Литературный обзор - ТЕМА - Исследование влияния состава шихты и внепечной обработки расплава на качество продукции

Большинство алюминиевых сплавов относится к пластичным металлическим материалам. Система А1-Fе-Si-Мn является основой всех алюминиевых сплавов для производства деформированных фольговых полуфабрикатов: листы для штамповки, фольга различной толщины, прокат и т.д. Заготовкой для их производства может являться рулонно-листовой прокат толщиной 7...8 мм, полученный на агрегатах бесслитковой прокатки (БП).
Горячая пластическая деформация металла, которая происходит при совмещенном методе литья и прокатки, кардинально изменяет структуру отливаемой полосы и тем самым эффективно влияет на её свойства. Определяющим является выбор оптимального соотношения легирующих компонентов в сплавах системы А1-Fе-Si-Мn. Железо и кремний - постоянные примеси в техническом алюминии и являются легирующими элементами в алюминиевых сплавах для производства фольги. Марганец является добавкой, которая вводится в расплав для упрочнения и повышения коррозионной стойкости фольги. При производстве фольги эти элементы постоянно присутствуют в шихтовых и оборотных материалах, что доказывает необходимость их контроля в сплавах.
Анализ данных в технической литературе показывает [2, 8 - 15], что для обеспечения высокого уровня механических свойств и безобрывной прокатки фольги необходимо применение специальных сплавов с различным соотношением химических компонентов.
Известно, что для производства тонкой фольги 0,007...0,014 мм и фольги 0,040...0,120 мм под глубокую вытяжку, выявил, что во всех сплавах присутствуют добавки титана от 0,02 до 0,06 % и бора 0,003-0‚008 %. Для производства тонкой фольги используют алюминиевые сплавы с содержанием железа от 0,55 % до 1,0 %. Анализ производства и потребления фольговых материалов на мировом рынке подтвердил, что для изготовления тонкой фольги используется, в основном, алюминиевый сплав марки 8011 по АSТМ. Содержание легирующих элементов в этом сплаве допускается в широких пределах, а потребители фольги регламентируют механические свойства. В связи с этим необходимо выяснить влияние легирующих компонентов и их соотношение (в рамках сплавов 8011 и 8006) на уровень механических свойств литых заготовок для изготовления фольги.

Для практических целей необходимо знать и использовать наиболее простой и эффективный метод рафинирования. М.Б.Альтман [30], сравнивая различные способы, показал, что вакуумирование, обработка ультразвуком, а также комбинированные методы - такие, как фильтрация с последующим вакуумированием, по эффективности превосходят абсорбционные методы. Существенным недостатком данных способов является сложность в аппаратурном исполнении и низкая производительность в условиях массового производства. Сравнительная характеристика затрат для различных способов очистки расплава от газовых и неметаллических включений приведена на рисунке 1 в относительных единицах [31, 32].


Рисунок 1 - Сравнительная характеристика способов рафинирования
алюминиевых сплавов: 1 - подготовка шихты; 2 — обработка флюсом;
3 — продувка инертными газами; 4 - вакуумироваиие; 5 –термовременная выдержка; 6 — фильтрация.

