CC BY
54
УДК 621.74.047:669.715
НЕПРЕРЫВНОЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ЛИТЬЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ: СТАТУС И ПЕРСПЕКТИВЫ
Г.С. Макаров, докт. техн. наук (независимый эксперт, e-mail:macarovgs@rambler.ru)
Рассмотрены особенности непрерывного горизонтального литья алюминиевых сплавов и показано, что горизонтальное положение слитка в кристаллизаторе при литье сплавов делает необходимой цикличность вытягивания. Она оказывает заметное влияние на качество поверхности и структуру отливаемых слитков, что и предопределило ограниченные успехи в применении горизонтального способа литья в алюминиевой индустрии. Способ перспективен для литья длинных шин, анодных штырей, Т-образных слитков из чистого алюминия и шихтовых заготовок из литейных сплавов, кузнечных заготовок небольшого диаметра из высоколегированных алюминиевых сплавов и слитков с тиксотропной структурой.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, непрерывное горизонтальное литье, кристаллизатор, слиток, поверхностная ликвационная зона, скорость литья, шина, Т-образный слиток, шихтовая заготовка из литейных сплавов, кузнечная заготовка, слиток с тиксотропной структурой.
Continuous Horizontal Casting of Aluminium Alloys: Status and Prospects. G.S. Makarov.
Features of the continuous horizontal casting of aluminium alloys are discussed. It is shown that the horizontal position of the aluminium alloy ingot in the mould necessitates cyclical pulling. It has an appreciable unfavourable effect on surface quality and structure of aluminium ingots and thus limited progress in the implementation of the horizontal casting in the aluminium industry. This method is very useful for casting of long busbars and anode rods, T-ingots, foundry alloy ingots, small cast forging billets and thixoforming feedstoks.
Key words: aluminium alloys, continuous horizontal casting, mould, ingot, shell zone, cast speed, busbar, anode rod, T-ingot, foundry alloy ingot, cast forging billet, thixoforming feedstock.
Слитки из алюминиевых сплавов уже более 60 лет отливают методом непрерывного литья. В зависимости от соотношения направлений вытягивания слитка и действия силы тяжести различают вертикальное литье, при котором они совпадают, и горизонтальное литье, при котором сила тяжести перпендикулярна направлению вытягивания слитка из кристаллизатора. Строго говоря, непрерывным является лишь горизонтальное литье: разливка продолжается в течение десятков и даже сотен часов с резкой слитка на мерные заготовки в ходе процесса. При вертикальном литье по достижению заданной длины слитка, определяемой, как правило, глубиной приямка литейной машины, процесс прекращают и возобновляют вновь после извлечения слитка. Поэтому по исполнению верти-
кальное литье является полунепрерывным, хотя в установившейся стадии литья, по существу, это непрерывный процесс.
Становление и развитие непрерывной разливки в нашей стране неразрывно связано с В.И. Добаткиным, который, начав свою научную деятельность с исследования кристаллизации, дальнейшую всю жизнь посвятил изучению закономерностей литейных процессов и тех явлений, которые сопровождают затвердевание слитка, созданию на их основе техники и технологии литья слитков из алюминиевых сплавов [1]. Результаты его теоретических и экспериментальных исследований [2, 3] стали настольными книгами для нескольких поколений специалистов литейных цехов, а научная школа металловедов-технологов, созданная В.И. Добаткиным
в отечественной металлургии легких сплавов, сыграла важную роль в разработке и внедрении на металлургических заводах самых передовых для своего времени технологий. Среди них можно отметить литье крупногабаритных слитков из высокопрочных алюминиевых сплавов, отливку полых слитков, непрерывную разливку магниевых сплавов, литье в электромагнитный кристаллизатор, производство слитков из электролизного алюминия, применение физических методов воздействия (электромагнитное перемешивание, мощный ультразвук) на кристаллизующийся слиток и др.
