Содержание к диссертации
Введение
1. Сведения о совмещенных процессах литья и прокатки для производства алюминиевой фольги 10
1.1. Литейно-прокатные агрегаты 10
1.2. Сравнительная характеристика способов получения заготовки из слитка и совмещенным методом литья и прокатки 19
1.3. Технологические параметры совмещенного процесса литья и прокатки 21
1.4. Современные разработки получения заготовки на агрегатах бесслитковой прокатки 25
1.5. Способы рафинирования расплава при непрерывном процессе литья и прокатки 32
1.6. Задачи исследования 41
2. Методики исследования 42
2.1. Исследование влияния технологических параметров при совмещенном способе литья и прокатки на структуру и качество литой заготовки 42
2.2. Металлографическое исследование структуры литых и прокатных заготовок 48
2.3. Исследование механических свойств заготовки БП 51
2.4. Влияние температуры литья на структуру и свойства отливаемых алюминиевых полос 55
3. Выбор состава алюминиевых сплавов, используемых для получения фольговой заготовки на агрегатах БП 57
3.1. Алюминиевые сплавы для производства фольги 57
3.2. Исследование особенностей кристаллизации литых полос в условиях высоких скоростей охлаждения 68
3.3. Влияние железа в сплавах системы Al-Fe-Si-Mn на структуру фольговой заготовки 75
3.4. Влияние отношения железа и кремния в сплавах системы Al-Fe-Si-Mn на структуру и механические свойства фольговой заготовки 89
3.5. Изучение влияния легирующих компонентов в сплаве на механические свойства литых заготовок и фольг 96
Выводы по третьей главе 107
4. Технология комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевого сплава 109
4.1. Особенности подготовки алюминиевого расплава при совмещенном способе литья и прокатки 109
4.2. Закономерности обработки расплава нейтральным газом в непрерывном режиме 113
4.3. Фильтрация алюминиевых сплавов на агрегатах БП 128
4.4. Разработка технологии и промышленной установки непрерывного рафинирования алюминия 133
4.5. Модифицирование алюминиевых сплавов, используемых для изготовления фольговых заготовок 140
4.5.1. Исследование модифицирования структуры алюминия добавками титана, циркония и бора 143
4.5.2. Исследование модифицирующей способности лигатуры А15ТІ1В... 148
4.5.3. Способ получения лигатуры А15ТЇ1В 162
4.5.4. Исследование влияния малых добавок на модифицирующую способность лигатуры 164
4.5.5. Модифицирование расплава 168
4.6. Изучение размеров зерна и дендритной ячейки 179
Выводы по 4 главе 184
5. Технологические основы производства литой полосы на агрегатах бесслитковой прокатки для изготовления фольговой заготовки 185
5.1. Особенности затвердевания литой полосы в валках-кристаллизаторах 185
5.2. Определение глубины лунки 191
5.3. Влияние скорости охлаждения алюминиевого сплава на структуру и свойства фольговой заготовки 201
5.4. Влияние температуры расплава на скорость литья 207
5.5. Исследование процесса теплообмена литой полосы и валка-кристаллизатора в активной зоне 209
5.6. Определения размеров и характера распределения неметаллических включений 217
5.7. Оценка пористости и плотности заготовки 223
5.8. Анализ анизотропии механических свойств алюминиевых полос... 226
5.9. Проблемы получения качественной алюминиевой фольговой заготовки 232
5.9.1 Образование поверхностных дефектов фольговых заготовок 236
5.9.2. Образование горячих трещин в фольговых заготовках 241
5.9.3. Образования холодных трещин в фольговой заготовке 245
5.10. Особенности литниковой системы на литейно-прокатных агрегатах 251
Выводы по пятой главе 261
Общие выводы по работе 263
Библиографический список 267
Приложения 284
- Сравнительная характеристика способов получения заготовки из слитка и совмещенным методом литья и прокатки
- Металлографическое исследование структуры литых и прокатных заготовок
- Исследование особенностей кристаллизации литых полос в условиях высоких скоростей охлаждения
