CC BY
22
УДК 669.715:621.74.06
РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ В.Б. Гогин, канд. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:info@oaovils.ru)
Представлен обзор этапов и направлений деятельности литейной лаборатории от начала образования до 90-х годов, отмечена решающая роль Владимира Ивановича Добаткина в становлении лаборатории, реализации научных и научно-производственных проектов по литейному производству в ВИЛСе и отрасли.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, научно-исследовательские работы, разработка технологии, качество металла, литейное оборудование.
Development of Aluminium Alloy Ingot Production Processes. V.B. Gogin.
Stages and trends in the activity of the Foundry Laboratory in the period from the beginning of its formation till the nineties of the last century are reviewed. The determining role of Vladimir I. Dobatkin in rise and development of the Laboratory, in implementation of scientific and research-and-production projects in the field of foundry both at VILS and in the aircraft industry is emphasized.
Key words: aluminium alloys, research works, technology development, metal quality, foundry equipment.
Владимира Ивановича Добаткина можно назвать одним из родоначальников заготовительного литья алюминиевых сплавов. Его труды, в первую очередь, книги «Непрерывное литье и литейные свойства сплавов» и «Слитки алюминиевых сплавов» всегда были настольными книгами инженеров-литейщиков.
Литейная лаборатория алюминиевых и магниевых сплавов, образованная с момента создания института, стала детищем Владимира Ивановича.
Он как научный идеолог направлений деятельности лаборатории постоянно контролировал ход выполнения работ, особенно тех, которые проводились совместно с заводами отрасли и другими организациями, а таких было большинство в тематике лаборатории.
Сотрудники лаборатории в своих исследованиях в большой степени опирались на результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных Владимиром Ивановичем. Большое значение на становление лаборатории оказало его частое участие в работе НТС лаборатории. Это способствовало созданию в коллективе чувства ответственности и взаимной требовательности при выполнении научно-исследователь-
ских работ и успешному решению задач, стоящих перед лабораторией. [Главными из них были и остаются актуальными до настоящего времени задачи повышения качества металла, ресурсосбережения, повышения производительности и улучшения экологии.
Резкий рост аэрокосмической промышленности потребовал широкого применения алюминиевых деформируемых сплавов с жесткими требованиями по надежности и долговечности конструкций. Повышение эксплуатационных и технологических свойств металла неразрывно связано с проблемой устранения в нем металлургических дефектов и повышения чистоты металла.
Поэтому в начальный период своей работы лаборатория была сориентирована на решение проблемы эффективного рафинирования расплава алюминиевых сплавов. Одно из первых таких исследований было посвящено разработке технологии фильтрации расплава через стеклосетку, твердые кусковые фильтры и слой расплавленного флюса, которые считались в то время наиболее прогрессивными и эффективными средствами рафинирования.
Наиболее технологичным способом рафинирования оказалась фильтрация расплава
через стеклосетку, которая была разработана совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом стеклопластиков и стеклянного волокна. Она применяется на всех заводах до настоящего времени и позволяет очистить расплав от шлаковых включений и оксидных плен. Стеклосетка изготавливается из алюмоборосиликатного стекла с различными размерами ячеек от 0,5 до 1,7 мм. В последующем технологию ее производства усовершенствовали и стали выпускать стеклосетку с фиксированной ячейкой, что обеспечило стабильную степень очистки. Разработке процесса фильтрации через стеклосетку и его внедрению посвящены работы многих специалистов-литейщиков отрасли. От ВИЛСа в них принимал самое активное участие П.Е.Ходаков.
Фильтрация расплава через кусковые или зернистые фильтры показала себя более эффективной, но она не получила такого широкого распространения, как фильтрация через стеклосетку. Это связано, по-видимому, с необходимостью предварительного подогрева фильтра вследствие его значительной массы и с необходимостью предварительной «промывки» фильтра для удаления мелких частиц и пыли, первоначально находящихся в толще фильтра.
Среди нескольких опробованных методов фильтрации струи расплава через жидкие флюсы наиболее эффективным оказался метод обработки под названием электрофлюсовое рафинирование (ЭФР). При этом методе обработки струя расплава промывается в слое жидкого флюса, подогрев которого осуществляется непосредственным наложением на него электрического тока (рис. 1).
В процессе разработки и внедрения ЭФР испытан большой ряд композиций флюсов и установлено, что оптимальным составом является хлоридно-фторидный флюс, состоящий из карналлита и калиевого криолита. Этот состав при высокой эффективности очистки исключает возможность насыщения металла натрием, который является вредной примесью для ряда сплавов с магнием.
