно эффективным для нагрева жидкого металла за счет излучения. При этом контроль процесса уже ведется по температуре расплава, которая не должна превышать 750 °С.
С момента появления первых порций расплава желательно осуществлять перемешивание жидкого металла в ванне с применением перемешивающих устройств без открытия загрузочного окна, что позволяет экономить энергию и избегать перегрева верхних слоев жидкого металла, увеличивает перепад температуры между газами в рабочем пространстве печи и расплавом, интенсифицируя передачу тепла металлу и скорость плавления шихты, что в итоге способствует снижению угара металла и повышению производительности печи на 12-15 %. Плавление шихты (особенно с большой удельной поверхностью) и легкоокисляющихся добавок (в частности, магния) следует вести погружением в расплав, при котором исключается капельное плавление и сокращаются безвозвратные потери металла. Для удовлетворительной передачи тепла загруженному в расплав материалу необходимо обеспечивать достаточно высокую (не менее 0,1 м/с) скорость перемещения жидкого металла вокруг твердой загрузки.
Подача энергии в печь должна осуществляться в точном соответствии со способностью металла к ее абсорбции. Этому способствует автоматическое регулирование процесса сжигания топлива. Необходимым условием для экономии топлива при этом является поддержание коэффициента избытка воздуха в пределах 1,05-1,1 и содержания
кислорода в продуктах сгорания не более 24 % об., а также небольшого (~25 Па) избыточного давления в рабочем пространстве печи, исключающего подсосы холодного воздуха. Существенная экономия топлива достигается за счет рециркуляции тепла в печи и использования энергии отходящих газов для подогрева воздуха, подаваемого для горения топлива.
После расплавления всей шихты и надежного перемешивания ванны проводят отбор проб на экспресс-анализ. Кокиль для пробы должен обеспечивать быструю ее кристаллизацию для уменьшения степени ликвации составляющих сплава.
В печном агрегате (печи или миксере) следует исключить применение флюсов и активных рафинирующих газов для обработки расплава и шлака. Эта операция в печных агрегатах большой (10 т и более) емкости является мало эффективной вследствие невозможности проработки рафинирующим реагентом всех объемов расплава. Она продолжительна во времени и тем самым сдерживает производительность плавильно-литей-ного агрегата. В большинстве случаев ее проводят при открытом загрузочном окне, что приводит к существенным потерям энергии. При использовании пламенного обогрева не исключается повторное газонасыщение жидкого металла в процессе его выдержки в период литья слитков. Кроме того применение флюсов и других хлорсодержа-щих реагентов является нежелательным из-за ухудшения условий труда и образования экологически вредных выбросов в окружающую среду. Обеспечение требуемого качества металла по содержанию водорода допустимого уровня и неметаллических включений, а также некоторых металлических примесей достигается применением эффективных процессов внепечного рафинирования расплава. Изготовление футеровок из современных огнеупорных материалов с антисма-чивающими добавками существенно облегчает чистку печей, позволяя отказаться от использования флюсов.
Удаление шлака с поверхности ванны целесообразно осуществлять при толщине его слоя, превышающей 1-1,5 см, но не чаще
чем один раз в смену. Частый съем шлака затрудняет передачу тепла излучением «блестящему» зеркалу ванны и захолаживает рабочее пространство печи, приводя к излишнему расходу топлива. Толстый же слой шлака из-за низкой теплопроводности также затрудняет передачу тепла расплаву. Быстрое увеличение толщины слоя шлака (более 1,5 см за 6-8 ч выдержки) может являться следствием касания факелом зеркала ванны, излишне большой величины коэффициента избытка воздуха или наличия подсосов воздуха через низ двери загрузочного окна. Съем шлака с поверхности ванны желательно проводить с помощью специальных напольных машин для съема шлака и чистки печи, обеспечивающих сокращение продолжительности операции и меньший захват металла со шлаком. Обработка горячего шлака с применением устройств для его прессования позволяет резко сократить окисление алюминия и выбросы дыма и пыли в цех, возвращает в производство до 10 % (и более) металла и обеспечивает наивысшее содержание алюминия в шлаке, увеличивая тем самым его товарную стоимость.
Приготовленную плавку сливают из печи спокойным способом, без бурления расплава и каскадного падения струи. Желательно применение наклоняемых печей и размещение плавильных и раздаточных печей на одном уровне в цехе. Применение сифонного перелива расплава в раздаточную печь может приводить к потере 0,1-0,2 % металла из-за окисления. Промывку печи расплавом алюминия или отходов при переходе со сплава на сплав предусматривают в тех случаях, когда содержание какого-либо компонента в сплаве, слитом из печи, более чем в 10 раз превышает допустимое содержание этого компонента в новом сплаве.