- Закономерности обработки расплава нейтральным газом в непрерывном режиме
Введение к работе
С каждым годом растут требования потребителей к продукции металлургического производства, развиваются новые и совершенствуются действующие технологии. Успешная работа предприятия на рынке невозможна без постоянного совершенствования его деятельности, нацеленной на улучшения качества выпускаемой продукции. Интеграция отечественных производителей в мировое сообщество показывает, что кроме обеспечения требуемого уровня качества продукции других способов для выживания и успешной экономической деятельности в современной рыночной экономике не существует. Одной из серьезных проблем для российских предприятий по обработке цветных металлов является создание системы качества, позволяющей обеспечить производство тонколистового проката в соответствии со стандартами ИСО. Появились принципиально новые технологии получения фольговой заготовки из алюминиевых сплавов, которые успешно конкурируют с классическими схемами получения фольги из слитка. Учитывая повышение спроса на внутреннем и внешнем рынке на алюминиевую фольгу для производства медицинских упаковок и пищевых контейнеров, техническую и конденсаторную фольгу толщиной от 7... 14 мкм до 50...90 мкм, необходимы организационные и научно - технические мероприятия для освоения этих новых видов продукции. Производство рулонной заготовки совмещенным методом литья и деформации на установках бесслитковой прокатки (БП) исключает отливку и обработку слитков, их нагрев под горячую прокатку. Использование агрегатов БП позволяет снизить энергоемкость, производственный цикл, трудозатраты и капитальные вложения по сравнению со схемами производства фольги по слитковой технологии, вовлекать собственные отходы в производство.
* Фольговая заготовка - непрерывная полоса толщиной 6...8 мм и шириной 1000...2000 мм, деформированная со степенью обжатия 30...60 % в во время литья в зазоре валков-кристаллизаторов.
К основному преимуществу совмещенного процесса литья и прокатки алюминиевых полос для производства фольги относят возможность получения рулонной заготовки толщиной 6...8 мм массой до 16 т. Использование процесса бесслитковой прокатки в России началось в 80-е годы. Фольговая заготовка имела неоднородную структуру по толщине и ширине полосы, значительный разброс механических свойств по поперечному сечению и длине, высокую пористость, пораженность интерметаллидами и поверхностными дефектами. По этим причинам фольга из этой заготовки изготавливалась не тоньше 0,065 мм. Производство тонкой фольги (0,007-0,014 мм) сопровождалось высокой обрывностью и низкими технико-экономическими показателями, фольга для глубокой вытяжки и штамповки не производилась. Значительный вклад в разработку технологии бесслитковой прокатки, в создание оборудования внесли Институт «Гипроцветметобработка», заводские лаборатории ПО «Красный выборжец», Михайловского завода обработки цветных металлов. Проведенные исследования показали, что заготовка из алюминия марок А7, А8, А5, АО по ГОСТ 11069-74, изготавливаемая по существующим технологиям, не обеспечивает необходимые механические характеристики фольги. В связи с этим необходимо сформулировать требования к химическому составу сплавов в соответствии с назначением фольги, разработать технологический регламент процесса производства фольговой заготовки совмещенным способом литья и прокатки с применением современных способов подготовки расплава к литью с целью получения качественной заготовки и в дальнейшем фольги.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Постановлением ГКНТ при Совмине СССР №415 от 18.11.1986 г. по проблеме 0.09.09 (задание 02) «Создать и освоить в опытно-промышленных условиях технологию производства и оборудование для производства лент и фольги из алюминиевой заготовки бесслитковой прокаткой шириной 1,5 м».