Процессами обработки расплава жидкими флюсами занималось большое число сотрудников литейной лаборатории ВИЛСа и других
институтов, инженеров заводов отрасли. Среди них следует отметить Б.И. Бондарева, Л.А. Михеичева, И.В. Боженка, В.С. Чулко-ва (ВИЛС), А.В. Курдюмова, С.В. Инкина (МИСиС), Л.Г. Березина (БКМЗ) и др.
Применение ЭФР в значительной степени обеспечило повышение чистоты металла, снизило количество расслоений в полуфабрикатах, но не позволило удалить из расплава дисперсные включения.
Проведенная в 1971 г. в ВИЛСе под руководством Владимира Ивановича Добат-кина дискуссия по проблемам расслоений в полуфабрикатах из алюминиевых сплавов показала, что одной из главных причин возникновения и развития расслоений является повышенное содержание водорода, окисных плен и неметаллических включений в металле. Многолетней практикой было установлено, что наличие в слитках неметаллических включений даже небольшой величины (0,20,5 мм2) вызывает существенное ухудшение механических свойств полуфабрикатов как при статическом растяжении, так и при циклическом изгибе, особенно в направлении, поперечном течению металла при деформации. В местах нахождения дефектов снижается усталостная прочность, обнаруживаются течи при гидроиспытаниях и ухудшается обрабатываемость резанием. Накопленные статистические данные показали, что максимально допустимый размер твердых неметалли-
Рис. 1. Установка электрофлюсового рафинирования:
1 - лоток; 2 - кольцевой токоподвод; 3 - изолирующая втулка; 4 - камера; 5 - перегородка; 6 - флюс; 7 - расплав; 8 - токоподводящая пробка
ческих включений в алюминиевых сплавах не должен превышать 10 мкм и соизмерим с величиной структурных составляющих сплава, содержание кислорода должно быть не выше 2х10-4 %, пораженность металла не должна превышать 0,001 мм2/см2 по технологической пробе.
Поэтому в литейной лаборатории продолжили работы по созданию более эффективных схем рафинирования расплава от твердых неметаллических включений и водорода. При этом акцент сделали на внепечную обработку расплава как более прогрессивную по следующим соображениям:
- обеспечивается полная проработка всего объема расплава;
- операция не снижает производительность агрегата в целом;
- не требуется вложения больших капитальных затрат.
Одна из таких технологий - фильтрация расплава через жесткие керамические фильтры (пенокерамические фильтры и трубчатые керамические фильтры).
Сложность их использования была связана с отсутствием в огнеупорной промышленности СССР завода-изготовителя подобных фильтров. По инициативе литейной лаборатории Научно-исследовательским институтом строительной керамики (НИИСТРОЙКЕРАМИКА) совместно с ВИЛСом были разработаны подобные фильтры и запущены в серийное производство на Кучинском опытном керамическом заводе.
Пенокерамические фильтры (ПКФ) различных марок прошли широкое опробование на заводах отрасли и показали свою высокую эффективность. Для реализации данного процесса были разработаны в зависимости от конкретных ситуаций на агрегатах различные конструкции устройств фильтрации на участке: раздаточная печь - литейная машина. Достигнутая чистота металла по технологической пробе соответствовала уровню 0,001 мм2/см2, что позволило широко использовать данные фильтры в установках внепечной обработки расплава, в том числе при производстве слитков сплава 1541, идущих на изготовление такой ответственной продукции, как основа дис-
ков магнитной памяти. Внедрение ПКФ позволило поднять поштучный выход годного у заказчика до 70-80 % по сравнению с 30 % при многостадийной фильтрации через стек-лосетку.
Развитие ряда областей современной техники требует использования алюминиевых сплавов с высокой степенью чистоты по неметаллическим включениям, размер которых не должен превышать нескольких микрон. Такой уровень чистоты может обеспечить фильтрация через плотные керамические фильтры с размером открытых пор 150250 мкм. В 80-х годах в ВИЛСе был разработан проект обогреваемой установки тонкой фильтрации (рис. 2).
6 5
Рис. 2. Установка тонкой фильтрации с трубчатыми фильтрами:
1 - подача металла в установку; 2 - крышка установки; 3 - нагревательный элемент; 4 - летка для выпуска металла; 5 - накопительная камера; 6 - камера фильтрования; 7 - керамические трубчатые фильтры
Блоки из трубчатых фильтров по инициативе ВИЛСа стали серийно выпускать в НИИСТРОЙКЕРАМИКА.
