CC BY
17
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.И. Галкин
УДК 669.716
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-3-65-68
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРЕССОВАННЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУТКОВ
Юрий Николаевич Логинов1'2, докт. техн. наук, Георгий Викторович Шимов1, канд. техн. наук, Лилия Ахметовна Пройдакова3, Татьяна Викторовна Мальцева1'3, канд. техн. наук
1Уральский Федеральный университет, Екатеринбург, Россия, j.n.loginov@urfu.ru 2 Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия 3 ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», Каменск-Уральский, Россия
Аннотация. Технологические операции приготовления расплава, литья слитков и изготовления заготовок из алюминиевых сплавов под последующую обработку давлением сопровождаются потерями металла. Чтобы уменьшить эти потери, предложено повторное прессование выходных частей крупногабаритных прессованных прутков из алюминиевых сплавов, что позволяет получать дополнительные виды продукции. Показано, что это уменьшит такую энергоемкую часть технологии, как переплав, а также сократит количество металла, переходящего в шлак в результате окисления. При этом выход годного на стадии горячей обработки металла реально возрастает.
Ключевые слова: прессование, алюминиевые сплавы, потери металла, ресурсосбережение, выход годной продукции
Resource Saving in the Production of Large-Sized Extruded Bars. Dr. of Sci. (Eng.) Yuri N. Loginov1'2, Cand. of Sci. (Eng.) Georgy V. Shimov1, Liliya A. Proyda-kova3, Cand. of Sci. (Eng.) Tatyana V. Maltseva1,3
1 Ural Federal University, Yekaterinburg, Russia, j.n.loginov@urfu.ru
2 M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IMP UB RAS), Yekaterinburg, Russia
3 OJSC Kamensk-Uralsky Metallurgical Works, Kamensk-Uralsky, Russia
Abstract. The technological operations of the melt preparation, casting of ingots and production of aluminum alloy billets for the subsequent plastic working are accompanied by metal losses. In order to reduce these losses, it is proposed to re-press the output sections of large-sized aluminum alloy extruded bars, which makes it possible to manufacture additional types of products. It is shown that this will reduce such an energy-intensive part of the technology as remelting, as well as the amount of metal that passes into the slag as a result of oxidation. At the same time, there is an actual increase in the product yield at the stage of hot working.
Key words: extrusion, aluminum alloys, metal loss, resource saving, product yield
Введение
Как известно, операции приготовления расплава, литья слитков и изготовление литых заготовок из алюминиевых сплавов под после-
дующую обработку давлением всегда сопровождаются потерями металла. Некоторые потери относятся к возвратным (литниковая и донная части слитка, стружка после фрезеровки или обточки слитка и т.д.), но часть из них оказываются
Приготовление расплава и полунепрерывное литье слитка, гомогенизация слитка (если нужно), отрезка литниковой и донной частей, раскрой слитка на литые заготовки мерной длины
О
Нагрев литой заготовки и горячее прессование
О
Отделение выходной части прутка и резка на мерные длины
О
Годная продукция
безвозвратными - это окисленные слои металла. Восстановление алюминия из его оксида в процессе плавления алюминиевого сплава невозможно в отличие, например, от восстановления железа из его оксидов при плавке стали.
Вследствие этого получили развитие работы, направленные на переработку отдельных фрагментов полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, минуя операцию переплава. Это касается стружки [1-4], отработавшего ресурс алюминиевого кабеля [5] и др.
Однако в процессе производства деформируемых полуфабрикатов, например, методом прессования возникают различные виды отходов, которые снижают экономические показатели производства. Обычно отходы собираются, часто компактируются вспомогательными прессами и направляются на переплав. Вместе с тем, часть отходов прессового производства можно использовать более эффективно.
Целью настоящего исследования является разработка эффективного метода утилизации отходов прессового производства без использования переплава, существенно снижающего безвозвратные потери металла.