Освоение непрерывного горизонтального литья слитков в мировой алюминиевой индустрии началось во второй половине прошлого столетия. К сожалению, в те годы попытки использования этого процесса для высоколегированных алюминиевых сплавов, предпринятые в ВИЛСе, и для вторичных алюминиевых сплавов - на Руставском металлургическом заводе, не оказались успешными. Более результативными были работы в этом направлении за рубежом. Уже к концу 70-х годов там в промышленных масштабах началось производство слитков из алюминия и малолегированных сплавов, и на рынке металлургического оборудования в качестве товара появились машины для непрерывного горизонтального литья слитков.
Наиболее известны литейные машины австрийских компаний Hertwich Engineering и HPI, а также немецкой компании Maerz-Gautschi GmbH. Несмотря на определенные различия, общими для них являются следующие элементы конструкций (рис. 1).
- Металлоприемник, который служит для приема прошедшего внепечную обработку расплавленного сплава и распределения его по кристаллизаторам. В процессе длительной разливки необходимо обеспечивать желательно минимальный (не более 2-3 °С на 1 м ширины металлоприемника) перепад температуры в объеме расплава и постоянный (в пределах ±1 мм) его уровень в металлопри-емнике. Для этого его футеруют высокоэффективными теплоизоляционными материалами, а регулирование расхода металла осуществляют с применением лазерных датчиков уровня.
- Блок кристаллизаторов, прикрепляемых к боковой стенке металлоприемника и соединяемых с его пространством через литниковые отверстия в керамических перегородках. В кристаллизаторы по трубопроводам подается смазка и охлаждающая вода от соответствующих систем.
- Вытяжной механизм, выполненный в виде транспортера, состоящего из тяговых цепей, несущих стальные бруски и перемещающихся с заданной скоростью в шаговом или непрерывном режиме с помощью звездочек от привода, соединенного с электродвигателем. Регулирование скорости осуществляется, как правило, за счет изменения частоты тока и выдерживается в установленных пределах с точностью ±1 %. Слитки, выходящие из кристаллизаторов, поддерживаются снизу перемещающимися стальными брусками, к которым их прижимают ролики с индивидуальным пневматическим приводом. Использование роликов исключает проскальзыва-
Рис. 1. Схема установки для непрерывного горизонтального литья слитков (компания НеЯтеИ Епд'пееп'пд):
1 - напольная загрузочная машина; 2 - двухкамерная печь; 3 - установка для внепечной обработки расплава; 4 - цепной транспортер; 5 - прижимные ролики; 6 - летучая дисковая пила; 7 - слиток; 8 - металлоприемник с блоком кристаллизаторов; 9 - пористая диафрагма в подине литейной камеры печи
ние слитка относительно транспортера и обеспечивает направленное прямолинейное движение. Под вытяжным механизмом расположен бак, куда поступает вода, выходящая из кристаллизаторов. Как и в случае вертикального литья, для быстрого охлаждения и затвердевания пролившегося жидкого металла и исключения взрывов глубина слоя воды в баке обычно составляет не менее 1 м.
- Летучая дисковая пила, предназначенная для резки движущихся со скоростью литья слитков на мерные длины с точностью ±0,5 %, и устройство для автоматизированного клеймения перед поступлением их на транспортный конвейер. Для этого пилу размещают на каретке, которая на период резки с помощью пневматических зажимных цилиндров сцепляется с разрезаемыми слитками таким образом, что скорость ее перемещения в направлении литья синхронизируется со скоростью движения слитков. Кроме того, такой зажим не допускает каких-либо смещений слитков в процессе движения пилы перпендикулярно направлению их движения. Отрезанная часть каждого слитка незамедлительно убирается от диска пилы и передается по рольгангу в накопитель для дальнейшей обработки. После резки последнего слитка пила возвращается назад, и каретка автоматически быстро отводится в исходное положение.
- Система автоматического управления работой машины, позволяющая на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) обеспечивать поддержание в заданных пределах всех параметров процесса плавления, обработки расплава, литья и резки слитков, их регистрацию, визуализацию для оператора и передачу данных в систему диспетчерского управления SCADA.
Машины горизонтального литья обычно являются составной частью производственных линий, включающих плавильно-раздаточ-ную печь, устройство для внепечной обработки (дегазация, фильтрование, модифицирование) расплава, собственно литейную машину, печь непрерывной гомогенизации, а также оборудование для контроля слитков и упаковки заготовок. Например, две компании Hertwich Engineering производительностью
по 2 т/ч с середины 90-х годов успешно работают на российском заводе АГРИСОВГАЗ [4] для выпуска слитков диаметром 115190 мм из сплавов АД31, 6063 и 6060.
