CC BY
85
УДК: 669.711
А. А. Митяев, С. Б. Беликов, И. П. Волчок
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ТРАНСПОРТНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Аннотация: Приведены данные о мировых тенденциях производства и применения алюминиевых сплавов. Рассмотрены методы снижения энергоемкости производства первичного алюминия и повышения качества вторичных сплавов.
Введение
С момента начала промышленного освоения алюминия прошло менее 200 лет, а он и его сплавы уже прочно заняли позиции ведущего конструкционного материала после сплавов на основе железа. Темпы производства и освоения крылатого металла впечатляют: 1855 год - 0,006т; 1885 год -15 т; 1900 год - 8000 т; 1920 год - 128000 т; 1946 год - 681000 т; 1999 год - 24 млн. тонн первичного алюминия; 2004 год - 31 млн. тонн. Основным способом производства алюминия до настоящего времени является метод Байера.
Результаты исследований и их обсуждение
Регионом, в котором производится наибольшее количество алюминия, является Северная Америка, на долю которой приходится 20 % всего производимого в мире алюминия. Далее следуют: Китай - 19 %, Западная Европа - 16 %; Азия, Океания и Южная Америка на долю которых приходится по 8 % на каждый регион; Африка - 5 %; Восточная Европа - 2 %; на все остальные - 14 %. Крупнейшими компаниями производителями первичного алюминия являются: "Alcoa" с 14 % долей от всего производимого количества в мире; "Alcan" и "РусАл" с долей по 9 % каждая; "Hydro" - 5 % и "Bilton" - 4 %. Наиболее активными европейскими потребителями алюминия являются Германия, Россия, Франция (рис. 1).
На сегодняшний день среднеевропейское потребление алюминия составляет 22,5 кг на человека в год (табл. 1).
Таблица 1 - Среднее потребление алюминия в Европе на душу населения в год*
Страна потребитель Количество, кг Страна потребитель Количество, кг
Нидерланды 39,2 Франция 22,3
Италия 30,2 Бельгия 20,4
Швеция 30,1 Финляндия 15,9
Норвегия 28,4 Греция 15,3
Австрия 28,1 Великобритания 14,9
Германия 24,7 Испания 12,4
Швейцария 24,1 Португалия 8,3
Дания 22,3 Польша 7,5
Украина 7,2
| Я & Ь м " я
м
Рис. 1. Крупнейшие европейские потребители алюминия
Примечание: * - данные 2005 года.
Структура использования алюминия и его сплавов в Европе следующая: транспортное машиностроение - 26 %, строительная индустрия - 20 %, упаковочные материалы - 20 %, электротехническая промышленность - 9 %, другие сферы - 25 %.
Широкое применение алюминия и сплавов на его основе в транспортном машиностроении определяется высокими показателями удельной прочности, повышенной коррозионной стойкостью, а также способностью к демпфированию колебаний и большому поглощению энергии. Особенно эти показатели важны при производстве легковых автомобилей. В связи с этим темпы использования изделий из алюминиевых сплавов в легковых автомобилях имеют устойчивую тенденцию к росту (рис. 2).
Увеличение доли алюминиевых сплавов в автомобиле приводит к уменьшению его массы и количества потребляемого топлива, сокращению вредных выбросов в окружающую среду и снижению давления на дорожное покрытие (табл. 2). Активно развивается направление производства из-
© А. А. Митяев, С. Б. Беликов, И. П. Волчок 2006 г.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006
- 155 -
| | - Западная Европа; - США Рис. 2. Динамика использования изделий из алюминиевых сплавов в легковых автомобилях
делий из пеноалюминия. Его использование на транспорте обеспечивает значительное повышение шумоизоляции, а также безопасности водителей и пассажиров.
В то же время эксперты считают, что максимально возможный предел использования алюминиевых сплавов в легковом автомобиле составляет 200 кг и ограничивается техническими требованиями, предъявляемыми к материалам различных узлов и агрегатов.
По данным фирм, выпускающих большегрузные автомобили Volvo, Scania, Man, Mercedes в грузовом автомобиле можно использовать в среднем до 2000 кг алюминия и его сплавов. Себестоимость таких автомобилей выше серийных, однако эта разница окупается уже после 16 месяцев эксплуатации. За 10 лет использования таких автомобилей обеспечивается снижение выбросов угарного и углекислого газов в окружающую атмосферу на 60 тонн, а экономия на топливе при эксплуатации за этот период составляет порядка 18000 евро.