Рафинирование расплава
Для эффективного производства прессованных изделий наибольшее внимание при рафинировании расплава должно быть уделено удалению твердых неметаллических включений. Это особенно важно в случае приготовления сплавов с большой долей в составе шихты легковесного скрапа. Конеч-
но, за счет рафинирования необходимо также добиваться и требуемого уровня содержания водорода, исключающего образование пор в металле при высокотемпературной гомогенизации слитков и других дефектов, но даже при пламенной плавке сплавов он сравнительно легко достижим за счет применения современных средств дегазации расплава. Что касается металлических примесей, концентрация которых в металле может быть уменьшена при рафинировании, то их удаление, например натрия, является актуальным при производстве сплавов из первичного алюминия на электролизных заводах.
Технология рафинирования должна обеспечивать гарантированное удаление из алюминиевого расплава нежелательных примесей до требуемого уровня, позволяющего получение качественного металла слитка; достаточную скорость процесса, исключающую снижение производительности плавиль-но-литейного агрегата; минимальное образование вредных выбросов, безопасное для персонала ведение процесса. С этой целью, как отмечено выше, используют внепечную рафинирующую обработку расплава в процессе его перелива на пути к литейной машине, включающей последовательно размещенные процессы: продувку потока жидкого металла рафинирующим газом и последующее фильтрование. Удаление металлических примесей из первичного алюминия на электролизных заводах достигают обработкой расплава в ковше перед его заливкой в миксе-ры-копильники.
Продувка расплава рафинирующим газом ведется с целью дегазации и первоначального снижения количества твердых неметаллических включений в металле. В качестве рафинирующего газа обычно используют нейтральный к расплаву газ (аргон или азот) с содержанием влаги не более 0,3 г/м3 [точка росы (-30 °С)] и содержанием кислорода не более 0,03 % об. Однако для улучшения условий перехода водорода в пузырьки рафинирующего газа желательно применять аргон или азот чистотой 99,996 % об. с содержанием влаги не более 0,0003 % [точка росы (-69 °С)] и кислорода не более 0,0005 % об.
Небольшие (0,5-5 % об.) добавки хлора в нейтральный газ мало влияют на степень дегазации, но благоприятствуют удалению твердых неметаллических включений. Поэтому их применение может быть оправдано лишь в случае высокой исходной загрязненности расплава включениями. Вместе с тем, учитывая сложность работы с хлором, возможность выделения вредных выбросов и загрязнения металла солевыми включениями, желательно вообще отказаться от его использования, а необходимый уровень чистоты металла по неметаллическим включениям обеспечивать за счет правильной организации фильтрования расплава. Для достижения требуемого уровня чистоты металла по водороду необходимо равномерное распределение мелких (диаметром 1-6 мм) пузырей рафинирующего газа в потоке расплава при достаточной (1,5-5 мин) продолжительности обработки каждого его объема, что обеспечивается применением вращающихся импеллеров или высоконапорных струй газа при удельном расходе рафинирующего газа 0,5±0,1 м3/т. При этом системы первого типа (БМР, А1_Р11Р, НЕ юи и др.) особенно эффективны на достаточно мощных заводах с выпуском слитков 20 тыс. т/г и более, в тоже время на небольших прессовых заводах и производствах с частой сменой сплавов успешно могут быть применены системы второго типа (^Сеапег), позволяющие получить более чем 70-процентную экономию эксплуатационных расходов. В процессе продувки необходимо исключать подсосы воздуха на поверхность расплава, создавая над ней избыточное давление нейтрального газа. Повышение температуры жидкого металла при продувке облегчает переход водорода в пузырьки рафинирующего газа и увеличивает скорость процесса дегазации, протекающего, как правило, в кинетическом режиме, но ухудшает условия удаления твердых неметаллических включений за счет флотации. Поэтому эту температуру назначают с учетом компромисса: обычно ее принимают равной верхнему пределу температуры литья слитков из данного сплава, увеличенному на количество ее потерь на участке перелива расплава.