Работа таких линий может идти в непрерывном режиме в течение недели: с утра понедельника до утра субботы, а длина отлитых слитков может достигать 1000 м. По мере отливки в печь периодически с интервалами 20-30 мин порциями производится завалка шихты. Если шихта не содержит органических веществ, то ее загрузка ведется непосредственно в расплав, а плавление происходит под уровнем жидкого металла с минимальным (<0,5 %) уровнем безвозвратных потерь металла. При работе на отходах и чистом от органических загрязнений скрапе применяют двухкамерные печи непрерывного плавления, в случае наличия в шихте органики -трехкамерные печи [5]. На современной литейной машине компании Hertwich Engineering, как правило, отливают одновременно пять слитков диаметром 178 мм или шесть слитков диаметром 152 мм (рис. 2).
Рис. 2. Процесс горизонтального литья слитков диаметром 152 мм сплава 6063 на машине компании Hertwich Engineering с производительностью 2,6 т/ч. Вид со стороны летучей пилы
За прошедшие годы с момента пуска в эксплуатацию первых горизонтальных машин компания Hertwich Engineering значительно усовершенствовала это оборудование, и в настоящее время процесс производства слитков на линиях идет в автоматическом режиме.
Литейную часть линии обычно обслуживают один оператор, осуществляющий пуск машины в работу и наблюдающий за ходом процесса литья, и один рабочий, производящий подвоз шихты и загрузку ее в печь. При этом высокий уровень автоматизации допускает замену высококвалифицированного персонала рабочими, прошедшими только общее техническое обучение. Все это позволяет заметно снизить стоимость затрат при производстве слитков: при горизонтальном литье они примерно в 1,5 раза ниже по сравнению с вертикальным литьем. К числу других преимуществ горизонтального литья следует отнести :
- уменьшенные потери металла, обусловленные увеличенным до 98 % выходом годного при литье слитков, который на 8-13 % превышает этот показатель при вертикальном литье;
- сокращенные на 40-50 % инвестиции по сравнению с вертикальным литьем вследствие отсутствия необходимости в сооружении высоких зданий цехов, мощных фундаментов и глубоких приямков, применения мостовых кранов. Меньшие площади в цехе, необходимые для размещения отлитых слитков и их хранения перед последующими операциями обработки. Более низкую (примерно в 1,5-2 раза) стоимость машин горизонтального литья в сравнении с современными гидравлическими машинами;
- более простую и менее трудоемкую (по сравнению с вертикальным литьем) операцию замены кристаллизаторов при переходе на другой размер при литье, обеспечивающую большую гибкость при выполнении заказов;
- непрерывность работы с меньшим (до 10 раз) значением мгновенного расхода металла, позволяющую снизить количество вредных выделений в атмосферу и улучшающую санитарно-гигиенические условия в цехе. Следует отметить, что это обстоятельство позволяет применять менее дорогое оборудование (например, водяные насосы меньшей производительности, менее мощные электродвигатели и т.п.), что также благоприятно сказывается на уже отмеченной более низкой стоимости машин горизонтального литья.
В настоящее время в мировой алюминиевой индустрии работает немногим более 50 машин непрерывного горизонтального литья, на которых производится примерно 3 % общего объема выпуска литых продуктов (слитков, чушек, шин и т.п.). Возникает закономерный вопрос, почему при столь убедительных преимуществах по сравнению с вертикальной разливкой этот способ литья получил пока ограниченное применение. Ответ на него может быть получен из более детального рассмотрения следующих особенностей формирования слитка в горизонтально расположенном кристаллизаторе.