Разработанная технология производства слитков из сплава 1541 с применением тонкой фильтрации через трубчатые керамические фильтры позволила достичь среднего поштучного выхода годного основ дисков магнитной памяти до 90-97 %. Подтверждением высокой фильтрующей способности подобных фильтров является наблюдаемое огрубление структуры слитка в случае отсутствия модификатора.
Проблемами фильтрации через керамические фильтры, созданием установок и разработкой технологии процесса занимались многие специалисты институтов и заводов отрасли. Это А.Г. Спасский, А.В. Курдюмов (МИЦМиЗ, затем МИСиС), И.В. Швецов, Г.С. Макаров, В.Б. Гогин, Л.А. Логинов, Л.Г. Суслова, С.Г. Быков (ВИЛС), В.П. Горохов, В.С. Шипилов (СМК), М.Б. Оводенко, Г.А. Ба-лахонцев, Н.М. Зубова (КМЗ), Г.А. Копытов, Г.Д. Вольхин, С.М. Можаровский (КУМЗ) и др.
Литейная лаборатория с начала своей деятельности занималась проблемой дегазации расплава. Первоначально это были различные устройства для барбатажа расплава в плавильных и раздаточных печах.
РР. Малиновским и Л.В. Кузьмичевым был разработан и успешно опробован способ продувки расплава в печи смесью азота с порошкообразным флюсом. По результатам этих исследований конструкторскими подразделениями ВИЛСа была разработана, изготовлена и испытана установка (автор О.А. Вяльцев), которая была передана на ВСМОЗ.
Однако существующая в отрасли технология продувки расплава в печи нейтральными газами с использованием Т-образных трубок обеспечивает снижение содержания водорода в расплаве примерно на 15 % и уже тогда (в 60-е годы) не могла устроить металлургов, тем более в условиях возрастающих требований машиностроителей к качеству металла. Также следует отметить, что на заводах повсеместно стали применять раздаточные печи с газовым или мазутным обогревом и печная атмосфера с высоким содержанием влаги (~18 %) способствовала вторичному насыщению водородом расплава в процессе литья. В ВИЛСе проблемой дегазации расплава алюминиевых сплавов занимались Г.С. Макаров, В.А. Данилкин, А.А. Григорьева, Ю.П. Пименов, Б.А. Фоченков, В.Б. Гогин, Л.В. Кузьми-чев, И.В. Швецов и другие сотрудники.
Опираясь на результаты этих исследований, в литейной лаборатории ВИЛСа совместно с заводами и родственными институтами широким фронтом шли работы по изысканию эффективных схем дегазации расплава с применением различных устройств, агрега-
тов. Главными из этих процессов в промышленности стали внепечная продувка металла газами и вакуумная обработка расплава.
Одной из первых таких разработок стал процесс непрерывного рафинирования (НР), основанный на принципе продувки расплава аргоном (азотом) в прилеточной коробке на его пути из раздаточной печи в кристаллизаторы. Газовводами служат керамические диафрагмы (пористые пробки), устанавливаемые в дно коробки, их количество определяется расходом металла (производительностью по литью).
Состав и технология изготовления диафрагм разработаны МХТИ, производство налажено на Подольском заводе огнеупорных изделий. Эффективность дегазации зависит от чистоты по влаге и кислороду вводимого в расплав газа (не более 10 ррm), глубины слоя барбатируемого металла (обычно 250350 мм) и удельного расхода газа на единицу площади поверхности газоввода в единицу времени (не более 0,1 л/см2-мин). При таких параметрах степень дегазации равна 3050 %. Введение этой технологии на КМЗ позволило снять проблему по получению слитков сплава АМг6 с требуемым уровнем газосодержания.
Совмещение процессов перелива и дегазации расплава была реализована в ВИЛСе в газлифтовых устройствах. При переливе из плавильной в раздаточную печь сплава АМг6 была получена степень дегазации 50 % при коэффициенте использования дегазирующей способности аргона 18-25 %, что в 5-10 раз выше по сравнению с продувкой ванны в печи трубками и 2-4 раза выше, чем в случае непрерывного рафинирования. Это связано с многократным замешиванием и диспергированием пузырьков газа в движущемся по металлопроводу расплаве. Следует отметить, что газлифтовый перелив осуществим при переливе металла на более высокий уровень.