Требуемый уровень содержания твердых неметаллических включений в металле достигается за счет глубинного фильтрования с помощью насыпных (зернистых) или жестких пенокерамических фильтров. При этом первые фильтры обеспечивают многократное фильтрование больших (до 7000 т) масс расплава и их целесообразно применять в условиях массового производства литой продукции повышенного качества из одного сплава. Нашедшие более широкое распространение пенокерамические фильтры, как правило однократного применения, отличаются уменьшенными капитальными затратами и позволяют без потерь металла осуществлять легкий переход на обработку другого сплава, освобождаясь от расплава после слива каждой плавки. Важным условием качественной очистки расплава от включений является скорость фильтрации, которую для насыпных фильтров следует принимать равной 0,10,4 см/с, для пенокерамических фильтров однократного применения 1-1,9 см/с или менее 0,21 кг/(см2-мин), и при длительной их работе этот удельный расход, отнесенный к площади фильтра, целесообразно снижать в 10 раз. С увеличением количества отфильтрованного металла рафинирующая способность фильтров уменьшается, что требует их замены. Эффективность удаления неметаллических включений возрастает с повышением адгезионной способности фильтров и несмачиваемости их расплавом, с уменьшением размера пор и каналов, а также с увеличением толщины слоя фильтра. Обычное фильтрование через пенокерамические фильтры с пористостью 30 или 50 рр1 позволяет почти полностью исключить из алюминиевого расплава неметаллические включения размером 55-60 мкм и более. Однако 20-30 % включений размером порядка 20 мкм остаются в металле. Поэтому в тех случаях, когда исходная загрязненность расплава неметаллическими включениями велика или к качеству металла предъявляют повышенные требования, следует использовать фильтры с меньшими порами или двойное фильтрование, при котором расплав пропускают последовательно через два пенокерамических фильтра с пористостью 30/50 или 40/60 ррк
При высокой исходной загрязненности желательно перед подачей на пенокерамический фильтр пропускать расплав через сетчатые фильтры из стеклоткани. Улучшению работы фильтров способствует предварительная очистка от включений с помощью систем внепеч-ной продувки расплава. При фильтровании нежелательны повышенные температуры, при которых улучшается смачиваемость включений алюминиевым расплавом и снижается их склонность к коагуляции. С этой целью фильтры следует размещать как можно ближе к литейной машине, что позволяет минимизировать тепловые потери и устанавливать температуру фильтрования расплава, как правило, на верхнем пределе температуры литья слитков.
Особое внимание следует уделять нагреву фильтров. Наиболее эффективным способом нагрева пенокерамического фильтра перед началом фильтрования является конвективный нагрев проходящим сквозь него потоком горячих газов, что исключает большую неравномерность прогрева, появление «горячих пятен» и растрескивание керамики. При обогреве насыпных фильтров в случае остановки процесса фильтрования следует избегать появления большой (70 °С) разницы в температурах между донными и поверхностными слоями расплава и применять при необходимости наряду с нагревателями, расположенными на крышке, погружные нагреватели, устанавливаемые под фильтром. Это исключает перегрев поверхности расплава в камере в периоды между разливками и уменьшает образование шлака.
Желательно использовать пневматические вибраторы, устанавливаемые на пеноке-рамические фильтры при завершении процесса фильтрования, что позволяет осушить пластину фильтра от остатков расплава и извлечь до 75 % металла, содержащегося в ней. Это сокращает потери металла с отработанными фильтрами, поступающими в отходы производства.
Целесообразно исключать применение хлора для удаления металлических примесей из первичного алюминия за счет перехода на обработку расплава в ковшах перед заливкой в миксеры-копильники смесями нейт-
рального газа и порошка (гранул) фторида алюминия, диспергируемыми в расплаве с помощью вращающихся роторов.
Модифицирование расплава
При разработке технологии модифицирования необходимо учитывать тот факт, что на измельчение зерна и эвтектических фаз кристаллизационного происхождения в слитках из алюминиевых сплавов, легированных магнием и кремнием, оказывают влияние:
- модифицирующие свойства лигатуры, определяемые размером и распределением частиц, являющихся зародышами кристаллизации, ее удельный расход и способ введения в расплав;
- химический состав сплава, характеризующийся степенью легированности, а также присутствием титана, циркония, хрома, ванадия;
- состав шихтовых материалов, используемый для приготовления плавки;
- способ рафинирования расплава;
- условия кристаллизации слитка, зависящие от его размеров и формы, способа разливки и режимов литья.
Поэтому выбор оптимальной технологии модифицирования, обеспечивающей достижение наилучшего модифицирующего эффекта при минимальных затратах на операцию, проводится для каждого конкретного производства. При этом следует отказаться от модифицирования расплава в печи, что позволяет снизить издержки производства за счет экономии лигатуры и повышения эффективности работы печного оборудования, и использовать внепечное модифицирование лигатурами в форме прутка с непрерывной подачей его в расплав при переливе из раздаточной печи в литейную машину. Вопрос о месте введения прутка, несмотря на сорокалетний опыт применения, все еще остается дискуссионным. На заводах в Северной Америке пруток предпочитают вводить в установки для продувки расплава газами, тогда как в Европе - в желоб перед установками для фильтрования расплава, как правило, не менее чем за один метр до фильтра. Считают, что в первом случае при использовании лигатур А1Т1В в результате перемешивания
расплава при турбулентном характере его движения в реакторе имеет место интенсивная агломерация боридов, крупные частицы которых в последующем задерживаются фильтром и не попадают в слиток. Однако при этом приходится увеличивать удельный расход модификатора, и сокращается срок службы насыпных фильтров. Во втором случае агломерация боридов может иметь место в самом фильтре, что не исключает возможности попадания крупных включений в слиток. Поэтому приходится ограничивать максимальное содержание бора в металле величиной 0,0005 % или применять лигатуры А1Т1С, особенно если к изделиям из слитков предъявляют повышенные требования по качеству поверхности. Альтернативой является введение прутка после фильтра, но это связано с необходимостью использования прутков особого качества (по состоянию поверхности и содержанию оксидных включений) и особо аккуратном погружении в поток расплава, обеспечивая при этом необходимое время (примерно 1,5-2 мин) для растворения частиц Т1А13 и исключения их попадания в лунку слитка.