Схемы обработки
Укрупненная схема существующего производства горячепрессованных прутков из алюминиевых сплавов представлена на рис. 1, а. Операции, связанные с литейным переделом, включают приготовление расплава и полунепрерывное литье цилиндрического слитка. После этого слитки подвергают гомогенизаци-онному отжигу. Слиток после отрезки литниковой и донной частей, а также темплета для контроля микроструктуры раскраивают на заготовки мерной длины с учетом размера контейнера для последующей операции прессо-
Выходная часть прутка
Приготовление расплава и полунепрерывное литье слитка, гомогенизация слитка (если нужно), отрезка литниковой и донной частей, раскрой слитка на литые заготовки мерной длины
О
Нагрев литой заготовки и горячее прессование
О
Отделение выходной части прутка и резка на мерные длины
Годная продукция
О
Выходная часть прутка
О
Нагрев заготовки и прессование на меньший размер
О
Годная продукция
а б
Рис. 1. Укрупненная схема производства крупногабаритных горячепрессованных прутков из алюминиевых сплавов:
а - существующий вариант; б - предлагаемый вариант
вания. Затем следует нагрев цилиндрической литой заготовки и ее прессование с получением на выходе крупногабаритного прутка круглого поперечного сечения.
Упрощенная схема прессования показана на рис. 2. Заготовка 1 помещена в контейнер 2 и выдавливается пуансоном 3 через отверстие матрицы 4 с получением прутка 5.
Из теории и практики прессования известно, что передняя (выходная) часть 6 прутка не получает необходимой деформации для про-
Рис. 2. Стилизованная схема прессования:
1 - литая заготовка; 2 - контейнер; 3 - пуансон; 4 - матрица; 5 - пруток; 6 -выходная часть прутка
работки металла и приобретения гарантированного уровня свойств полуфабриката [6-8]. Поэтому ее приходится отрезать и направлять на переплав. Оставшаяся часть прутка может быть раскроена на мерные длины в соответствии с требованиями заказчика.
Недостатком исследуемой сейчас схемы является наличие возвратного отхода металла в виде выходной части прутка. При переплаве часть металла переходит в безвозвратные отходы, поскольку металл окисляется. На осуществление переплава тратится дополнительная энергия, которая в ином случае могла бы быть сэкономлена.
Предложено отказаться от варианта возврата выходной части прутка на литейный передел. Эта часть прутка может быть подвергнута повторному прессованию, но уже на изделие меньшего размера (рис. 1, б). В этом случае металл получает дополнительную недостающую пластическую деформацию, и формируется годный пруток, но меньшего диаметра с требуемыми механическими свойствами. Положительный эффект от применения такого технологического варианта заключается в уменьшении безвозвратных потерь металла и экономии энергии, затрачиваемой на переплав. Энергия, использованная на прессование выходной части прутка, не является заменой энергии, потраченной на переплав, поскольку за счет нее создается новый дополнительный продукт.
Описание промышленного эксперимента
Из алюминиевого сплава 6061 методом полунепрерывного литья была изготовлена заготовка диаметром D0 = 755 мм и длиной L0 = 1350 мм. Заготовку отпрессовали на пруток диаметром D1 = 355,6 мм с коэффициентом вытяжки 5,06. От отпрессованного прутка отрезали выходную часть длиной L1 = 561 мм. Вместо отправки на переплав, ее передали на вторую стадию прессования из контейнера диаметром 370 мм. На этой стадии получили пруток диаметром 76,2 мм с коэффициентом вытяжки 23. После проведения термической обработки (закалки и искусственного старения) получили прессованный пруток со свойствами: временное сопротивление 50,7 ksi (350 МПа), условный предел текучести 46,6 ksi (321 МПа),
относительное удлинение 14,5 %, что соответствует требованиям стандарта ASTM B221-14 (соответственно, не менее 38 ksi (262 МПа), 35 ksi (241 МПа) и 10 %). Продукция признана годной.
Объем заготовки при первом прессовании составляет
V0 = L0 =п 1,350 = 0,604 м3.
Объем вовлеченного металла в производственный процесс при втором прессовании составляет
V nD21
V1 = —Г1 L1 = п
0, 35562
0, 561 = 0, 055 м3.
Доля металла, не попавшего в переплав, а использованного в промышленном переделе составит 100-УУЦ, = 100 0,055/0,604 = 9,1 %. Именно настолько повышается выход годной продукции при использовании выходной части прессованного прутка диаметром D1.
Следует отметить, что приведенный выше технологический прием применим к достаточно крупным по диаметру и длине литым заготовкам. При малом диаметре исходной заготовки не удается подобрать пресс с достаточно малым диаметром контейнера, чтобы осуществить второе прессование.
