CC BY
20
г ггтт^ гг rmpjjjrrrn:r<
- 3 (39). 2006
/67
ПРОИЗВОДСТВО
The investigations of continuous horizontal casting of copper anodes slugs are carried out on the basis of numerical modeling. The dependence of temperature fields of ingot and crystallizer on technological parameters of casting process is established. The technological process and equipping for continuous horizontal casting of bar of copper and alloys on its basis in crystallizer ^ with graphite insert are developed. ^
* * - . . \ * - -
Е. И. МАРУКОВИЧ, ИТМ HAH Беларуси, В. А. МАТОЧКИН, РУП«БМЗ», С. Р. ЧУДАКОВ, А. М. БРАНОВИЦКИЙ, В. А. ДЕМЕНТЬЕВ,
JI. В. ЧЕШКО, ИТМ HAH Беларуси удК ^
НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЕ МЕДНЫХ АНОДОВ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МЕТАЛЛОКОРДА
Металлокорд, применяющийся в качестве основного армирующего материала при производстве автомобильных шин и других резинотехнических изделий, является одним из наиболее востребованных товаров на мировом рынке металлопродукции. На Белорусском металлургическом заводе создан и освоен полный технологический цикл получения металлокорда. Производство ме-таллокорда — сложнейший наукоемкий процесс, в результате которого из литой заготовки сечением 250x300 мм получают стальную проволоку с латунным покрытием диаметром до 0,15 мм, способную выдержать высокие механические нагрузки.
Процесс получения металлокорда включает в себя следующие стадии: отжиг проволоки диаметром от 0,8 до 3,0 мм в печи патентирования (около 1000 °С); гальваническую обработку в ваннах травления серной кислотой; нанесение медного и цинкового покрытия с последующим их сплавлением в печи диффузии для получения латунного покрытия на стальной проволоке (латунирование проволоки); протяжку на тонком волочении (уменьшение диаметра и получение тонкой нити); свивку тонкой нити в металлокорд с последующим использованием для производства шин.
Медные аноды для нанесения гальванического покрытия производятся в широком ассортименте геометрических параметров (формы и размеров). Выбор медных анодов осуществляется в соответствии с конфигурацией ванны, электрическим оборудованием и другими параметрами конкретной установки и процесса меднения, что позволяет оптимизировать качество продукции, производительность процесса и минимизировать количество отходов. Основными требованиями, предъявляемыми к медным анодам, являются химический состав, размер и форма анода (шаро-
вые, цилиндрические, полосы и т.д.), кристаллическое строение анода, чистота поверхности, точность геометрических размеров.
Медные аноды получают как непосредственно литьем, так и методом пластической деформации. Широко используется для производства медных анодов непрерывное горизонтальное литье [1]. В процессе плавки производится постоянный контроль химического состава расплава меди. Чтобы исключить попадание шлаков и неметаллических включений в слиток, подвод металла в зону кристаллизации осуществляется из нижней части ванны с расплавом. Для кристаллического строения непрерывнолитой полосы характерно увеличение размера зерна от поверхности слитка к центру. Для обеспечения равномерности растворения медного анода в гальваническом производстве необходимо обеспечить кристаллическую однородность. В настоящее время медные аноды на РУП «БМЗ» поставляют из-за рубежа, причем только анодов размером 12x80x500 мм используется 174 т в год.
В ИТМ HAH Беларуси разработаны оборудование и технологический процесс изготовления литых и горячекатаных медных анодов с применением 30—40% металлических отходов гальванического производства РУП «БМЗ» (таких отходов образуется на заводе до 70 т в год). В состав оборудования по производству заготовок для литых анодов входят индукционная канальная печь, сборный кристаллизатор с медными водо-охлаждаемыми пластинами и графитовой фильерой, тянущая клеть с приводом, система вторичного охлаждения.
Процесс получения заготовок для литых и горячекатаных анодов включает в себя следующие стадии: подготовку шихтовых материалов, плавку шихты в индукционной канальной печи в восста-
новительной атмосфере, получение непрерывно-литой заготовки необходимого поперечного сечения направленным затвердеванием в кристаллизаторе с графитовой фильерой.