Важно оптимизировать удельный расход модификатора. При недостаточном количестве активных для зародышеобразования частиц увеличивается склонность слитков к образованию столбчатой структуры и горячих трещин (в частности, при повышенных скоростях литья). При избыточном количестве имеют место незначительное дальнейшее уменьшение размера зерна при существенном увеличении склонности к образованию грубых интерметаллидных включений при применении лигатур А1Т1В и неоправданный рост затрат. В случае приготовления сплавов на шихте с большой долей скрапа из А!-М^-81-сплавов желательно использование системы ОрИоав: разработанной учеными Стокгольмского университета и позволяющей экономить примерно 50 % модификатора.
Отказ от применения хлора в устройствах для продувки потока жидкого металла рафинирующим газом позволяет снизить риск образования конгломератов боридных включений и их появления в металле слитков.
Большую роль играет температурный режим модифицирования. Модифицирующая
способность лигатур возрастает с понижением температуры расплава, но повышенные температуры способствуют ускорению растворения прутка. Поэтому температуру обработки выбирают с учетом компромисса: обычно ее принимают равной верхнему пределу температуры литья слитков из данного сплава, увеличенному на количество ее потерь на последующем после введения прутка участке перелива расплава. Следует отметить, что в практике многокристаллизаторного литья слитков особое внимание следует уделять способам уменьшения потерь тепла на литейном столе. Если разница в температурах расплава, поступающего в различные кристаллизаторы, будет слишком велика, возникает опасность получения в слитках одной плавки разных структур, особенно при использовании модификаторов с повышенной температурной чувствительностью.
Применение модифицирующих прутковых лигатур со стронцием, добавка которого в количестве 0,01-0,03 % способствует предпочтительному образованию фазы а (Д!8Ре281) в процессе кристаллизации, позволяет сократить время выдержки слитков в процессе гомогенизации.
Литье слитков
Как и плавление, операция литья является одним из ключевых моментов в производстве слитков из алюминиевых сплавов системы Д!-М^-81. Она не только аккумулирует все достижения и недостатки предшествующих операций,но и добавляет свои, фиксируя их в виде особенностей структуры и характеристик литого слитка, большинство из которых не могут быть изменены последующей термической обработкой и остаются в металле, во многом определяя качество прессованной продукции. Если также учесть тот факт, что технология литья во многом закладывает основу технико-экономических показателей производства слитков, то становится очевидной важность выбора оптимального способа литья. Несмотря на преимущества непрерывного горизонтального способа литья, выражающиеся в уменьшенных капиталовложениях и издержках производства по сравнению с вертикальной полунепрерывной
разливкой, его применение целесообразно в литейных цехах прессовых заводов, где отливается 4-20 тыс. т/год слитков диаметром не более 200 мм (преимущественно из одного сплава) с большой долей скрапа в шихте. В этом случае потери в прессовом производстве, работающем с выходом годного на уровне 80 % из-за увеличенного дефектного поверхностного слоя слитков, в значительной мере могут быть компенсированы повышенным выходом годного слитков при горизонтальном литье. Для всех других случаев экономически оправданным является применение вертикального литья.
Как при вертикальном, так и при горизонтальном литье необходимо применение коротких кристаллизаторов с уменьшенной эффективной длиной 1э, под которой понимают расстояние от точки первоначального контакта расплава со стенкой кристаллизатора до точки соприкосновения вторичного охлаждения с поверхностью слитка (рис. 1). Интенсивность отвода тепла тем выше, чем меньше 1э. Эта характеристика оказывает существенное влияние на качество слитков. Ее уменьшение благоприятно сказывается на сокращении
Рис.1. Схема охлаждения слитка при непрерывном литье:
1 - мениск расплава; 2 - зона первоначального охлаждения; 3 - зона медленного охлаждения; 4 - пульсирующий контакт корочки со стенкой кристаллизатора; 5 - воздушный зазор; 6 - струйный поток воды; 7- зона интенсивного отвода тепла кристаллизующегося слитка вторичным охлаждением; 8 - зона последующего охлаждения слитка стекающей водой; 9 - переходная зона; 10 - слиток; 11 - кристаллизатор с тепловой насадкой; I - эффективная длина кристаллизатора
толщины поверхностной ликвационнои зоны слитка (рис. 2), улучшении качества его поверхности, уменьшении величины дендритного параметра и степени зональной ликвации, а также пористости литого металла.