Цель работы
На основе теоретических и экспериментальных исследований создание комплекса технологических и технических решений, необходимого для реализации технологии получения фольговой заготовки из алюминиевых сплавов совмещенным способом литья и прокатки, обеспечивающего высокий уровень механических и потребительских свойств фольги.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
выполнить сравнительный анализ способов производства фольговой заготовки, определить пути интенсификации процесса, повышения качества, увеличения выхода годного, а также получения требуемых механических и потребительских свойств фольги;
- сформулировать основные требования к химическому составу сплава в зависимости от потребительских свойств фольги, обеспечивающему необходимую структуру и механические свойства заготовки;
- исследовать влияние структуры модификатора системы Al-Ti-B и способа
его получения на размер зерна, морфологию и размер интерметаллидов
заготовки и фольги;
изучить влияние комплексного рафинирования и модифицирования расплава на структуру и свойства фольговой заготовки и определить технологические параметры его подготовки к литью;
разработать методику измерения температурных полей заготовки в активной зоне и водоохлаждаемых бандажей валков в процессе кристаллизации сплава и изучить особенности теплообмена между заготовкой и формообразователем для определения технологических параметров литья и снижения вероятности образования горячих трещин в заготовке;
- выполнить металлографическое исследование литых заготовок, отлитых
при разных способах рафинирования и модифицирования сплавов, изучить
дефекты фольговых заготовок и рекомендовать способы их предупреждения;
- на основании полученных результатов разработать технологический
регламент плавки и литья алюминиевых сплавов при совмещенном способе
литья и прокатки и внедрить его в производство.
Научная новизна результатов исследований
Сформулированы и уточнены требования к химическому составу алюминиевого сплава в зависимости от потребительских свойств фольги для получения качественной заготовки на агрегате совмещенного литья и прокатки, установлены закономерности формирования структуры и свойств заготовки для изготовления фольги в зависимости от химического состава сплава.
Установлены и обоснованы режимы рафинирования алюминиевых сплавов, обеспечивающие минимальное содержание водорода и неметаллических включений в литой полосе для изготовления тонкой фольги.
Уточнены и расширены представления о механизме формирования структуры литой полосы в условиях интенсивного теплоотвода, сформулированы требования к структуре лигатурного прутка, позволяющей получить требуемый размер литого зерна, размер и морфологию интерметаллидов в литой полосе.
Установлено оптимальное соотношение железа и кремния в сплавах системы Al-Fe-Si-Mn, обеспечивающее получение требуемых размеров литого зерна и интерметаллидов состава Al2oFe5Si и необходимого уровня потребительских свойств фольги.
Предложена методика расчета температурных полей в литой заготовке и бандаже валков-кристаллизаторов при совмещенном способе литья и прокатки, позволяющая рассчитать скорость кристаллизации расплава и глубину лунки жидкого металла, и математическая модель процесса затвердевания сплава в активной зоне в условиях высоких скоростей охлаждения.
Выявлена взаимосвязь между структурой фольговой заготовки, скоростью кристаллизации, вероятностью образования горячих трещин, величиной активной зоны и глубиной лунки при совмещенном способе литья и прокатки.
7. Разработана классификация дефектов заготовки и фольги, установлено влияние металлургических аспектов подготовки расплава к литью на их образование.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов
Внедрена система комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов в условиях бесслитковой прокатки, которая позволила уменьшить содержание водорода в сплаве до 0,08 см3/100 г, получить величину зерна 0,01...0,06 мм и увеличить выход годного в среднем на 10 %.
Из выведенных зависимостей глубины лунки и активной зоны от скорости литья, толщины полосы, от рабочего давления металла на валки определены параметры, обеспечивающие высокую производительность установки и необходимое качество заготовки.
Установлены зависимости механических свойств фольговой заготовки от химического состава сплава и технологических параметров литья. Разработан классификатор дефектов заготовки и фольги, а также предложены меры по их предупреждению.