Шихтовые материалы готовили следующим образом. Катодную медь рубили на мерные заготовки шириной 100—150 мм. Отходы медных анодов укладывали слоями в ванну из нержавеющей стали и заливали 10%-ным раствором питьевой соды, уровень раствора доводили до 50-70 мм выше уровня отходов. После выдержки металли-
ческих отходов в растворе в течение 1 сут отходы извлекали из ванны, производили зачистку щеткой поверхности от шлама и промывку в проточной воде или многократным окунанием в ванну с чистой водой. Очищенные металлические отходы подвергали естественной сушке на воздухе в течение 1 сут и затем прокаливали при 110 °С в термической печи в течение 1 ч.
Химический состав медных анодов, согласно требованиям стандартной спецификации завода, приведен в табл. 1.
Таблица 1.
Ag+Cu,%, не менее Примеси, %, не более
Bi Sb As Fe Ni Pb Sn s О Zn P
99,975 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,002 0,002 0,015 0,001 0,0005
В качестве шихты при производстве литых и тодную и металлические отходы (огарки анодов), горячекатаных медных анодов применяли медь ка- химический состав которых приведен в табл. 2.
Таблица 2.
Примеси, % Р Fe S Zn Ni
Медь катодная 0,0006-0,0009 0,002 0,0009-0,0012 0,001 0,001
Металлические отходы 0,0016-0,003 0,0043-0,0054 0,0007-0,001 0,005 0,005
Плавку меди осуществляли в специальной канальной печи под слоем 50—100 мм древесного угля. Уголь перед подачей в печь прокаливали при температуре 700—750 °С. В качестве футеровки печи использовали кварцит фирмы SP MINERALS Оу АЬ (Финляндия) следующего химического состава: Si02 - 99,0-99,4%; А1203 - 0,25-0,5; К20 - 0,06; Fe203 - 0,03-0,05%. В качестве связующего использовали буру (2% от массы кварцита). Температуру расплава меди поддерживали в интервале 1200-1240 °С.
Одним из основных узлов машины непрерывного литья является кристаллизатор, состоящий из графитовой фильеры (рис. 1), помещенной между водоохлаждаемыми пластинами. Толщина верхней и нижней графитовых пластин кристаллизатора равна 15 мм, боковых — 30 мм. Размеры паза А в графитовой фильере составляли для литых анодов 12x80 мм, для горячекатаных -17x80 мм. Для уменьшения усилия вытяжки края рабочей поверхности кристаллизатора выполняли закругленными радиусом 2 и 6 мм для литых анодов и 8,5 мм для горячекатаных. Для обеспечения плотности соприкосновения между графитовой фильерой и водоохлаждаемыми пластинами кристаллизатора использовали графитовую пасту. Для равномерности теплоот-вода боковые поверхности теплоизолировали асбестом и огнеупорными замазками.
Формирование микроструктуры и качество медного анода в значительной мере зависят от тепловых условий его формирования. Для выявления тепловых особенностей формирования заготовок использовали математическую модель [2, 3], уравнение теплопроводности решали в трехмерной постановке методом конечных разностей. Для определения коэффициентов теплоотдачи использовали алгоритм, аналогичный [4]. Для границы отливка — графит в зоне плотного контакта коэффициенты теплоотдачи составляли 5000 Вт/(м2 • град), при наличии зазора — 1000 Вт/(м2 • град). В промежуточных точках они рассчитывались на основе линейной интерполяции. Коэффициент теплоотдачи на границе графит — медный корпус кристаллизатора брался равным 15000 Вт/(м2 • град). Коэффициенты теплоотдачи на боковых поверхностях без водяного охлаждения и в зоне вторичного охлаждения
Рис. 1. Графитовая фильера
воздухом равны 100 Вт/(м2 • град). Значение коэффициента теплоотдачи на границе вода—кристаллизатор брали равным 3000 Вт/(м2 • град). Для проведения расчетов использовали теплофизичес-кие коэффициенты [5].
Исследовали влияние геометрических параметров графитовой фильеры, температуры расплава и режима литья на качество медных анодов.
Графитовые фильеры использовали следующих длин: 210, 240, 270 мм, водоохлаждаемая часть — 180 мм. При этом неохлаждаемая часть составляла соответственно 30, 60 и 90 мм. Температура перегрева расплава меди составляла 150 °С. В качестве охлаждающей жидкости в кристаллизаторе использовали воду температурой 26-28 °С. В кристаллизатор вводили медную затравку, соединенную другим концом с вытягивающим устройством.