5 3,0
2,5
о о
9 2,0
о о
X
X
о. ш ш о 1=
1,5
1,0
I 0,5
о
г
/
* /
/
0 25 50 75 10
Рис. 2. Зависимость толщины поверхностной ликвационной зоны слитков от эффективной длины кристаллизатора I:
о - кристаллизаторы с тепловой насадкой и двухфазной смазкой; • - кристаллизаторы с тепловой насадкой и однофазной смазкой; х - открытые кристаллизаторы различной длины
Использование таких кристаллизаторов в системах с тепловыми насадками при вертикальном литье слитков позволяет увеличить долю вторичного охлаждения до 95-98 %. Короткие кристаллизаторы с двухфазной газомасляной смазкой применяют, как правило, при производстве слитков на рынок (для повышения конкурентоспособности) или для обеспечения собственного прессового производства, работающего с выходами годного при прессовании профилей 85-90 % и выше. При меньших выходах годного можно применять кристаллизаторы с однофазной смазкой.
Слив плавки при вертикальном литье желательно проводить за один залив, чему способствует применение литейных машин повышенной грузоподъемности и систем с тепловыми насадками, позволяющих плотно разместить кристаллизаторы на столе литейной машины. Благоприятным является использование гидравлических литейных машин с направляющими внутри цилиндра, обеспечивающих поддержание скорости ли-
тья в пределах ±1 %, повышенную надежность и безопасность для персонала при литье.
Передачу расплава из печи в кристаллизаторы следует осуществлять с единым его уровнем, исключающим каскады, бурление, разрушение и захват потоком окисной плены с поверхности расплава в металлопроводах. Для этого необходимо ограничивать скорость потока жидкого металла в желобах до 17 см/с, а их наклон - до 5-8 мм/м, использовать увеличенные радиусы поворота потока. Желательно обеспечивать достижение минимальных потерь температуры расплава в металлопроводах на уровне 0,5 °С на 1 м длины желоба, применяя высокоэффективные теплоизолирующие материалы и совершенные конструкции устройств для перелива. При этом важно обеспечить быструю и равномерную подачу металла в кристаллизаторы в начальный момент разливки за счет двух- этапного заполнения расплавом системы тепловых насадок на столе литейной машины. В процессе разливки необходимо поддерживать постоянным расход расплава, ограничивая изменения уровня жидкого металла в системе с тепловыми насадками величиной ±0,5 мм за счет применения лазерных датчиков уровня и автоматизированных систем управления выдачей расплава из печи.
Температура литья, под которой следует понимать температуру расплава в прибыльных надставках системы тепловых насадок при вертикальном литье и в металлоприемни-ке при горизонтальном литье, не должна превышать более чем на 50 °С температуру ликвидуса сплава. Понижение температуры литья благоприятствует измельчению зерна в слитках. Желательно, чтобы разница в температуре расплава в тепловых насадках на столе литейной машины не превышала 10 °С.
Выбор величины скорости литья слитков проводят исходя из условия исключения образования горячих трещин с учетом повышенной горячеломкости сплавов системы А1-М^-Бк Слитки необходимо отливать из модифицированного расплава. При горизонтальном литье следует использовать циклическое вытягивание слитка: литье с периодическими
остановками. На рис. 3 показана скорость литья круглых слитков разных размеров из сплавов 6063 и АД31. Особое внимание уделяют началу и окончанию процесса литья. При вертикальном литье после заполнения кристаллизаторов жидким металлом перед пуском машины необходима выдержка, длительность которой зависит от диаметра кристаллизатора. В начальный и заключительный периоды литья (длительностью ~1 мин) целесообразно уменьшать скорость литья и расход воды примерно на 20 % от значений, принятых для установившейся стадии литья. Важно также поддержание температуры охлаждающей воды в пределах 25±5 °С, а ее удельного расхода при вертикальном литье в диапазоне 8-10 м3/т и при горизонтальном литье 15-25 м3/т.