Таблица 2 - Технико-экономические показатели использования алюминия и его сплавов в европейском легковом автомобиле
Средняя масса автомобиля, кг Количество Экономия
Год алюминия и сплавов на автомобиль, топлива на 100км пробега автомобиля,
кг литр
1995 1085 71 0,85
2000 1026 100 1,20
2003 966 130 1,56
2005 926 150 1,80
2015 826 200 2,4
Алюминиевые конструкционные материалы все активнее используются при изготовлении подвижного состава железнодорожного транспорта. На сегодняшний день 80 % всех вагонов, эксплуатирующихся в Европе, изготовлены из алюминийсо-держащих материалов. Экспериментально установлено, что при замене 12 % стальных деталей на алюминиевые, полезная нагрузка и количество перевозимых пассажиров увеличились на 40 %. При широком использовании алюминия в поездах метро и трамваях в 2 раза снижается потребление электрической энергии при разгонах и торможениях.
Последние исследования, проведенные на морском транспорте, свидетельствуют, что при увеличении скорости надводных судов до 35 узлов в час изменяются характеристики гидродинамического сопротивления, и режим эксплуатации транспорта становится очень экономичным. В связи с этим, алюминиевые сплавы активно используются в кораблестроении.
Наибольшее количество алюминия и его сплавов используется в авиастроении. В современной авиации доля алюминиевых сплавов составляет 80 % массы самолетов. В связи с постоянно возрастающими требованиями, предъявляемыми к изделиям авиакосмической отрасли,обеспечивается постоянный поиск и проведение мероприятий, направленных на повышение качества алюминиевых сплавов.
Огромное количество алюминия используется на нужды упаковки. Так в мире ежегодно производится 100 млрд. банок для упаковки напитков на которые расходуется 6 млн. тонн алюминия. На каждого жителя Земли в год приходится в среднем 16 банок с напитками.
Не обошел своим вниманием алюминий строительство и архитектуру. Ежегодно увеличиваются
объемы производства рам, окон, дверей, радиаторов отопления из алюминиевых сплавов. Шедевром архитектурного искусства является здание оперы в Сиднее,построенное с использованием алюминия и его сплавов.
В то же время, как при производстве, так и при эксплуатации алюминийсодержащих материалов во всем мире возникает много проблем, решением которых занимаются научные сотрудники большинства стран. Главными из них являются:
1. Снижение энергоемкости производства первичного алюминия.
2. Повышение качества вторичных алюминиевых сплавов, получаемых из лома и отходов производства путем рециклинга.
В настоящее время в развитых странах мира идет активная работа по внедрению новых электролитических ванн, позволяющих значительно снизить энергопотребление. Огромное внимание уделяется вторичным сплавам, темпы производства которых в последние годы опережают изготовление первичных. Совершенствуется технология плавления вторичных сплавов в пламенных печах, а также не прекращается поиск путей удаления и нейтрализации таких вредных примесей как Ре, РЬ, Бп и др. Очень остро стоит проблема классификации лома, что влечет за собой разработку более совершенных методов определения химического состава лома и отходов через систему маркеров. В связи с тем, что большинство алюминиевых сплавов подвергаются термической обработке, существует проблема снижения энергоемкости данной обработки, а иногда и ее исключение за счет использования энергии различных экзотермических процессов. Не прекращаются работы по: созданию композиционных материалов на основе алюминия; армированию поверхности алюминиевых сплавов твердыми частицами с целью повышения триболо-гических характеристик; переработке стружки, которая загрязнена смазочно-охлаждающей жидкостью после механической обработки.
Результатом такого активного использования алюминия является накопление огромного количества лома и отходов, требующих переработки. Повторная переработка лома и отходов в высококачественные вторичные сплавы - рециклинг, экономически очень выгодна и имеет огромные перспективы. По данным [1], в результате использования 1 тонны высококачественных вторичных алюминиевых сплавов при изготовлении отливок взамен первичного алюминия, в народном хозяйстве экономится в зависимости от марки сплава и области его применения от 230 до 490 кг первичного алюминия, от 24 до 197 кг кристаллического кремния, от 1,1 до 4,6 т бокситов, от 0,4 до 1,8 т глинозема, а также от 4 до 16 тысяч кВтЧч электроэнергии и от 40 до 340 кг условного топлива. Количе-
ство отходящих газов при этом сокращается более чем на 15 тыс. м3 в расчете на каждую тонну вторичного силумина.