Использование для продувки смеси аргона с фреоном и защита поверхности расплава от окисления гранулированным флюсом позволило получить еще более высокие результаты по степени дегазации расплава (4060 %) и по чистоте от твердых неметаллических включений. Установка, в которой совме-
щаются процессы дегазации и удаления твердых неметаллических включений, является установкой комплексного рафинирования. Стремление к созданию подобных установок у металлургов были давно, но не всегда это заканчивалось инженерным исполнением из-за отсутствия соответствующих материалов для выполнения газовводов и футеровки установки. В 70-80-е годы в ВИЛСе и на заводах отрасли разрабатывали подобные установки и их испытание подтверждало высокую эффективность, однако широкое внедрение сдерживалось высокими эксплуатационными затратами. Одна из них (разработка ВИЛСа) совмещала процессы продувки расплава высоконапорными струями аргона или смеси аргона с хлором и фильтрации через ПКФ (рис. 3).
Рис. 3. Установка комплексного рафинирования (КМЗ, сейчас СМЗ)
Установка успешно работала при производстве плоских слитков сплава 1541 на КМЗ, обеспечивая стабильное снижение содержания водорода на 50 % и чистоту металла по технологической пробе 0,0001 мм2/см2.
В ВИЛСе и на СМК для комплексной обработки использовали такие сочетания средств рафинирования, как дегазация с применением титанового геттера и фильтрация через насыпной фильтр или ПКФ.
Эффективность некоторых промышленных методов рафинирования, разработанных с участием литейной лаборатории ВИЛСа, приведена в табл. 1.
Вопросами дегазации и комплексного рафинирования занималась большая группа специалистов ВИЛСа и заводов отрасли. Это А.Д. Андреев, Г.С. Макаров, В.Б. Гогин, Л.А. Логинов, Л.С. Митволь, И.В. Швецов,
A.В. Алдакушкин (ВИЛС), Г.В. Черепок, И.А. Партин, А.М. Босов, В.В. Ухаботов, Г.Г. Шадрин (КМЗ), М.П. Боргояков (КраМЗ),
B.П. Горохов, В.С. Шипилов, Ю.Ф. Волков, Н.Д. Исаев (СМК).
Полученные результаты по приведенному комплексу работ позволили выработать регламентированные ограничения указанных примесей в сплавах, предназначенных для производства полуфабрикатов повышенного качества: по водороду 0,15-0,4 см3/100 г (в зависимости от степени легирования магнием); по твердым неметаллическим включениям 0,002-0,005 %; по натрию 0,00050,001 % (в зависимости от степени легирования магнием); по железу и кремнию 0,05-
Эффективность промышленных методов рафинирования Таблица 1
Метод рафинирования Степень очистки, %
от водорода от окислов от натрия
Продувка нейтральным газом в раздаточной печи <15 - <10
Обработка флюсом в печи <15 <20 -
Фильтрация через стеклосетку - 30-40 -
Дегазация с применением керамических диафрагм 30-50 20 <10
Электрофлюсовое рафинирование <20 50 10
Вакуумирование 30-60 - <10
Комплексное рафинирование (керамические диафрагмы+ПКФ) 48-73 95 64
Комплексное рафинирование (титановый геттер+корундовая крошка) 30-40 85 -
0,3 % (в зависимости от типа сплава и размера слитка). Внутризаводские стандарты имеют еще более жесткие ограничения.
Качество слитков в значительной степени зависит от качества шихтовых материалов и лигатур. Учитывая большую значимость этой проблемы, которая особенно остро стоит в настоящее время, в литейной лаборатории практически с самого ее создания всегда вели работы по легированию и модифицированию. Исследования касались как теоретических основ взаимодействия алюминия с легирующими элементами, так и вопросов практического применения выполненных разработок на заводах отрасли. Работы проводили совместно с заводами бывшего Союзалю-миния.
Большое внимание в этих работах отводилось исследованию кинетики растворения легирующих элементов в алюминии, основным закономерностям кристаллизации сплавов с первично выпадающими интерметаллическими фазами. Значительное место в исследованиях было отведено разработке приемов литья и воздействия на расплав, обеспечивающих получение качественных лигатур.
Применяемый набор эффективных фильтрующих средств привел к укрупнению зерна в слитке. Поэтому в ВИЛСе долгие годы совместно с заводами отрасли велись работы по модифицированию расплава и разработке лигатур для этого процесса. Благодаря этим работам в настоящее время есть возможность гарантированного получения равноосного зерна диаметром 0,3-0,5 мм в промышленных сплавах.