Рис. 3. Скорость литья слитков из модифицированных сплавов 6063 и АД31:
1 - вертикальное литье в открытый металлический кристаллизатор длиной 100 мм; 2 - горизонтальное литье в короткий металлический кристаллизатор; 3 - вертикальное литье в кристаллизаторы с тепловыми насадками
Для предотвращения взрывов при проливах расплава в процессе литья и повышения безопасности персонала желательно уменьшать степень адгезии влаги на бетонных стенках приямка и стальных деталях конструкции машины путем защиты их поверхности
специальным покрытием. Работу литейной машины следует вести при обязательном нахождении над дном приямка слоя воды толщиной не менее 1 м, который гарантирует быстрое охлаждение и затвердевание пролившегося жидкого металла. При этом процесс литья надо завершать таким образом, чтобы платформа не была погружена в слой воды.
Использование систем автоматического управления работой литейных машин на базе программируемых логических контроллеров позволяет обеспечивать поддержание в заданных пределах всех параметров процесса литья, их регистрацию, визуализацию для оператора и передачу данных в систему диспетчерского управления БОАЭД.
Термическая обработка слитков
Для сплавов системы Д!-М^-81 термическая подготовка структуры слитков к прессованию заключается в гомогенизационном отжиге с последующим регламентированным охлаждением. Она сопровождается протеканием следующих процессов:
- растворения фазы 1\^2Б1 и выравнивания концентрации магния и кремния в объеме зерна;
- трансформацией железосодержащих фаз;
-распадом пересыщенного твердого раствора переходных металлов;
- выделением фазы 1\^2Б1 при охлаждении гомогенизированных слитков.
Изменения, происходящие в структуре слитков при гомогенизации и охлаждении, весьма значительны и оказывают заметное влияние на поведение сплава при прессовании, качество поверхности прессованных изделий и уровень их механических свойств. Однако требования, предъявляемые к прессованным профилям, в зависимости от назначения и состава сплавов являются настолько разнообразными, а различия в технологии производства профилей (скорость нагрева заготовок перед прессованием, тип используемых прессовых матриц, интенсивность охлаждения на столе пресса, способ закалки профилей и т. д.) - настолько существенными, что в ряде случаев вызывают необходи-
мость получения тех или иных особенностей структуры гомогенизированных слитков и соответствующей корректировки технологии. Отсюда становится очевидной важность разного подхода к выбору режимов термической обработки для высокотехнологичных сплавов типа 6060, 6063, АД31, используемых в основном для декоративных ограждающих конструкций и конструкционных сплавов средней прочности типа 6061, 6082, АВ, АД33 и других, которые содержат в своем составе марганец, хром и другие переходные металлы и используются для силовых, несущих конструкций.
Для слитков из высокотехнологичных сплавов типа 6060, 6063, АД31 общепризнанным стало использование повышенной температуры при изотермической выдержке. Ее выбор проводят из условия как можно более быстрой трансформации железосодержащих фаз Р (А^еБО^а (Д!8Ре2Б1). Основным ограничением температуры является исключение повреждений поверхности слитков вследствие резкого снижения прочностных свойств вблизи солидуса сплавов. Поэтому для этих сплавов следует выбирать температуры в диапазоне 580-590 °С с выдержкой в течение 2-4 ч в зависимости от диаметра слитка. Сокращению ее длительности способствуют повышение скорости кристаллизации при литье слитков, модифицирование, введение добавок стронция или марганца, а также уменьшение содержания примеси железа в составе сплава. Скорость охлаждения слитков после изотермической выдержки должна быть не менее 250 °С/ч до температур наименьшей устойчивости твердого раствора магния и кремния в сплавах (~350 °С). Повышение скорости отвода тепла при охлаждении слитка (вплоть до закалки в воде) способствует повышению прочности профилей в состоянии Т5 (при условии применения быстрого индукционного нагрева заготовок) и улучшению качества их поверхности. Вместе с тем оно сопровождается ростом сопротивления деформации и снижением скорости истечения металла при прессовании. Сохранению повышенных свойств профилей и высокой технологичности при прессовании способствует замед-
ленное (50-60 °С/ч) охлаждение слитков с температур наименьшей устойчивости твердого раствора в течение ~1 ч с последующим увеличением скорости охлаждения. Получаемая при этом структура в наилучшей степени подготовлена к последующей закалке профилей на столе пресса при условии использования индукционного нагрева заготовок.