Оценена модифицирующая способность лигатуры Al-Ті-В в зависимости от способа ее изготовления. Установлено влияние структуры модифицирующего прутка на размер и морфологию интерметаллидов в алюминиевом сплаве. Разработаны рекомендации по составу и количеству модифицирующих добавок.
Разработана технология и техническая документация производства фольговой заготовки на агрегатах совмещенного литья и прокатки. Технология внедрена на ОАО «Фольгопрокатный завод», г.Санкт-Петербург, ОАО «Михалюм» г.Михайловск с экономическим эффектом 2234 руб на 1 т (в ценах 2002 г).
Сравнительная характеристика способов получения заготовки из слитка и совмещенным методом литья и прокатки
Преимуществом совмещенного процесса литья и прокатки является то, что отсутствует необходимость в заготовительных станах для горячей прокатки и сечение отливаемой полосы в большей степени подходит для дальнейшей холодной прокатки. Производство фольговой заготовки на агрегатах бесслитковой прокатки приводит к снижению количества операций предварительной обработки и соответственно к снижению численности обслуживающего персонала (табл. 1.1). Следует отметить, что при получении заготовки из слитка производят обрезку литниковой и донной части. После операции обрезки слитки фрезеруются с двух сторон. Слиток во отличие от рулонной листовой заготовки в связи с этим имеет выход годного по литью меньше на 7-9 %. При производстве фольги из слитковой заготовки нельзя получить рулон необходимого диаметра.
При изменении технологической схемы получения фольговой заготовки совмещенным способом применяются другие виды оборудования, уменьшается количество оборудования и увеличивается коэффициент их использования, в соответствии с этим сокращается на 30-40 % расход электроэнергии. Особенности производства заготовки бесслитковой прокатки влекут за собой изменение состава и расхода вспомогательных материалов (огнеупорные материалы, фильтры, смазка и т.д.). В связи с выше перечисленным в калькуляции себестоимости изменяются статьи затрат. При получении 1 т фольговой заготовки совмещенным способом литья и прокатки происходит снижение себестоимости на 20-30 %. Кроме этого, агрегаты бесслитковой прокатки имеют низкие сроки амортизации и окупаемости. Преимущества технологии, совмещенного литья и прокатки создают возможность организации минипроизводств на предприятиях по производству и переработке алюминиевых сплавов.
Минимальные капитальные затраты, компактное оборудование бесслитковой прокатки, низкое потребление электроэнергии и небольшое количество обслуживающего персонала позволяют снизить себестоимость выпуска фольги и проката. Эти факторы дают существенные преимущества выпуска фольги из бесслитковой заготовки за счет уменьшения расходов на производство. Экономическую целесообразность использования агрегатов бесслитковой прокатки для производства тонкой полосы необходимо оценивать в сравнении с производством фольговых заготовок из слитка. Оба типа заготовки используются для производства алюминиевой фольги толщиной 7...14 мкм.
При производстве фольговой заготовки из слитка выход годного от шихты составляет 91,1 %, а при производстве тонкой заготовки на литейно-прокатных агрегатах - 97,1 %. Повышение выхода годного на 4 % при совмещенном способе литья и прокатке связано с исключением операций обрезки литниковой и донной части слитка и его дальнейшей фрезеровки, которые имеют место в технологическом процессе. В табл. 1.2 приведены данные по сквозному выходу годного для двух процессов.
Основными параметрами процесса бесслитковой прокатки являются температура литья, скорость литья, давление металла на валки и степень обжатия отливаемой полосы. Несмотря на конструктивные, технические ограничения и возможности традиционных агрегатов бесслитковой прокатки, установленных на «Фольгопрокатном заводе» (г. Санкт-Петербург), «Михалюме» (г. Михайловск), при определенных условиях возможно увеличение производительности и улучшение качества отливаемой полосы. В табл. 1.3 представлен анализ параметров бесслитковой прокатки для агрегатов с горизонтальным подводом расплава к валкам. Длительное время фольга производилась в соответствии с ГОСТ 745-79, ГОСТ 1583-93 из марок технического алюминия АО, А5, А7. В конце 80-ых годов для получения фольги с высокими механическими характеристиками начали использовать низколегированные алюминиевые сплавы согласно ASTM американским торговым маркам - АА 1050, АА 1200, АА 8011.