Произведенный в ВИЛСе пруток из модифицирующей лигатуры М-И-Б прошел опробование на заводах при литье слитков ответственного назначения, показал высокую эффективность. Это дало толчок к широкому применению подобной лигатуры в цехах заготовительного литья.
Большой вклад в изучение процессов легирования и модифицирования внесли специалисты институтов и заводов: В.И. Добат-кин, В.И. Елагин, Б.И. Бондарев, РР Малиновский, В.И.Тарарышкин, В.И. Напалков (ВИЛС), Г.В. Черепок, Г.Г Шадрин, Н.М. Зубова (КМЗ),
Л.Г. Березин, И.П. Цыплухин (БКМЗ), П.Н. Силаев, В.К. Юнышев (ВСМОЗ), В.С. Ши-пилов, С.П. Молодчинина, Л.М. Кофман (СМК).
В середине 70-х годов перед литейщиками встала задача освоения производства слитков крупных сечений, цилиндрических диаметром 800-970 мм и плоских толщиной 400-550 мм из высокопрочных алюминиевых сплавов, идущих на изготовление крупногабаритных и длинномерных плит, панелей, профилей для нового поколения широкофюзеляжных самолетов и ракетно-космических систем большой грузоподъемности. Следует отметить, что возможность отливки слитков больших сечений ограничивается их недостаточной пластичностью, приводящей к растрескиванию слитков, появлению пористости, резко снижающей качество полуфабрикатов, значительной разноструктурностью по сечению слитка.
Для решения этой задачи литейной лабораторией совместно с другими лабораториями ВИЛСа, ВИАМом и инженерами заводов отрасли был проведен комплекс работ:
- исследование процессов кристаллизации сплавов и модифицирования структуры, включая анализ зародышеобразования и роста кристаллов, изучение методов измельчения структуры сплавов алюминия с тугоплавкими металлами и разработка усовершенствованных схем модифицирования структуры;
- исследование и выбор основных технологических параметров литья крупногабаритных слитков, включая оценку тепловой работы кристаллизаторов, исследование условий образования неслитин, анализ условий охлаждения слитков и установление принципов выбора скорости литья крупных слитков, исследование возможности увеличения градиента температуры на фронте кристаллизации;
- разработка технологии приготовления алюминиевых сплавов повышенной чистоты с анализом путей загрязнения сплавов вредными примесями и расчетом состава шихты, обеспечивающим получение слитков с заданным ограничением по примесям, с выбором схем рафинирования, обеспечивающих требуемый уровень чистоты сплавов по неметаллическим примесям.
В итоге были разработаны промышленные технологии и освоено производство крупногабаритных слитков для изготовления длинномерных деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов типа Д16, В95, АК4-1, 1201 (рис. 4).
Рис. 4. Слиток диаметром 970 мм сплава Д16ч
Большой вклад в указанные работы внесли В.И. Добаткин, РР. Малиновский, Г.С. Макаров, Г.И. Эскин (ВИЛС), П.Н. Силаев, В.К. Юнышев (ВСМОЗ), Г.В. Черепок, Н.М. Зубова, Л.П. Исаев, В.А. Шомин (КМЗ), Г.А. Ко-пытов, В.С. Печенев, А.И. Сажаев (КУМЗ).
Проблема совершенствования и повышения эффективности плавильно-литейного оборудования, определяющего качество металла, экономику цехов заготовительного литья алюминиевых сплавов и экологию, всегда была отражена в работах литейной лаборатории за весь период ее деятельности.
Первая работа по созданию новой пла-вильно-литейной техники в ВИЛСе была связана со строительством плавильно-литейно-го агрегата: плавильная индукционная тигельная печь ИАТ-6 (разработка ВНИИЭТО) -раздаточная печь электросопротивления -литейная машина. Агрегат предназначался для выполнения научно-исследовательских работ и выпуска мелких серий слитков. Расплав в печи рафинировался гексахлорэ-таном, раздаточная печь была оснащена
установкой ЭФР. Все это обеспечивало выпуск слитков сравнительно высокого качества для выполнения заказов по кузнечной продукции. В дальнейшем этот агрегат был реконструирован для выпуска магниевых слитков.
В 1968 г. в ВИЛСе был пущен агрегат разработки конструкторских подразделений ВИЛСа в составе: индукционная канальная печь - вакуумная раздаточная печь - литейная машина (рис. 5).