Для слитков из конструкционных сплавов средней прочности типа 6061, 6082, АВ, АД33 и других необходимо ограниченное применение высоких (>565 °С) температур гомогенизации. Продолжительные (> 6 ч) выдержки слитков при этих температурах обеспечивают полное растворение фазы 1\/^2Б1 и трансформацию железосодержащих фаз, но создают условия для укрупнения выделяющихся частиц интерметаллидов переходных металлов. Ускоренное (350550 °С/ч) охлаждение слитка позволяет вести прессование с достаточно высокой скоростью истечения металла и с возможностью закалки профиля на столе пресса. Однако при этом получают рекристаллизованную структуру в профиле с недобором прочностных свойств из-за потери действия пресс-эффекта. Применение для этих сплавов пониженных (<525 °С) температур гомогенизации с длительными (до 10 ч) выдержками или кратковременных (~1 ч) выдержек при повышенных (>565 °С) температурах не приводит к заметному укрупнению частиц интерметаллидов переходных металлов, но ограничивает скорость прессования из-за неблагоприятного воздействия железосодержащих фаз на качество поверхности профиля. Желательным является применение ускоренного (350-550 °С/ч) охлаждения слитков после изотермической выдержки и быстрого нагрева прессовой заготовки в индукционной печи. При прессовании сохраняются действие пресс-эффекта и возможность получения в профиле после окончательной термообработки нерекристаллизо-ванной структуры с повышенным уровнем механических свойств. Пониженная устойчивость пересыщенного твердого раствора основных легирующих элементов (магния, кремния) затрудняет закалку профиля на
столе пресса, и ее осуществляют, как правило, в специальной закалочной печи.
Процесс гомогенизации слитков проводят в проходных установках непрерывного действия или в садочных печах с камерами охлаждения. При этом предпочтение следует отдавать печам непрерывного действия, обеспечивающим по сравнению с садочными печами лучшую однородность структуры и свойств гомогенизированных слитков, а также более высокие показатели работы. В качестве теплоносителей в печах используют продукты сжигания газа в рекуперативных горелках или воздух, нагреваемый электрокалориферами. Максимальная температура циркулирующего в рабочем пространстве печи теплоносителя не должна превышать температуру солидуса сплава, подвергающегося гомогенизирующей обработке. Интенсификацию конвективного теплообмена следует осуществлять за счет повышения скорости потока теплоносителя до 20-30 м/с. Важно отметить, что реверсирование потока теплоносителя позволяет ускорить нагрев садки до температуры изотермической выдержки и обеспечить в ней более равномерное распределение температуры. Это же относится и к охлаждению слитков. Реверсирование потока воздуха в камере охлаждения обеспечивает более равномерное по садке и ускоренное охлаждение слитков, а также возможность осуществления режима охлаждения с замедлением скорости отвода тепла при достижении температур минимальной устойчивости твердого раствора в сплавах. Необходимо сокращать до минимума (<10 мин) промежуток времени, необходимый для переноса слитков из садочной печи в камеру охлаждения.
Использование систем автоматического управления работой печей и камер охлаждения позволяет обеспечивать запуск оборудования и вывод на требуемые режимы, отслеживание их во время работы, изменение режимов работы при переходе на другой размер слитка или обрабатываемый сплав, а также мониторинг данных по всему технологическому циклу с предоставлением оператору информации на мониторе и передачей ее в систему диспетчерского управления БСАЭА.
Экологические аспекты производства слитков
Производство слитков из сплавов системы сопровождается загрязнением окружающей среды вследствие образования отходов и вредных для природы и здоровья человека выбросов. При этом, как следует из рис. 4, относящегося к приготовлению сплава АД31 в плавильно-литейном агрегате с производительностью 5 т/ч, объем выбросов газов и пыли в атмосферу значительно превышает выбросы в виде твердых отходов. Конечно, виды и количество загрязняющих веществ зависят, в первую очередь, от типа и состава шихтовых материалов, которые определяют технологическую схему производства слитков и соответственно выбор плавильной печи, а также уровень безвозвратных потерь металла. Так, наличие жидкого алюминия в шихте сокращает потребности в энергии и следовательно уменьшает количество продуктов сгорания топлива и их выбросы в атмосферу. При работе с твердой загруз-
69,4 %И2
15,0 %Н20 4,8 %02
Плавильно-литейный агрегат
88 % шлак
Рис. 4. Состав выбросов в атмосферу (1) и твердых отходов (2) при приготовлении сплава АД31 с 50 %-м освежением чушковым алюминием в плавильно-литейном агрегате емкостью 25 т, отапливаемом газом
кой более компактная шихта, имеющая большую насыпную массу, позволяет быстрее загружать печь и энергичнее передавать внутрь металла тепло, увеличивая производительность печи, что сокращает количество шлака в твердых отходах и их общий объем. Чем больше развита поверхность загружаемых шихтовых материалов, тем меньше выход годного металла, больше образуется шлака, и большее количество оксидов в виде пыли будет уноситься с отходящими газами из печи. Из-за применения флюсов отходящие газы могут содержать определенные количества HCl или HF, а также захваченные соли, такие как MgCl2, NaCl, KCl, CaF2 и др. Наличие в шихте органических и синтетических загрязнений приводит при их горении в присутствии хлора или его соединений к образованию хлорированных циклических эфиров в виде диоксинов и фуранов, являющихся исключительно токсичными соединениями. Кроме того, на состав выбросов оказывают влияние вид топлива, содержащиеся в нем примеси и способ его сжигания. Например, присутствие в топливе серы вызывает появление в продуктах сгорания ее соединений SO2 и SO3. Рециркуляция тепла в печи, приводящая к повышению температуры факела до 1300 °С и более, способствует образованию экологически опасных оксидов азота NOx.