1. Отставание начала затвердевания сплава на верхней поверхности стенки кристаллизатора по сравнению с нижней (рис. 3), что
Рис. 3. Схема фронта кристаллизации слитка при горизонтальном литье со скоростями v3>v2>v1 [6]
обусловлено перемещением к ней вследствие конвекции более нагретого (а, следовательно, и более легкого) расплава, поступающего в лунку слитка, и увеличенным отводом тепла по нижней поверхности из-за плотного контакта здесь корочки слитка со стенкой кристаллизатора. Величина запаздывания Лh для случая введения расплава с температурой £ в лунку по оси слитка радиусом R описывается выражением [6]:
Лh=[(t-y/(t-y]/(Rpcvл/2a), (1)
где - температура солидуса сплава, °С;
- температура поверхности стенки по верху кристаллизатора, °С; с - удельная теплоемкость расплавленного сплава, Вт/(кг-град).
С увеличением интенсивности охлаждения (повышение коэффициента теплоотдачи от слитка к кристаллизатору а и снижение £)
разница в начале затвердевания верхней и нижней поверхностей слитка уменьшается. Поэтому при горизонтальном литье слитков из алюминиевых сплавов предпочтение отдают коротким металлическим (а не графитовым) кристаллизаторам. Следует иметь в виду, что величина запаздывания Дh линейно возрастает с увеличением размера слитка и скорости литья, что необходимо учитывать при выборе длины кристаллизатора.
2. Смещение лунки относительно оси слитка вверх на величину ДR (см. рис. 3) в случае симметричного введения расплава в лунку и, особенно, при использовании небольших скоростей литья. Величина смещения лунки ДR связана с Дh соотношением [6]:
ДR=ДhR/h, (2)
где h - глубина лунки, м.
Асимметрия в расположении лунки относительно оси слитка при горизонтальном литье может быть достаточно большой. Например, при литье слитков диаметром 100 мм из магния со скоростью 190 мм/мин она достигала 35 мм [7]. Наличие смещения лунки у слитков, отливаемых из сплавов с повышенной склонностью к горячеломкости, какими, например, являются сплавы АД31 и 6063, может приводить к образованию трещин и соответствующему уменьшению выхода годного.
3. Смещение литникового отверстия для подачи расплава в лунку относительно оси слитка вниз и уменьшение площади его сечения (до 30 % и более от площади сечения кристаллизатора), что создает завихрение расплава в лунке с вращением в направлении, обратном движению входящего в кристаллизатор потока. Это позволяет выровнять температурное поле в лунке, устранить асимметрию лунки относительно оси слитка и разницу в начале затвердевания верхней и нижней поверхностей слитка, а также способствует измельчению его зерна. Благоприятным оказалось выполнение литникового отверстия в керамической перегородке, отделяющей кристаллизатор от металлоприемни-ка, в форме щели, расположенной по дуге в нижней половине кристаллизатора (рис. 4). Такие кристаллизаторы используются в оте-
чественной практике горизонтального литья слитков.
Рис. 4. Медный кристаллизатор для горизонтального литья слитков сплавов системы А1-Мд-Б1. Вид со стороны выхода слитка:
1 - керамическая перегородка; 2 - литниковое отверстие для подачи расплава; 3 - графитовые вставки для подачи смазки; 4 - отверстия для охлаждающей воды
4. Плотный контакт корочки слитка, прижимаемой действием металлостатического давления столба расплава, со стенкой кристаллизатора в нижней его части. В этих условиях непрерывное вытягивание корочки слитка из кристаллизатора должно сопровождаться накоплением в ней растягивающих напряжений вследствие действия сил трения и неизбежным разрывом, когда накопленное за время вытягивания напряжение превзойдет ее предел прочности. Поэтому при горизонтальном литье алюминиевых сплавов быстрое достижение в корочке критического значения предела прочности вынуждает применять циклическое вытягивание слитка: литье с периодическими остановками. Например, в случае разливки сплава 6063, предел прочности которого при температуре 610 °С равен 0,85-1,05 МПа [8], слиток вытягивают из металлического кристаллизатора в течение 0,9 с, а затем на время 0,6 с дают остановку. Во время вытягивания корочка слитка освобождает часть поверхности стенки кристаллизатора, на которой начинает нарастать стационарная корочка из затвердевшего сплава. В период остановки происходит стык фронтов затвердевания стационарной и двигавшейся корочек, их соединение и утолщение объединенной корочки. В следующем цикле сдвигается уже эта корочка, освобож-
дая место для формирования новой стационарной корочки, И так далее. Визуально стыки фронтов затвердевания наблюдаются на поверхности слитка в виде кольцевых складок (рис. 5), периодически расположен-
ие. 5. Поверхность слитка диаметром 190 мм сплава 6063, отлитого в кристаллизатор, показанный на рис. 4
ных одна за другой с шагом вытягивания Шв, который определяется скоростью вытягивания № и его продолжительностью тв:
Шв=уутв. (3)
Существует предельная скорость вытягивания слитка w*, до достижения которой исключается растрескивание его корочки в цикле вытягивания. Влияние различных факторов при этом можно оценить с помощью зависимости [9]:
№* = а,М4т°'25цр£Н). И)
гдеав - предел прочности корочки вблизитем-пературы солидуса сплава; к - коэффициент затвердевания, зависящий оттеплофизичес-ких свойств сплава и характеризующий скорость увеличения толщины корочки; ц - коэффициент трения корочки о стенку кристаллизатора; Н - высота столба расплава над корочкой слитка.