Эксперименты проводили с целью получения образцов заготовок и уточнения значений коэф-
У
фициентов теплоотдачи на границах отливка-кристаллизатор. Исследовали влияние скорости литья и температуры охлаждающей жидкости на структуру медных анодов. Скорость литья варьировали в пределах 100-220 мм/мин за счет длины рывка (от 2 до 10 мм) и времени остановки (от 0,7 до 7 с).
На рис. 2 показано расположение изотерм в конце цикла остановки в продольном сечении графитовых пластин и слитка при шаге вытяжки 6 мм для различных скоростей вытяжки, высота отливки равна 17 мм. Как видно из рисунка, при уменьшении скорости литья ниже 0,1 м/мин (рис. 2, в) фронт кристаллизации смещается в нео-хлаждаемую часть кристаллизатора, что может привести к намерзанию металла на торцовой части графитовой фильеры и прекращению процесса литья. При увеличении скорости литья выше 0,24 м/мин (рис. 2, а) температура отливки на выходе из кристаллизатора превышает 600 °С,
-50 0 50 100 150 г
а
-50 0 50 100 150 2
р 650 600 550 525 500 475 450 425 \ \ \ \ \ \ \ \
*500 1460 140Q1300Г [Ч\"в00 ^700 "бОО "бОО , 1 ( l \ \ \
\ 1 \ \ \ \ i \ \ \ t * * 1500 1460 1400 *Jb3001200 1100 1000 900 800 700 600 П I I ¡/I I I I J I I I •
ISOO 1460 14001300/ - V 4 \ U
1 700 660 600 SS0 S2S S00 475 ________» / / /, / / /, / ^T
-50
50
100
150
ложение изотерм в конце цикла остановки в продольном сечении графитовых пластин и слитка при шаге вытяжки, равном 6 мм: а — скорость литья равна 0,24 м/мин; б — 0,17; в — 0,1 м/мин
в
20 0 20
У 20
0
-20
У 20
0
-20
Рис. 2. Расп<
70
Ш* ГС
2006 -
что будет приводить к интенсивному образованию окалины на поверхности отливки и ухудшению качества ее поверхности. Как показывают расчеты, увеличение шага вытяжки от 2 до 10 мм приводит к небольшому разогреву отливки.
На рис. 3 показан вид лунки отливки высотой 12 мм в зависимости от протяженности неохлажда-емой зоны кристаллизатора при шаге вытяжки, равном 10 мм и скорости литья 0,17 м/мин. Так, при длине неохлаждаемой зоны 90 мм начальная корка слитка начинает формироваться уже в неохлаждаемой зоне кристаллизатора. Из рисунка также видно, что увеличение длины неохлаждаемой зоны кристаллизатора приводит к расширению области кристаллизации отливки. На практике при длине неохлаждаемой части фильеры 30 мм возникают трудности герметизации узла кристаллизатор—
У
печь, а также возможно затекание расплава меди между футеровкой и графитовой фильерой с образованием дополнительных областей кристаллизации, что отрицательно влияет на качество анодов. Поэтому дальнейшее уменьшение длины неохлаждаемой части кристаллизатора нецелесообразно. Как показывают расчеты, оптимальной является длина неохлаждаемой зоны в пределах 50-70 мм. Изменение температуры поверхности слитка по длине в центральном продольном сечении при шаге вытяжки, равном 6 мм, для различных скоростей вытяжки показано на рис. 4. Так, увеличение скорости литья от 0,1 до 0,24 м/мин приводит к повышению температуры поверхности слитка на выходе из кристаллизатора от 300 до 500 °С, при этом температуры нижней и верхней поверхностей слитка различаются незначительно (не более 10 °С).
"10 0 10 20
Рис. 3. Вид лунки слитка в зависимости от протяженности неохлаждаемой зоны кристаллизатора при шаге вытяжки 10 мм и скорости литья 0,17 м/мин: 1 — длина неохлаждаемой зоны 30 мм; 2 — 60; 3 — 90 мм
1000-
800 —
600 -
г, мм
Рис. 4. Изменение температуры поверхности слитка по длине при шаге вытяжки, равном 6 мм: 1 — скорость литья равна
0,24 м/мин; 2 - 0,17; 3 - ОД м/мин
При экспериментальном исследовании про- хности анода, что обусловлено смещением зоны
цесса литья медных анодов понижение скорости кристаллизации в зону графитовой фильеры с
ниже 0,1 м/мин в ряде случаев приводило к увеличенными за счет адгезии расплава разме-
образованию трещин по шагу литья на повер- рами.