Интенсивность загрязнения атмосферного воздуха меняется по ходу технологического
процесса. Максимальная концентрация вредных выбросов при работе выше приведенного плавильно-литейного агрегата составила: пыль 1450 мг/м3; 170 мг/м3 СО; 430 мг/м3 ЫОх; хлоридные соединения 67 мг/м3. В России отсутствуют нормативные требования по вредным выбросам из печных установок (исключая требования по выходу СО, ограниченному 100 мг/м3). В документах установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфере воздуха населенных мест и в рабочей зоне, которые не должны быть превышены при работе плавильно-литейного агрегата, являющегося точечным источником выделений. Предельно допустимые концентрации вредных выбросов из печной установки, установленные в Германии, приведены в табл. 3.
Эти нормы законодательно утверждены решением Европейского Совета (94/67 ЕС) и обязательны для всех стран Европейского сообщества. С учетом этих требований практически все европейские плавильно-литей-ные агрегаты для алюминиевых сплавов оборудуются системами газоочистки. Процесс ужесточения норм природоохранного законодательства, направленный на уменьшение и предотвращение вреда, наносимого окружающей среде, начался и в России, экологические законы которой постепенно, хотя и медленно, но приближаются к мировым стандартам, а государственные и региональные орга-
Таблица 3
Требования стандарта TA-Lift-86 по защите окружающей среды
Предельные значения
Загрязнения вредных выбросов
из печной установки,
мг/м3 (норм.)
Пыль 20
Пары и газообразные неорганические вещества:
хлор 3
соединения хлора (принимаются по НС!) 30
фтор и его газообразные соединения (принимаются по ИР) 5
оксиды серы (принимаются по Б02) 800
оксиды азота (принимаются по И02) 500
оксид углерода 100
Органические вещества (принимаются по общему содержанию углерода) 50
Диоксины/фураны 1-10-7
ны начинают уделять все более пристальное внимание контролю их исполнения. Поэтому актуальной для развития металлургического производства становится не только оценка степени его воздействия на экологическую обстановку в зоне предприятия, но и выработка мер по сокращению вредных для природы выбросов. Такие меры направлены, в первую очередь, на то, чтобы все количество высвобождающихся в результате производства слитков выбросов обрабатывалось и нейтрализовалось в максимально возможной степени на территории предприятия, даже
если это связано и с определенными расходами. При этом, чем более совершенными являются оборудование и используемые технологии, тем меньшими будут эти расходы. Те же отходы, которые невозможно нейтрализовать, должны быть собраны и безопасно переправлены на специализированные предприятия по их утилизации или на специальные полигоны для их захоронения.
Важно помнить о том, что забота о сохранности окружающей среды в интересах будущих поколений является неотъемлемой обязанностью современной промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров М.Ф., Александров Ю.Н., Синько П.П.
и др. Об опыте освоения поточного производства профилей из сплава АД31//Металловеде-ние сплавов легких металлов. - М.: Наука, 1970. С. 149-155.
2. Локшин М.З., Макаров Г.С. Проблемы производства качественной заготовки из алюминиевых сплавов для прессования//Цветные металлы. 2001. № 4. С. 90-96.
3. Локшин М.З., Макаров Г.С. Развитие металловедческих основ технологии прессования алюминиевых сплавов//Цветные металлы. 2005. № 3. С. 91-96.
4. Макаров Г.С., Харитонович А.М. Прогресс в
прессовании алюминиевых сплавов//Цветные металлы. 2008. № 12. C. 55-63.
5. Schloz J.D., Kelly R.M. Metallurgical Aspects of 6xxx Billet and the Impact of the Casting Process for Extrusion, Part I//Light Metal Age. 2010. April. P. 14-23.
6. Schloz J.D., Kelly R.M. Metallurgical Aspects of 6xxx Alloys, Part II. Impact on Homogenization, Preheat, and Extrusion Processes//Light Metal Age. 2010. June. P. 12-21.
7. Макаров Г.С. Слитки из алюминиевых сплавов с магнием и кремнием для прессования. Основы производства. - М.: Интермет Инжиниринг, 2011. - 528 с.