Скорость литья слитков уп при горизонтальном литье связана со скоростью вытягивания и/ соотношением:
ул=И//(1+Тос/Те). (5)
А это значит, что при литье слитков из сплавов системы А1 — Мё—с остановками на т =0,6 с и вытягиванием в течение т =0,9 с
скорость литья vn меньше скорости вытягивания и/ в 1,7 раза. На рис. 6 приведены фактические значения скоростей литья качественных слитков сплавов 6063 и АД31, отливаемых из модифицированного распла-
240
о
40
90 100 150 200 250 300 400 Диаметр слитка, мм
Рис. 6. Скорость литья слитков модифицированных сплавов 6063 и АД31:
1 - вертикальное литье в открытый металлический кристаллизатор длиной 100 мм; 2 - горизонтальное литье в короткий металлический кристаллизатор; 3 - вертикальноелитье в кристаллизаторы степловыми насадками
ва в кристаллизаторы различных типов. Эти зависимости с погрешностью ±5 % описываются уравнением:
(6)
где л - константа, а значения скорости литья и диаметра слитка О выражены соответственно в мм/мин и мм. Значения константы п: п=14500 - вертикальное литье в открытые кристаллизаторы длиной 100 мм;
п=23500 - вертикальное литье в короткие кристаллизаторы с тепловыми насадками;
п=21500 - горизонтальное литье в короткие металлические кристаллизаторы.
Таким образом, скорость литья слитка при горизонтальном способе выше, чем при вертикальном способе литья в открытые металлические кристаллизаторы, но несколько уступает вертикальному литью в кристаллизаторы с тепловыми насадками.
5. Особая важность выбора оптимального состава смазки и способа ее ввода в кристаллизатор. Как следует из зависимости (4), скорость вытягивания без образования трещин и разрывов в корочке тем меньше, чем больше коэффициент трения Именно поэтому во многих случаях плохое качество поверхности слитков, связанное со сцеплением слитка с кристаллизатором, вызывается неудовлетворительной смазкой. Необходима равномерность распределения смазки на стенке кристаллизатора: избыток ее в каком-либо месте может приводить к появлению локальных дефектов. Используемые для смазки вещества не должны образовывать большого количества газов либо оставлять на поверхности стенки кристаллизатора твердых продуктов пиролиза. Вязкость смазки в диапазоне температур 20-150 °С, характерных для условий ее работы в кристаллизаторе, не должна значительно меняться. Кроме того, поскольку кристаллизаторы должны работать в течение многих часов без какой-либо очистки, в случае замкнутого водообо-рота смазка должна легко отделяться от воды, так как ее концентрация в воде более 0,005 % вызывает существенные затруднения при литье [10]. Для алюминиевых сплавов хорошо себя зарекомендовала смазка EXAL 45 на основе рапсового масла, подаваемая непрерывно с расходом 0,3 л/т в процессе горизонтального литья слитков.