Выводы
Комплекс мероприятий по повышению качества вторичных сплавов включает в себя:
- тщательную сортировку лома, отходов производства и приготовление качественной шихты, что обеспечивает получение сплавов с заданным химическим составом и низким количеством вредных примесей;
- высокоэффективную рафинирующе-модифици-рующую обработку расплава, как на стадии получения чушки, так и при изготовлении из этих чушек готовых отливок.
Активные научно-исследовательские работы по этим направлениям проводятся специалистами Запорожского национального технического университета и Белорусского государственного технологического университета совместно с Запорожским заводом цветных сплавов. В рамках данных работ разработан новый "Классификатор № К110-02-ЦПАС сортов лома алюминия после первичной переработки", отличающийся от ДСТУ 3211-95 более детальной дифференциацией основных видов лома и отходов производства. Это позволило готовить из лома качественную шихту и обеспечить получение 100 % годного металла по химическому составу. Также были разработаны высокоэффективные и низкозатратные «Флюс для обработки алюминиевых сплавов [2] и «Модификатор для алюминиевых сплавов [3]. Использование данных разработок [2, 3] при изготовлении вторичных сплавов марок АВ (Л!Б1МдСи), АК4 (Л!Б12Мд21\НБ1), АК9М2 и АК8М3 обеспечило повышение уровня механических свойств сплавов в литом состоянии по пределу прочности до 38 %, относительному удлинению до 57 %, ударной вязкости до 49 % и твердости до 54 %. Обработка обеспечила изменение морфологии комплексных интерметаллидных фаз с иг-лоподобной формы на компактную в виде глобу-лей и китайских иероглифов. При этом параметр формы включений не превышал ^=1 ...3, они отличались высокой дисперсностью и равномерным распределением в матрице сплавов. В результате обработки [2, 3] пористость сплавов не превышала 1 балл согласно ГОСТ 1583-89, отмечалось повышение жидкотекучести сплавов и плотности отливок. На технических комплексах, разработанных и реализованных Белорусским государственным технологическим университетом, были проведены усталостные испытания вторичных сплавов с частотами нагружения 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц, что позволило моделировать обширный спектр реальных условий эксплуатации различных деталей. Испытания сплавов на усталость проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502-79 [4]. Результаты
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006
- 157 -
испытаний показали, что на сплавах, обработанных 2. комплексами [2, 3], повышение показателей циклической прочности составило 26...48 % в диапазоне частот 0,3; 8,8; 18 и 44 кГц. Одновременно с этим, долговечность экспериментальных сплавов возросла в 3...5 раз при частоте 0,3 кГц, в 4...7 раз 3. при частоте 8,8 кГц, а также в 5...15 и 8...15 раз на частотах 18 и 44 кГц соответственно.
Сплавы, полученные с использованием разработок [2, 3], отвечали требованиям международно- 4. го стандарта качества ISO 9002.
Список литературы
1. Алексахин А.В., Хмельницкая Н.В., Сиваева Е.К. Эффективность использования вторичных алюминиевых сплавов в литейном производстве // Экономические проблемы литейного производства России: Тез. докл. Всероссийской конф. - Пенза, 1991. - С. 52-54.
Пат. 58793А Украина, МКИ С22В21/06, С22В9/ 10. Флюс для обработки алюминиевых сплавов /И.П. Волчок, А.А. Митяев, С.Г. Рязанов (Украина). - № 2002108362; Заявл. 22.10.2002; Опубл. 15.08.2003. Бюл. № 8. Пат. 57584А Украина, МКИ С22С1/06. Модификатор для алюминиевых сплавов / И.П. Волчок, А.А. Митяев (Украина). - № 2002108343; Заявл. 22.10.2002; Опубл. 16.06.2003. Бюл. № 6. ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 32 с.
Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Анотаця: Наведено дан1 про ceimoei тенденцИ' виробництва та використання алюм1н1е-вих cплавiв. Розглянуто методи зниження енергомicmкоcmi виробництва первинного алю-мню та п iдвищення якоcmi вторинних cплавiв.
Abstract: Presented are the data on world trends in production and use of aluminium alloys. Methods for decreasing in energy consuming while primary manufacturing of aluminium and improving the quality of secondary alloys were considered.