Повышение скорости литья от ОД до 0,22 м/мин приводило к увеличению температуры слитка на выходе из кристаллизатора и ухудшению качества его поверхности за счет образования окалины. Понижение температуры охлаждающей жидкости приводило к смещению фронта кристаллизации в сторону ванны с расплавом и затвердеванию меди на торце графитовой фильеры.
Полученные образцы подвергали прокатке с предварительным нагревом в термической печи до 740-750 °С. Размеры заготовок медных анодов до прокатки составляли 17x80x450 мм, после
/; (ШгГ:ГГ готпштгта / 71
- 3 (39), 2006 I Я I
прокатки и обрезки — 11,5x75x500 мм. На рис. 5 показаны образцы макроструктуры торцового среза заготовок анодов. Непрерывнолитый образец размером 17x80 мм (рис. 5, а) имеет грубую макроструктуру, ориентированную от рабочей поверхности к центру отливки. Образец размером 12x80 мм (рис. 5, б) лишь частично сохранил ориентацию кристаллов от рабочей поверхности к центру отливки, размер зерна существенно уменьшился. Горячекатаный образец (рис. 5, в) размером 11,5x75,0 мм имеет мелкодисперсную структуру по всему поперечному сечению.
. -- г К-'- к * " ^ Г /I . ^
£ V - ~ - л ■■' ¡5? - - - ' ,а\> ^ * , ^ - л ' х>
Рис. 5. Макроструктуры торцового среза заготовок анодов: а — непрерывнолитый образец размером 17x80 мм; б — непрерывнолитый размером 12x80 мм; в — горячекатаный размером 11,5x75,0 мм
Химический состав полученных заготовок видимому, связано с применением древесного
медных анодов показал увеличение содержания угля в качестве защитного слоя для расплава
серы по сравнению с химическим составом меди. Результаты входного контроля приведены
отходов гальванического производства, что, по- в табл. 3.
Таблица 3.
Элемент Содержание, %, не более
требования стандартной спецификации РУП «БМЗ» результаты входного контроля
12x80x500 мм 11,5x75x500мм 12x82x500мм 12x75x500 мм
Ре 0,001 0,002 0,003 0,003 0,003
8 0,002 0,0026 0,0014 0,0012 0,0013
О 0,015 0,0025 0,0024 0,0013 0,0015
Р 0,0005 0,001 0,0007 0,0007 0,0007
Принятые технические решения не позволили на данном этапе получить аноды с химическим составом, соответствующим техническим требова-
ниям стандартной спецификации завода в связи с высоким содержанием примесей в отходах, поставленных заводом.
79 ктьглргкк
Я £ I 3 (39). 2006 -
Таким образом, на основе теоретико-экспериментальных исследований установлены зависимости, показывающие изменение тепловых условий формирования отливки от технологических параметров процесса литья. Определены параметры вытяжки, при которых процесс литья устойчив. Разработаны технологический процесс и оборудование для непрерывного горизонтального литья полосы из меди и сплавов на ее основе в кристаллизатор с графитовой вставкой. Получены опытные образцы литых и горячекатаных медных анодов. Проведенные в заводских условиях испытания образцов показали степень выработки и срок службы полученных анодов на уровне серийно используемых.
Литература
1. Тэн Э.Б., Марукович Е.И., Чудаков С.Р. Адекватность технологий плавки и литья бескислородной
меди современным требованиям //Литье и металлургия. 2005. №2. Ч. 1.С. 170-174.
2. Marukovich E.I., Branovitsky A.M. Three-dimensional thermal model of solidification of continuous casted rectangular billets // The 4-rd International Conference Simulation, Designing and Control of Foundry Processes 25-26 November 1999, Krakow, Poland.
3. Марукович Е.И., Брановицкий A.M. Трехмерная тепловая модель процесса непрерывного литья прямоугольных биметаллических заготовок // Докл. НАН Беларуси. 2001. Т. 45. №2. С. 127-132.
4. Брановицкий A.M., Станюленис Ю.Л., Лебединский Ю.А. Уточнение коэффициентов теплопередачи для решения задачи затвердевания цилиндрических непрерывнолитых заготовок с использованием экспериментальных температурных данных кристаллизатора в установившемся режиме литья // Литье и металлургия. 2005. №1. С. 91-93.
5. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1968.