6. Необходимость учета усадки слитка. По мере формирования слитка происходит его усадка с образованием воздушного зазора у стенки кристаллизатора. Поэтому важно в начале литья, когда затравка уже прошла, а слиток только входит в вытяжной механизм машины горизонтального литья, отрегулировать положение металлоприемника таким образом, чтобы ось слитка при вытягивании точно совпадала с осью кристаллизатора. Это достигается медленным (по 0,2 мм с интервалом 2-3 с) опусканием с помощью специального механизма металлоприемника с закрепленными на нем кристаллизаторами на расстояние, равное половине величины усадки слитка. Например, для слитка диаметром 190 мм оно составляет 2,5 мм. Своевременное выполнение этой операции способствует
уменьшению трения слитка о стенку кристаллизатора, благоприятно сказываясь на улучшении качества поверхности слитка и повышении срока службы кристаллизатора.
7. Необходимость обеспечения минимального размера зоны твердо-жидкого состояния вблизи периферии отливаемого слитка. Это обстоятельство, с одной стороны, ограничивает набор сплавов для литья слитков в горизонтальный кристаллизатор. Многолетний опыт применения горизонтального литья различных цветных металлов и сплавов свидетельствует о том, что этот метод является весьма эффективным для разливки чистых металлов, а также деформируемых малолегированных сплавов с узким температурным интервалом кристаллизации или литейных сплавов эвтектического состава. С другой стороны, это обстоятельство требует максимальной интенсификации процесса охлаждения, что достигается применением коротких (длиной 30-40 мм) металлических кристаллизаторов и использованием повышенного (примерно в 2 раза) расхода охлаждающей воды. При горизонтальном литье слитков он находится в пределах 2,7-4,5 дм3/(см-мин). В определенной степени это связано и с тем, что охлаждающая вода быстрее по сравнению с вертикальным литьем удаляется с поверхности слитка. Для расширения области вторичного охлаждения иногда используют дополнительные душирующие устройства, размещаемые по ходу движения слитка за кристаллизаторами, но чаще ограничиваются подачей из кристаллизатора дополнительного струйного потока воды под небольшим (10-25°) углом к оси слитка с давлением до 0,3 МПа.
8. Формирование поверхностных дефектов и ликвационных полос в структуре. Циклическое вытягивание с периодическими остановками при горизонтальном литье приводит, как уже было отмечено, к образованию периодических складок на поверхности слитка, вызванных стыковкой фронтов затвердевания стационарной и двигавшейся корочек у поверхности слитка в горизонтальном кристаллизаторе. Глубина их увеличивается с ростом диаметра, но в слитках диаметром до 200 мм из А!-М^-81-сплавов обычно не
превышает 1-2 мм. При литье же сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации она может достигать 6 мм на верхних участках поверхности и 13 мм - на нижних [10]. Область их залегания обогащена легкоплавкими выделениями неравновесной эвтектики, которые аналогичны тем, что наблюдаются в периодической структуре поверхностной ликвационной зоны слитков, рассмотренной в работе [11]. Кроме того, снижение скорости кристаллизации слитка в моменты остановок и резкое ее увеличение во время цикла вытягивания сопровождается появлением в структуре периодически расположенных с шагом вытягивания ликвацион-ных полос, очерчивающих фронт кристаллизации. В такой полосе одна сторона, обращенная к твердой фазе, обогащена легирующими элементами, а противоположная -обеднена ими. Они особенно заметны в структуре слитков из высоколегированных алюминиевых сплавов, но могут быть обнаружены и при детальном металлографическом изучении структуры продольных сечений слитков из алюминиевых малолегированных сплавов системы А1-М^-Б1, отлитых горизонтальным методом литья. Хотя в последнем случае их влияние на технологичность металла при прессовании профилей весьма небольшое и проявляется в необходимости некоторого повышения удельных нагрузок в начале прессования, практически не сказываясь на качестве прессованной продукции. Об этом свидетельствует 15-летний опыт производства конкурентоспособных на рынке алюминиевых профилей и строительных конструкций из них российской компании АГРИСОВГАЗ [4].
Подводя итог рассмотрению особенностей формирования слитков при горизонтальном литье, мы можем прийти к заключению, что горизонтальное положение слитка в кристаллизаторе при литье сплавов делает необходимой цикличность вытягивания, которая в свою очередь оказывает заметное влияние на качество поверхности и структуру отливаемых слитков. Это обстоятельство и предопределило ограниченные успехи в применении горизонтального способа литья в алюминиевой индустрии.