Производство фольги из высоколегированных сплавов 8006, 3003 начало осваиваться только в настоящее время.
При совмещенном процессе литья и прокатки степень деформации определяется величиной активной зоны. Совмещенный процесс можно представить как получение алюминиевой полосы из расплава, деформированной непосредственно в контактной зоне валков-кристаллизаторов с 50 % - ым обжатием твердожидкой фазы. Только при определенной степени деформации полученная алюминиевая заготовка может иметь структуру соответствующую высоким механическим характеристикам, для производства конечных изделий. Для данного способа получения полосы характерны особенности горячей прокатки: опережение, скольжение, нагартовка, рекристаллизация деформируемого сплава.
Одна из основных характеристик совмещенного литья и прокатки заключается в том, что фронт кристаллизации (лунка) имеет постоянное положение и процесс кристаллизации протекает в квазистационарном тепловом режиме относительно оси валков-кристаллизаторов. Для фольговой заготовки небольшой толщины 7...8 мм глубина лунки жидкого металла определяется расстоянием от поверхности носка распределительной литниковой насадки, находящейся в контакте с валком расплава, до зоны смыкания затвердевающих на противоположных стенках кристаллизатора поверхностных слоев. На рис. 1.7 представлена схема активной зоны бесслитковой прокатки.
Металлографическое исследование структуры литых и прокатных заготовок
Основным требованием к качеству металлографических шлифов является минимальная рельефность поверхности. Чем рельефнее поверхность шлифа, тем ниже точность определения параметров структуры. Микрорельеф получается в процессе полировки, что обусловлено различной твердостью структурных составляющих. Минимальный рельеф требуется при определении размеров и числа микрочастиц дисперсной фазы, а так же их объемной доли. Для выявления структуры применялась электролитическая полировка образцов и их последующее оксидирование.
В процессе отработки технологических параметров плавки, литья и прокатки для различных алюминиевых сплавов качество полосы оценивалось по следующим критериям: качество поверхности полосы; наличие горячих трещин по краям, межкристаллитных трещин в отдельных участках полосы; соответствие химического состава сплава требованиям ГОСТ 7727-81; изменение макроструктуры при различных технологических режимах.
Оценка качества поверхности отлитой полосы производится визуально по количеству внешних дефектов, по наличию неслитин, боковых трещин. Для изучения макро- и микроструктуры, распределения механических свойств по ширине и длине полосы отбираются темплеты литой алюминиевой полосы из сплавов 8011, 8079, 8006.
Обычно после выхода алюминиевой полосы из валков кристаллизаторов, правки и обрезки кромок производят разрез дисковой пилой по всей ширине заготовки. Отрезанный темплет разделяют на несколько участков на образцы сечением 100x100 мм. На рис. 2.2 представлена схема отбора образцов от темплета. При предлагаемой схеме отбора образцов контролируются все участки алюминиевой полосы.
Электрополировку проводят в электролите следующего состава: 619 мл Н3РО4 (d = 1,6 г/см3), 140 мл концентрированной H2SO4, 158 г Сг203, 245мл НгО. Температура электролита поддерживается около 70 С. Режим электрополировки: сила тока 2-8 А, напряжение 5-12 в, время 1-2,5 мин. Режимы изменялись в этих интервалах в зависимости от толщины образцов и состава сплава.
Оксидирование проводится в реактиве: 10 г НВ, 30 мл (концентрированной HF), 575 мл НгО при режимах: напряжение 20-25 в, время 20-60 сек (в зависимости от толщины образца и марки сплава). При выявлении частиц избыточных фаз для увеличения контрастности и качества снимка после электрополировки по описанному выше режиму применялось незначительное оксидирование образцов в течение 5 сек.