Наиболее простым и производительным способом является фильтрация. Однако при использовании неактивных фильтров (сетка, кусковые фильтры и т.д.) дегазация не наблюдается [33]. Применение активных фильтров приводит к удалению части водорода, по достигаемый эффект ниже, чем при использовании абсорбционных методов [34, 35].
При рафинировании алюминия и его сплавов от водорода и неметаллических включений широкое распространение получили различные абсорбционные методы — обработка расплава хлоридами металлов, продувка активными и инертными газами и их смесью. Несмотря на большое количество работ, посвященных сравнительному анализу эффективности указанных методов, единого мнения у исследователей по данному вопросу нет. Пo данным М.Б.Альтмана [26] наиболее эффективным является рафинирование сплава аргоном, по мнению М.В.Шарова [36] наибольшая эффективность достигается при использовании хлора или тексахлорэтана. R.F.Budziak, E.W.Richards, G.D.Dencuer предлагают применять смесь азота и хлора, отмечая, что эффективность смеси выше, чем каждого компонента в отдельности, ряд литературных источников [37 - 42] отмечает, что высокий эффект дегазации заключается лишь при совместной обработке расплава инертным газом и хлоридами металлов (ZuCl2, MnCl2, C2Cl6 и т.д.). На предприятиях за рубежом при организации непрерывного процесса рафинирования используется смесь азота и хлора и равном соотношении компонентов: Мансфельдский комбинат (40 % Cl + 60 % N2), фирма “Hanter” (90 % N2 + 10 % Сl2), на заводе в г. Брислични рафинирование осуществляется флюсом «Алюфлекс» в миксере (основа флюса C2Cl6).
Указанное многообразие рекомендаций обусловлено различным подходом в выборе критерия эффективности процесса рафинирования и неоднозначными условиями при проведении экспериментальных и промышленных испытаний.
Критерии для сравнения эффективности различных методов должны учитывать физико-химические, технологические и экономические аспекты процесса рафинирования, в двух последних случаях определяющим фактором является уровень развития техники, а также различные конъюнктурные соображения, поэтому с научной точки зрения представляет особый интерес оценка применяемых в промышленности методов с точки зрения физико-химической эффективности.
Общей тенденцией [43 - 45] в развитии методов рафинирования применительно к непрерывным процессам при литье полосы на агрегатах бесслитковой прокатки является переход на обработку расплава в малых объемах, при непрерывном его перемещении через рафинирующее устройство, устанавливаемого вблизи литейной машины. Это позволит существенно повысить степень удаления вредных неметаллических примесей и растворимого водорода за счет более полной проработки расплава рафинирующим реагентом, исключить повторное насыщение расплава водородом и обеспечить необходимые показатели по производительности установки, а также использовать различные методы рафинирования, способствующие эффективному удалению газообразных и неметаллических включений.
В настоящее время, также, широкое распространение получили различные методы фильтрации алюминиевых сплавов: через титановые сетки; через стекловолокнистые фильтры с размером ячейки от 0,6 до 1,7 мм; через пенокерамические фильтры. Проведенные исследования закономерностей фильтрования алюминиевых сплавов показали [38, 46 - 52], что эффективность удаления твердых включений любым фильтром зависит от процесса доставки включений потоком металла в приграничную зону контакта фильтра и расплава, условий вывода включений на эту поверхность контакта и процесса агрегации включения фильтром. Опыт работы со стекловолокнистыми фильтрами показывает, что они обеспечивают задержку сравнительно грубых неметаллических включений соизмеримых с размером ячейки. Вероятность осаждения на нитях таких фильтров дисперсных включений размером 1... 10 мкм очень мала и составляет ~ 10 %. Повышение степени очистки от мелкодисперсных включений может быть достигнуто с применением пенокерамических фильтров, имеющих извилистые каналы значительной протяженности. Результаты использования данных фильтров в условиях бесслитковой прокатки свидетельствуют o том, что скорость перехода включения на фильтр зависит не только от термодинамических условий перехода, но и от межфазного натяжения

Тема: Исследование влияния состава шихты и внепечной обработки расплава на качество продукции