Первоначально основные усилия по его распространению были направлены в сторону производства слитков для прессования из малолегированных сплавов: 2/3 эксплуатирующихся в мире машин горизонтального литья именно для этого и предназначались. Однако увеличенная (по сравнению со слитками, отлитыми вертикальным способом в кристаллизаторы с тепловыми насадками) глубина дефектного поверхностного слоя слитков горизонтального литья требует применения специальных мер при прессовании для исключения возможности выхода на поверхность профиля металла из этого слоя [12]. Обычно они состоят в увеличении длины пресс-остатков и ограничении в прессовом инструменте расстояния от края матрицы до канала, формирующего профиль, что уменьшает выход годного при прессовании. В прошлом столетии считали, что при прямом прессовании без смазки поверхностные дефекты могут быть полностью задержаны в пресс-остатке величиной 20 % от длины заготовки, если глубина их залегания не превышает величины, равной 3 % от диаметра заготовки [13]. Например, для широко используемой в прессовых цехах заготовки диаметром 127 мм глубина «безопасного для качества» поверхностного слоя по этим представлениям составляла приблизительно 4 мм, что вполне обеспечивалось горизонтальным литьем. Но в современных условиях этого уже недостаточно. Ведь очень часто пресс-остаток составляет всего 5-10 % от длины заготовки, что обусловлено стремлением производителей профилей к достижению как можно большего выхода годной продукции и максимальному снижению количества отходов. Учитывая, что концевая часть профиля отрезается и идет в отходы, ограничение глубины дефектного слоя на поверхности слитков способствует повышению выхода годного при прессовании. По данным работы [14] каждые 40 мкм этого поверхностного слоя до толщины 0,5 мм дают дополнительно 1 % отходов и каждые 100 мкм поверхностного слоя в диапазоне толщин 0,5-1 мм -еще 0,65 %. Если основываться на этих цифрах, то нетрудно подсчитать, что увеличение глубины дефектного слоя на поверхности
слитка с 0,25 мм (вертикальное литье в кристаллизатор с тепловой насадкой) до 1 мм (горизонтальное литье) может снизить выход годного при прессовании примерно на 9 %. А это существенно сужает область использования горизонтального литья в производстве слитков для прессования. Его применение оказывается экономически оправданным только на прессовых заводах, в литейных цехах которых мощностью 4-20 тыс. т/г отливают слитки диаметром до 200 мм (преимущественно из одного сплава) с большой долей скрапа в шихте. В этом случае потери от увеличенной доли отходов в прессовом производстве, работающем с выходом годного на уровне 80 %, в значительной мере могут быть компенсированы повышенным выходом годного слитков при горизонтальном литье.
Следует отметить, что качество поверхности явилось также камнем преткновения в попытках применения горизонтального литья для производства плоского проката из алюминия: необходимость фрезеровки поверхности слябов перед прокаткой сделала экономически нерентабельной эту технологическую схему, несмотря на выгоды, получаемые при их отливке.