Структуру металла изучали на оптических микроскопах Neofot - 2 при различных увеличениях. Объёмную долю частиц избыточных фаз и их распределение с построением гистограмм оценивали на установке «EPIQUANT», при этом анализировали не менее 5-Ю полей зрения (общее число частиц более 1800). Для идентификации интерметаллидных фаз использовали микроанализатор САМЕВАХ.
Изучали образцы прокатанных полос и фольги толщиной 0,5 и 0,1 мм. Проводилось исследование на образцах из сплавов 8011, 8079, 8006, полученных на агрегатах БП. Темплеты для проведения исследования подготавливали из полосы толщиной - 8 мм, а также толщиной 0,5 мм и 0,1 мм после отжига при температурах 500-550 С. Из алюминиевой рулонной заготовки вырезают пластины толщиной 0,4 мм перпендикулярно направлению плоскости прокатки, а в остальных случаях используют образцы прокатанной полосы толщиной 0,5 мм и 0,1 мм. Обработку полос для электронномикроскопического исследования проводят методом электролитической полировки.
Для приготовления образцов использовали два электролита: 20 %-ный раствор Н3СЮ4 в этиловом спирте и 30 %-ный раствор HN03 в метиловом спирте. Напряжение на электродах составляло 14 в. Электролит с 30 %-ным раствором HN03 в метиловом спирте использовали для окончательного утонения. Образцы готовили из шайб диаметром 3 мм и 1 мм. Для изучения морфологии и распределения крупных, неравномерно расположенных в матрице частиц, проводили последовательную съемку смежных участков образца с перекрытием. Размер частиц неправильной формы измеряют в одном произвольно выбранном направлении. Для построения гистограмм измерялось около 100 частиц. Размеры и объемную долю избыточных фаз определяют на установке «EPIQUANT».
Оценка механических свойств алюминиевой заготовки производится по пределу прочности - ств, пределу текучести - а0,2, относительному удлинению - 8, твердости по Бринеллю - НВ. Во время процесса бесслитковой прокатки такие дефекты как пористость расположены полосами вдоль направления литья и дальнейшей прокатки. Поэтому можно предположить большую чувствительность к изменению механических свойств на поперечных образцах. В данном исследовании вырезали 11-19 поперечных образцов из рулона. Разметка и клеймение образцов производились на верхней поверхности заготовки.
Исследование особенностей кристаллизации литых полос в условиях высоких скоростей охлаждения
Для исследования особенностей формирования структуры в литой заготовке в зависимости от содержания железа отлита партия заготовок с различным его содержанием в сплавах. Содержание железа в расплаве изменяли от 0,5 % до 1,75 % с интервалом 0,25 % , скорость литья составляла - 0,95 м/мин при температуре расплава в распределительной литниковой насадке - 685,,.695 С. Для анализа характера распределений интерметаллидных фаз и оценке их размеров по толщине алюминиевой заготовки БП производили отбор образцов по методике, описанной выше.
С целью получения достоверных результатов образцы 100x100мм разделены на участки. В левом углу каждого участка вырезали по два примыкающих друг к другу образца шириной 15 мм. Произвели нумерацию образцов: 1 и 11; 2 и 22; и т.д. до 10 и 101, механическую шлифовку с последующим с химическим травлением. Изготовили из образцов шлифы. Плоскость шлифа перпендикулярна направлению литья.
По всей толщине шлифа помещалось вплотную 13-15 полей наблюдения, а по ширине шлифа 10...12 полей. В процессе изучения наблюдалось 150 полей на образец. Размеры поля на шлифе составляли 450x600 мм. На рис. 3.1 изображена схема полей для наблюдения интерметаллидных включений в поперечном разрезе полосы.