В последнее время в литейном производстве особое внимание стали уделять внепечным методам обработки расплавов для повышения их качества. Особое значение внепечная обработка имеет для алюминиевых сплавов, так как благодаря проведению операций рафинирования, дегазации и модифицирования можно достигнуть необходимого уровня показателей качества и гарантировать эксплуатационную надежность изделий. В настоящее время нет такого универсального способа внепечной обработки, который позволял бы осуществить дегазацию расплава, очистить его от крупных и дисперсных неметаллических включений, равномерно распределить модификатор по объему расплава. Как правило, в литейных цехах внепечную обработку ведут последовательно в несколько этапов, при этом разделение операций внепечной обработки по времени и месту проведения снижает эффективность рафинирования алюминиевых сплавов. В большинстве случаев это объясняется повышением степени перегрева металла и увеличением числа переливов. Кроме того, общий недостаток существующих методов внепечной обработки алюминиевых сплавов заключается в ограниченной возможности обеспечить развитые поверхности взаимодействия вводимых веществ и металла [1].
Алюминиевые литейные сплавы на основе системы Al-Si, так называемые силумины, обладают благоприятным сочетанием физико-механических, литейных и эксплуатационных свойств, что предопределило рост потребления отливок из силуминов различных марок во многих отраслях промышленности. На эксплуатационные свойства изделий из этих сплавов решающее влияние оказывает чистота по неметаллическим и газовым включениям. Неметаллические включения и плены крайне вредны, так как в местах их нахождения образуются несплошности, появляются очаги усиленной коррозии, снижаются пластические свойства. Аналогичное, отрицательное воздействие на свойства алюминиевых сплавов оказывает водород. Водородная пористость в сильной степени снижает механические свойства сплавов, особенно отрицательно воздействует на пластичность. При этом существенное значение имеет не только количество пор, но также их форма и размеры. Дефектность структуры металла определяется как общим количеством пор, трещин, включений, характером их распределения в объеме, так и наличием грубых ликвации в объеме металла. Дефектность, как правило, связана с особенностями технологии производства, а, следовательно, дальнейшее расширение использования сплавов системы Al-Si для изготовления фасонных отливок будет неразрывно связано с развитием способов выплавки и обработки расплавов. При этом необходимо отметить, что включение внепечной обработки в технологический процесс как наиболее доступного и эффективного способа снижения дефектности отливок, требует проведения дополнительных исследований [1].

1. Тимошкин А. В. Комплексное рафинирование и модифицирование силуминов методом высокоскоростной струйной обработки расплава: Дис.канд.техн.наук: 05.16.04, 05.16.01 / А.В. Тимошкин. – М., 2003. – 3-7с.
2. Алюминиевые сплавы: Плавка и литье алюминиевых сплавов / Альтман М.Б., Андреев А.Д., Белоусов Н.Н. и др.: Отв. ред. Добаткин В.И. М.:Металлургия, 1970. 416 с.
3. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справ. изд. М., Металлургия, 1984, 408 с.
4. ГОСТ 7727-81 «Сплавы алюминиевые. Методы спектрального анализа».
5. МК 64-31-75 «Выявление макроструктуры деформируемых алюминиевых сплавов».
6. Черняк С.Н., Коваленко П.А., Симонов В.Н. Бесслитковая прокатка алюминиевой ленты. М.: Металлургия, 1976. 136 с.
7. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск: Металлургиздат, 1960. 175 с.
8. Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков В.С., Шадрин Г.Г. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. М.: Металлургия, 1988. 142 с.
9. Фриндляндер И.Н. Исследование влияния скорости затвердевания на структуру и свойства алюминиевых сплавов / Сб. Затвердевание металлов. М.: Машгиз, 1958. С. 175-298.
10. Специальные способы литья. Справочник под ред. В.А. Ефимова, М.: Машиностроение, 1991. 733 с.
11. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – 3-е изд. М.: МИСИС, 2001. 416 с.
12. Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков В.С., Графас Н.И. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов. М., Металлургия, 1980, 267 с.
13. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов: справочник под ред. И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1971. 352 с.
14. U.Houbner, E.Lossak, B.Princ. Aktuelle Problem des Sdranggiebens. Deitsche fur Metallkunde. 1981. №3. S. 149-160.
15. Баранов Е.М., Ри Хосен. Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от термоскоростной обработки жидкой фазы // Литейное производство. 1986. № 11. С. 8-9.
16. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Пер. с англ. Под ред. Ф.И.Квасова, Т.В.Строгонова, И.Н.Фридляндера. М.: Металлургия. 1979. 639 с.
17. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Причины образования поверхностных дефектов фольговой заготовки из алюминиевых сплавов на агрегатах бесслитковой прокатки // Литейщик России. 2005. № 9. С. 43 – 46.
18. Тимошкин А. В. Комплексное рафинирование и модифицирова- ние силуминов методом высокоскоростной струйной обработки расплава: Дис.канд.техн.наук: 05.16.04, 05.16.01 / А.В. Тимошкин. – М., 2003. – 210с.