Вместе с тем есть области, в которых способ горизонтального литья является особенно выигрышным, что подтверждается опытом его применения в последнем десятилетии. В их числе:
- отливка из алюминия длинных (до 18 м) шин для подвода электроэнергии к электролизным ваннам и анодных штырей на заводах первичного алюминия. Такие установки успешно работают в Канаде (компания А1_САЫ), Аргентине (компания АШАР), Южной Африке (компания АШБАР) и др;
- литье Т-образных слитков из чистого алюминия и шихтовых заготовок из литейных сплавов с содержанием до 11 % Б1. В этом случае качество поверхности не является определяющим, так как металл в последующем подвергается переплаву. Однородный химический состав, отсутствие усадочных раковин, низкое содержание водорода и неметаллических включений в сочетании с малыми издержками производства и умеренными
капиталовложениями делают этот процесс привлекательным не только для заводов первичного алюминия, но и для предприятий, занимающихся его рециклингом. Недавно компания Hertwich Engineering поставила производителям первичного алюминия DUBAI Aluminium и ALUAR три самые большие в мире машины горизонтального литья шириной 3 м для одновременной непрерывной отливки из алюминия четырех Т-образных слитков сечением 850x300 мм с производительностью 17 т/ч и 24 слитков сечением 106x106 мм из литейных сплавов с производительностью 12 т/ч [5];
- производство кузнечных заготовок диаметром 25-75 мм из высоколегированных алюминиевых сплавов. Отливка слитков столь малого диаметра вертикальным способом экономически невыгодна и обычно такие заготовки получают прессованием из слитков большого диаметра. Горизонтальное же литье позволяет отказаться от применения промежуточных прессованных заготовок, уменьшить тем самым число переходов и стоимость заготовки, избежав проблем с рекристаллизацией ее структуры при нагревах [12]. Слитки используют только после обточки поверхности, а их мелкозернистая литая структура в большинстве случаев обеспечивает достижение необходимого уровня механических свойств штамповок с минимальной анизотропией;
- литье слитков диаметром 25-150 мм с тиксотропной структурой, что обеспечивается применением геликоидальных электромагнитных перемешивателей, размещаемых у кристаллизаторов. Заготовки из этих слитков применяют для деформации в твердо-жидком состоянии в производстве деталей повышенной точности для автомобилестроения, приборостроения и электроники. В Европе, США, Японии и Южной Америке насчитывается уже более 20 компаний, специализирующихся в этой области, и число их с каждым годом возрастает. Соответственно увеличивается и потребность в слитках с тиксотропной структурой. Например, австрийская компания Salzburger Aluminium AG на трех машинах горизонтального литья ежегодно производит до 20 тыс. т таких слитков длиной по 18 м из
сплавов ТН1ХА1_1_ОУ 615, ТН1ХА1_1_ОУ 636 и др., которые по сравнению с традиционными литейными сплавами А356, А357 отличаются повышенными характеристиками вязкости разрушения и удлинения, уменьшенным содержанием эвтектической фазы и более од-
нородными свойствами в изготовленных из них деталях [15].
Все это свидетельствует о наличии определенных перспектив в дальнейшем расширении применения горизонтального литья в алюминиевой индустрии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Избранные труды В.И. Добаткина. - М.: ВИЛС, 2001. - 668 с.
2. Добаткин В.И.Непрерывное литье и литейные свойства сплавов.- М.: Оборонгиз, 1948. -154 с.
3. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов.- Свердловск: Металлургиздат, 1960. -175 с.
4. Долгополов О.И.//Металлоснабжение и сбыт. 2007. Февраль. C. 62-65.
5. Нидермайер Ф.//Цветные металлы. 2008. № 1. C. 79-86.
6. Шатагин О.А., Сладкоштеев В.Т., Вартаза-ров М.А. и др. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1974. -176 с.
7. Чухров М.В., Вяткин И.П. Непрерывное горизонтальное литье слитков и сплавов. - М.: Металлургия, 1968. - 139 с.
8. Eskin D.G. Physical Metallurgy of Direct Chill Casting of Aluminum Alloys. - Boca Raton-
London-New York: CRC Press, 2008. - 301 p.
9. Кац А.М.//Цветные металлы. 2008. № 6. C. 82-83.
10. Макаров Г.С., Гогин В.Б, Логинов Л.А. и др.
Непрерывное горизонтальное литье слитков из алюминиевых сплавов. - М.: ВИЛС, 1980. -60 с.
11. Вайнблат Ю.М., Макаров Г.С, Карсанова Л.Г.
и др.//Обработка легких и специальных сплавов - М.: ВИЛС, 1996. C. 244-254.
12. Blum S.//Aluminium Times. 2004. April/May. P. 26-27.
13. Галацкая И.К. Металлография металлургических дефектов в прессованных полуфабрикатах из алюминиевых сплавов. - Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1973. - 125 с.
14. Jowett C., Parson N., Fraser W. et al.//Proc. of the 7th Int. Aluminum Technology Seminar ET-2000: AEC and AA, 2000. V. 1. P. 27-42.
15. Kraly A., Hartlieb E., Jansen O. et al.// Aluminium World. 2003. V. 3. Issue 1. P. 69-72.