Установлено, что размер интерметалл и дов колеблется от 1 до 100 мкм. На участке скоплений их размеры изменяются в незначительной степени по сравнению с крупными включениями. Существенно изменяется морфология интерметалл ид ов. При изучении характера распределения интерметаллидных фаз по толщине заготовки на нескольких образцах заготовки обнаружено, что содержание большинства включений находится в центральном слое заготовки. На рисунках 3.4 и 3.5 представлен характер распределения интерметаллидных фаз в зависимости от содержания железа в сплаве в поперечном сечении полосы сплавов 8011, 8079, 8006. Количество интерметаллидов в центральной зоне уменьшалось, а ближе к поверхности увеличивалось, при этом распределение включений при увеличении содержания железа имеет более равномерный характер. Микрорентгеноспектральным анализом установлена неоднородность по химическому составу внутри зерна, которая обусловлена неравномерным распределением легирующих элементов и примесей по оси дендрита и междуосным пространством. Дендритная ликвация определяется неравновесным состоянием затвердевающего сплава и зависит от скорости его охлаждения. В исследуемых алюминиевых сплавах системы Al-Fe-Si-Mn в условиях быстрой кристаллизации могут образовываться твердые растворы на базе химических соединений, например, Al3Fe, Al6(Fe,Si), Al6(Fe,Mn). Микроскопическая физическая неоднородность проявляется в виде микротрещин и микропор. Микротрещины между кристаллами или в межосных пространствах возникают с момента образования жесткого металлического каркаса до окончания затвердевания отливки. Как правило, микроскопическая химическая неоднородность зависит от температурного интервала кристаллизации сплава и степени разветвленности кристаллов и наблюдается у сплавов, имеющих широкий интервал кристаллизации [39].
Структурная неоднородность литой полосы связана с тем, что в структуре полосы имеются две зоны: зона столбчатых кристаллов и центральная зона равноосных кристаллов. Металлографический анализ образцов, вырезанных в различных участках полосы при литье сплава 8006, показал, что ширина структурных зон изменяется в зависимости от места вырезки темплета. Протяженность зоны столбчатых кристаллов больше в средних по ширине полосы участках и меньше в краевых, а ширина зоны неориентированных равноосных кристаллов больше в краях полосы по сравнению со средними участками полосы. Необходимо отметить, что при увеличении температуры литья уменьшается ширина зоны столбчатых кристаллов и соответственно увеличивается ширина зоны неориентированных равноосных кристаллов. Такое изменение структурных зон по сечению полосы вероятно связано с колебаниями температурного градиента в лунке и в активной зоне. Несмотря на наличие тонких сильно разветвленных дендритов в структуре полос различной толщины, полученных при оптимальных технологических параметрах процесса, микротрещины металлографическим анализом не обнаружены. Это может быть связано с тем, что за счет деформации заготовки в активной зоне микротрещины, образуемые в состоянии полутвердой фазы, «залечиваются» при 50-60 %-ом обжатии полосы. Однако междендритную пористость можно наблюдать в зоне неориентированных кристаллов. Появление её, очевидно, связано с тем, что окончательная кристаллизация полосы происходит иногда за осевой плоскостью валков-кристаллизаторов, где отсутствует необходимое питание полосы. Морфология и распределение частиц в объеме изменяется в зависимости от химического состава и технологических параметров литья (рис. 3.6).