Выводы и перспективы
Предложен технологический вариант повторного прессования выходных частей крупногабаритных прессованных прутков из алюминиевых сплавов с целью повышения выхода годного и получения дополнительной продукции. Показано, что это позволит уменьшить такую энергоемкую часть технологии, как переплав, и избежать безвозвратных потерь.
Перспективой дальнейшего исследования является определение марочного состава и типоразмеров литых и прессованных заготовок, к которым можно применить предлагаемую схему обработки.
Исследования проведены в рамках выполнения проекта Российского научного фонда (№ 22-29-00931 от 20.12.2021).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорофеев Ю.Г., Безбородов Е.Н., Сергеен-ко С.Н. Особенности формирования горячеде-формированных материалов на основе механо-химически активированной стружки алюминиевого сплава Д16 // Технология легких сплавов. 2002. № 2. С. 23-28.
2. Загиров Н.Н., Логинов Ю.Н., Иванов Е.В., Кузьмин В.Г. Разработка технологии переработки стружковых отходов сплава системы Al-Mg-Sc с применением метода горячего прессования // Заготовительные производства в машиностроении. 2021. Т. 19. № 3. С. 123-129.
3. Yusuf N.K., Lajis M.A., Ahmad A. Hot press as a sustainable direct recycling technique of aluminium: Mechanical properties and surface integrity // Materials. 2017. VdI.10 (8). No. 902.
4. Логинов Ю.Н., Загиров Н.Н., Иванов Е.В. Оценка уровня упрочнения стружки из алюминиевого
сплава, предназначенной для последующей обработки давлением // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2021. Т. 23. № 1. С. 45-55.
5. Babailov N.A., Loginov Y.N., Polyanskii L.I., Per-vukhina D.N. Roll briquetting for recycling of aluminum wire // Metallurgist. 2018. Vol. 62. № (7-8). P. 717-722.
6. Щерба В.Н. Прессование алюминиевых сплавов. М.: Интермет Инжиниринг. 2001. 768 с.
7. Дмитрюк А.И., Григорьев А.А. Совершенствование технологии прессования алюминиевых заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 8. С. 353-358.
8. Логинов Ю.Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов. Екатеринбург: Издательство Уральского университета. 2016. 156 с.
REFERENCES
1. Dorofeyev Yu.G., Bezborodov Ye.N., Sergeyenko S.N.
Osobennosti formirovaniya goryachedeformirovannykh materialov na osnove mekhanokhimicheski aktivirovan-noy struzhki alyuminiyevogo splava D16 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2002. № 2. S. 23-28.
2. Zagirov N.N., Loginov Yu.N., Ivanov Ye.V., Kuz-min V.G. Razrabotka tekhnologii pererabotki struzh-kovykh otkhodov splava sistemy Al-Mg-Sc s prime-neniyem metoda goryachego pressovaniya // Zago-tovitelnyye proizvodstva v mashinostroyenii. 2021. T. 19. № 3. S. 123-129.
3. Yusuf N.K., Lajis M.A., Ahmad A. Hot press as a sustainable direct recycling technique of aluminium: Mechanical properties and surface integrity // Materials. 2017. Vol.10 (8). No. 902.
4. Loginov Yu.N., Zagirov N.N., Ivanov Ye.V. Otsenka urovnya uprochneniya struzhki iz alyuminiyevogo
splava, prednaznachennoy dlya posleduyushchey obrabotki davleniyem // Obrabotka metallov (tekh-nologiya, oborudovaniye, instrumenty). 2021. T. 23. № 1. S. 45-55.
5. Babailov N.A., Loginov Yu.N., Polyanskii L.I., Per-vukhina D.N. Roll briquetting for recycling of aluminum wire // Metallurgist. 2018. Vol. 62. № (7-8). P. 717-722.
6. Shcherba V.N. Pressovaniye alyuminiyevykh splavov. M.: Intermet Inzhiniring. 2001. 768 s.
7. Dmitryuk A.I., Grigoryev A.A. Sovershenstvovaniye tekhnologii pressovaniya alyuminiyevykh zagotovok // Zagotovitelnyye proizvodstva v mashinostroyenii. 2020. T. 18. № 8. S. 353-358.
8. Loginov Yu.N. Pressovaniye kak metod intensivnoy deformatsii metallov i splavov. Yekaterinburg: Izdatel-stvo Uralskogo universiteta. 2016. 156 s.