Рис. 5. Плавильно-литейный агрегат с индукционной канальной печью, вакуумной раздаточной печью и литейной машиной
Впервые в стране индукционная печь была оснащена отъемными индукционными единицами. Суммарная максимальная мощность 1300 кВт (2x650 кВт) обеспечивала производительность печи по плавлению 1,7 т/ч. На печи впервые успешно применили технологию уплотнения разъемов с использованием каолинового волокна, обеспечившую эксплуатационную надежность печи. Полученные результаты по испытанию отдельных узлов были востребованы при создании подобных печей на КраМЗе. На этом агрегате впервые были испытаны отъемная трехканальная индукционная единица на вакуумной раздаточной печи, система автоматической подачи металла к литейной машине с применением индукционного датчика.
В создании и пуске в эксплуатацию агрегата принимали участие конструкторы ВИЛСа М.Я. Коротков, Н.Д. Москаленко, П.П. Синько, В.Е. Булыгин, С.М. Бейзеров, Е.Б. Клейзер, В.М. Грецов, технологи А.Д. Андреев, В.Б. Гогин, В.П. Митин, Г.С. Макаров, Л.С. Митволь, Л.А. Логинов.
Высокое качество металла, получаемого с вакуумных агрегатов в ВИЛСе и на КУМЗе, дало толчок к оснащению большинства литейных цехов отрасли подобными агрегатами.
В 1973 г. по проекту ВИЛСа на Куйбышевском металлургическом заводе был пущен плавильно-литейный агрегат в составе газовой плавильной печи, вакуумной раздаточной печи с массой расплава по 16 т. Плавильная печь впервые в отрасли была выполнена со съемным сводом, в дальнейшем аналогичные печи были построены на КУМЗе и КраМЗе. Такие печи позволяют вести загрузку для плавления крупногабаритной шихты без предварительной разделки и максимально сокращают время загрузки. Было налажено производство высококачественных слитков, идущих на изготовление ответственных полуфабрикатов.
В 1982 г. коллективу специалистов научно-исследовательских институтов, КБ и заводов отрасли, который возглавил В.И. Добаткин, за разработку технологии вакуумной обработки расплава алюминиевых сплавов и организацию выпуска высококачественного металла была присуждена премия Совета Министров СССР!
К моменту создания ВИЛСа на заводах отрасли основными плавильными печами литейных цехов были пламенные отражательные печи и индукционные канальные печи.
Пламенные отражательные печи имеют высокую производительность, эксплуатационную надежность и удобны в работе. Однако несмотря на наличие рекуператора, термический КПД печей не превышал 35 %, без рекуператора - не выше 25 %.
Работающие на БКМЗ в то время двухван-ные канальные индукционные печи превосходили пламенные по качеству выплавляемого металла, имели высокий термический КПД (60-70 %) и более низкий уровень угара металла. Однако они имели недостаточную эксплуатационную надежность и значительно уступали пламенным печам по производительности. Также следует отметить, что высокие показатели КПД индукционных печей в значительной степени «съедаются» большими
затратами по выработке электроэнергии на электростанциях (максимальный КПД тепловых электростанций 40 %).
Следовательно, максимальный энергетический эффект достигается при минимальном угаре металла и максимальной утилизации тепла уходящих газов. В результате анализов этих процессов группой сотрудников ВИЛСа была предложена технология шахтно-ванной плавки, обеспечивающая эти преимущества. Эффект достигается предварительным нагревом уходящими дымовыми газами в шахте загруженной шихты и дальнейшим расплавлением ее в ванне под зеркалом расплава. Данная схема плавления была предварительно рассчитана на математической модели, проверена на действующих тепловых стендах и опытных агрегатах.
За период с середины 70-х до середины 80-х годов были разработаны, построены и пущены в эксплуатацию ряд шахтно-ванных печей производительностью 0,5-8 т/ч, некоторые из них работают в настоящее время (рис. 6).
Рис. 6. Шахтно-ванная печь на заводе Мосметал-локонструкция (г. Видное, Московская область)
Данные печи могут работать как в поплавочном, так и в непрерывном режиме с обеспечением равномерности химического состава сплава на сливе благодаря разработанной технологии и порядку загрузки шихты в печь.
В табл. 2 приведены сравнительные показатели трех типов плавильных печей по величине расхода первичной энергии, затраченной на приготовление 1 т расплава с учетом КПД выработки и передачи энергии, КПД печи и угара металла.