Закономерности обработки расплава нейтральным газом в непрерывном режиме
Отличительной особенностью рафинирующего устройства, работающего в непрерывном режиме, является кратковременность процесса рафинирования, обусловленная ограниченным временем пребывания расплава в устройстве. Поэтому на эффективность процесса влияние оказывает не только кинетика процесса рафинирования, идущего в локальном объеме металлической ванны, но и характер организации всего процесса в целом. В емкости непрерывного действия все стадии процесса рафинирования протекают одновременно. В результате этого концентрация реагирующих веществ в разных точках реакционного объема различна, но она постоянна во времени для одного и того же объема емкости. Различают три основных модели емкостей для рафинирования непрерывного действия: идеального смешения, идеального вытеснения и промежуточного типа. В модели идеального смешения, изменение концентрации на входе в миксер имеет скачкообразный характер, и каждая новая партия поступающего металла практически мгновенно усредняется по всему объему ванны, концентрация веществ становится одинаковой по всему объему. Модель идеального вытеснения характеризуется переменной концентрацией веществ по длине реактора и наличием наибольшей разницы концентраций на входе и на выходе расплава из емкости. На практике чаще всего встречаются модели третьего типа, т.к. в реальном аппарате трудно осуществить режимы полного вытеснения или полного смешения.
Уравнение материального баланса водорода для реактора смешения имеет следующий вид: где V- объем металлической ванны емкости, см3; С, Со - концентрация водорода в ванне и поступившем металле, г/см ; q - расход металла, г/с; р - плотность металла, г/см ; в - расход инертного газа, см /с; Р иг - парциальное давление водорода в отходящем газе (Па); Рравн. - равновесное давление газа над металлом (Па); р2 - плотность водорода. Далее вводя параметр г\ (влажностью газа пренебрегаем Ро = 0) при dC п достижении равновесия — = 0 получаем выражение, позволяющее определить концентрацию водорода в расплаве: У где W- удельный расход инертного газа, см /г; /- коэффициент активности водорода в расплаве; So - растворимость водорода в чистом алюминии при температуре опыта см /100 г выражение можно записать в виде В емкости вытеснения для рафинирования вышестоящее уравнение материального баланса можно записать в следующем виде: где G - интенсивность продувки, см3/г см; I - расстояние в направлении потока расплава, см.. В емкости на участке смешения для достижения той же степени очистки расход реагента должен быть в несколько раз выше. Эффективность последнего можно увеличить, разбив емкость на несколько ванн (отсеков). Использование последовательно включенных 5-8 емкостей смешения позволяет получить результаты, аналогичные результатам работы реактора вытеснения. Эффективность рафинирования расплава от водорода в агрегатах показана на рис. 4.1. Рис. 4.1. Эффективность рафинирования при непрерывном процессе в зависимости от параметров продувки и конструкции емкости для рафинирования: 1 - смешивание, одна ванна-отсек; 2 - смешивание, два отсека; 3 - смешивание, три отсека; 4 - емкость вытеснения Из рисунка видно, что наиболее выгодной является организация процесса рафинирования в емкости вытеснения. При работе на емкостях смешивания для достижения результата, аналогичного работе на емкости вытеснения, расход рафинирующего газа существенно выше (рис. 4.2). Рис. 4.2. Отношение удельного расхода реагента в реакторе смешения {QCM} и в реакторе вытеснения {QJ при различном числе ванн. Номер соответствует количеству ванн Таким образом, при проектировании устройства непрерывного рафинирования нужно идти путем создания устройств, состоящих из нескольких ванн, либо однованного устройства - переливного лотка. Найденные пути решения удобны при комплексной работе устройства непрерывного рафинирования, однако в практической деятельности их использование представляет некоторые трудности поскольку при оценке эффективности необходимо учитывать содержание неметаллических включений и примесей в расплаве, температуру, давление, глубину ванны, способ введения реагента, степень его частоты по примесям и другие факторы. Задача существенно упрощается, если процесс рассматривать с позиции его завершенности, степени приближения его к результатам, которые достигаются в условиях равновесия системы "расплав - рафинирующий газ -неметаллические включения". С целью упрощения расчетов была разработана инженерная методика расчета процесса. По аналогии с процессом рафинирования в агрегате периодического действия введено понятие эффективности X Параметр X учитывает степень использования реагента в процессе продувки т], а также степень приближения устройства к емкости вытеснения - эе. Эффективность рафинирования можно оценить по уравнению