Разработкой процесса и созданием агрегатов с шахтно-ванными печами занимались следующие специалисты ВИЛСа: конструкторы - К.А. Шевцов, В.А. Вяльцев, М.С. Лукин, С.Г. Быков, технологи - А.Д. Андреев, В.Б. Гогин, Л.А. Логинов, Г.С. Макаров, Л.С. Митволь, М.З. Темчин, Г.И. Кабаков, Д.П. Куракин и др.
При создании шахтно-ванных печей параллельно вели разработку новых устройств для осуществления в печи управляемых тепловых процессов, особенно в непрерывном режиме работы. Главными из них были электромагнитные и газодинамические насосы.
Электромагнитные насосы имели двойное назначение. Они использовались как перемешивающие устройства в шахтно-ванной печи и как транспортирующие устройства при переливе расплава из плавильной в раздаточную печь и из раздаточной печи в кристаллизаторы. Создавались эти насосы под руководством сотрудника лаборатории В.Д. Мищенко и при участии Института физики Латвийской Академии наук.
Газодинамические насосы использовались для перемешивания расплава в шахтно-ван-ной печи. В дальнейшем этот насос благодаря простой конструкции и низкой стоимости нашел применение на многих плавильных печах и некоторых вакуумных раздаточных печах. На плавильных печах с массой расплава 40 т технологическая производительность возрос-
ла на 27,5 % при снижении расхода газа на 10-14 %. За счет устранения перегрева расплава брак по трещинам сократился на 11 %, по веерной структуре на 20 %, практически ликвидирован брак по химическому составу.
Перемешивание расплава в вакуумных раздаточных печах за счет интенсификации процесса дегазации и снижения уровня содержания водорода обеспечило рост выходов годного полуфабрикатов на 10-15 %.
Разработкой, созданием и внедрением газодинамических насосов занимались Г.И. Кабаков, Л .А. Логинов, В.Б. Гогин (ВИЛС), И.А. Партин, С.Г. Туранин, Г.Д. Дымов, Б.С. Долженков, К.Н. Рейхерт, А.В. Печер-ский (КМЗ) и др.
ВИЛС является преемником Завода легких сплавов и ОКБ-65, силами специалистов которых разработаны, опробованы и внедрены многие прогрессивные технологии и конструкции литейного производства. К одному из них относится процесс непрерывного литья, сменивший в 40-50-е годы литье слитков в изложницы и имеющий перед последним такие неоспоримые преимущества, как уменьшение ликвационной неоднородности слитков, устранение образования усадочных раковин и уменьшение возможности появления газовой пористости, значительное снижение склонности к столбчатой структуре и улучшение качества поверхности слитка. Разработчиками такого процесса в нашей стране являются С.М. Воронов, В.И. Добаткин,
B.А. Ливанов; заслуга создания отечественных литейных машин принадлежит С.М. Воронову, В.А. Ливанову, Р.И. Барбанелю,
C.М. Кагану, Н.Д. Москаленко, К.Ф. Неделько, А. П. Дорофееву.
Таблица 2 Показатели работы плавильных печей
Показатель Пламенная отражательная печь Индукционная канальная печь Шахтно-ванная печь
КПД печи, % КПД выработки и передачи энергии, % Извлеченный металл из шлака, % Угар и неучтенные потери, % Расход первичной энергии, МДж (%) 40 92 1,2 1,0 3676 (128,0) 72 40 0,40 0,48 4163,9 (144,9) 52 92 0,92 0,84 2872,4 (100,0)
С самого начала создания литейные машины имели большое разнообразие в конструкции и были оснащены различными приводами: винтовыми, валковыми (роликовыми), гидравлическими, позднее, цепными и тросовыми. В последнее время во всем мире повсеместно произошел переход на литейные машины с гидравлическим приводом благодаря таким преимуществам, как плавность хода платформы, удобство и точность регулирования скорости литья, возможность иметь большую грузоподъемность, удобство обслуживания, надежность в работе.
В ВИЛСе в 70-90-е годы был разработан ряд литейных машин с гидравлическим приводом различного назначения (табл. 3).
На агрегате АНП-4 впервые в отрасли были установлены литейные машины с гидравлическим приводом, на которых обеспечивалась высокая плавность хода и автоматически поддерживалась скорость литья. Пуск этих литейных машин и хорошие показатели их работы дал толчок для создания серии поршневых и плунжерных литейных машин для литейного цеха в ВИЛСе и на других заводах.
Литейные машины были разработаны группой конструктов ВИЛСа под руководством О.А. Вяльцева.
С начала создания в литейной лаборатории велись поисковые работы по непрерывным процессам литья заготовок различных сечений. Это горизонтальное литье слитков, литье полосы. К сожалению, по различным причинам эти процессы не были доведены до промышленной технологии.
Одним из таких процессов было литье полосы с ее формообразованием между двумя параллельно движущимися стальными лентами (установка типа Хазелетт). Проект такой литейной машины АЛП-1000 и ее изготовление выполнялись ВНИИМЕТМАШем. Машина предназначалась для отливки полосы толщиной 8-20 мм и шириной 1000 мм. Проектная производительность машины 20 т/ч.
В процессе выполнения работы на машине отливалась полоса 10-15 мм из технического алюминия, однако вследствие различных организационно-технических причин работы были прекращены и установка передана для дальнейшего использования на Сумга-итский алюминиевый завод (Азербайджан). На рис. 7 показан общий вид линии литья полосы АЛП-1000.
Рис. 7. Линия литья полосы АЛП-1000
Во ВНИИМЕТМАШе проектом руководил П.И. Софинский, в ВИЛСе работы по пуску агрегата и исследования выполняла группа специалистов во главе с Н.И. Захаревичем.
Для подачи жидкого металла в литейную машину АЛП-1000 потребовался теплоизо-
Таблица 3
Техническая характеристика машин полунепрерывного литья с гидравлическим приводом, разработанных в ВИЛСе
Характеристика Для отливки слитков М^-сплавов Для групповой отливки круглых слитков Для отливки крупногабаритных слитков
Грузоподъемность, кН 65 100 60 250 600
Тип привода Поршневой Плунжерный
Размер платформы, м 0,9x0,7 0,9x0,7 1,25x0,9 2,8x2 5x2,8
Ход платформы, м 5,5 5,5 6,0 6,5 8,0
ляционный материал с достаточной конструктивной прочностью и не взаимодействующий с алюминием. Такой материал под названием асботермосиликат (аналог зарубежного маринита) был разработан Всесоюзным институтом железобетона по договору с ВИЛСом, а в ВИЛСе был создан участок по производству изделий из этого материала. Имея несомненные преимущества перед асбестом, который до того являлся единственным материалом, используемым в качестве футеровки литейной оснастки, асбо-термосиликат очень быстро нашел применение в литейных цехах заводов отрасли и в фасонно-литейных цехах. За короткое время по проектам ВИЛСа аналогичные участки были созданы на ряде заводов авиаметаллургии. В дальнейшем значительно расширилась номенклатура за счет разработки технологии получения фасонных изделий из асботермосиликатной пульпы и создания нового материала на основе каолинового волокна под названием керамвол. На рис. 8
Рис. 8. Изделия из асботермосиликата
показаны некоторые изделия из асботермосиликата.
Придавая большое значение эксплуатационной надежности плавильных агрегатов и качеству выплавляемого в них металла, в лаборатории постоянно вели исследования по совершенствованию материалов футеровки печей. Работы выполняли совместно с научными и производственными предприятиями огнеупорной промышленности страны. Результатом одной из таких работ стал выпуск на Снигиревском огнеупорном заводе (Московская область) корундового кирпича для футеровки рабочего слоя ванны печей. Данный кирпич не взаимодействует со всеми сплавами на основе алюминия. Его применяют на печах для выпуска высококачественных слитков с ограничениями по примесям и содержанию твердых неметаллических включений.
Среди специалистов лаборатории, работавших и работающих по данному направлению, необходимо отметить Н.И. Захаревича, В.С. Розанову, В.А. Скороходова, А.В. Дов-быш, Л.А. Логинова, В.И. Кирсанова, Л.А. Алехину, Л.Е. Колоскову и др.
В лаборатории велось еще большое число других работ, которые были внедрены на заводах отрасли или в литейном цехе ВИЛСа.
Сотрудники лаборатории постоянно участвовали в конференциях, симпозиумах, семинарах, на которых шел плодотворный обмен информацией по актуальным вопросам, интересующих металлургов. Наиболее полезны были ежегодные конференции литейщиков, на которых принимались скоординированные решения по наиболее важным направлениям развития технологии литейного производства. Как правило, эти конференции проводились под руководством Владимира Ивановича Добаткина.
