Разработка технологии производства слитков из сплавов системы алюминий-магний-кремний с регламентированными структурой и свойствами Воробьев, Олег Ильич

Введение к работе

Актуальность работы

На экономике России сказывается существенное отставание от развитых стран мира в потреблении алюминиевых сплавов для общетехнических целей. Прежде всего это автомобильная, строительная, сельскохозяйственная промышленность. Например, доля алюминия в строительстве в Японии занимает около 30 %, США -20 %, России -7 %.

Значительный объем производства в развитых странах занимает прессованная продукция из алюминиевых сплавов. К ее качеству потребители предъявляют весьма строгие требования. В первую очередь это качество поверхности изделия, структура и строго определенные механические свойства. Эти характеристики полуфабрикатов зависят от состояния исходного слитка, которое определяется содержанием газов и неметаллических включений, характером распределения легирующих элементов по сечению, дисперсностью структуры и уровнем механических свойств.

Общие закономерности процессов рафинирования, модифицирования и литья слитков алюминиевых сплавов установлены в работах отечественных и зарубежных ученых. Однако их использование для разработки технологии производства слитков сплавов системы Al-Mg-Si не обеспечивает получения слитков и полуфабрикатов с требуемой структурой и свойствами. Следовательно, необходимо дальнейшее изучение и уточнение закономерностей процессов рафинирования, модифицирования и литья слитков сплавов системы Al-Mg-Si и использование выявленных закономерностей для разработки технологии производства слитков, полуфабрикатов и изделий из этих сплавов высокого качества. При этом выбор наиболее эффективного метода производства слитков должен осуществляться с учетом требований к изделию и экономической целесообразности.

Важігуго роль в качестве изделий играет поверхность слитка, определяемая способом литья и материалом кристаллизатора. За рубежом широко распространен способ литья слитков с горячим верхом. У нас он осваивается на одном - двух заводах.

Итак, проблема получения слитков сплавов системы Al-Mg-Si с высоким качеством поверхности и регламентированной структурой остается весьма актуальной.

Цель работы. Разработать и внедрить в производство технологию литья слитков диаметром 90-530 мм из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si (по ASTM серии 6000), обеспечивающую высокое качество поверх-

ности слитков, равномерную по их сечению мелкозернистую структуру, низкую газонасыщенность и высокую технологичность.

Научная новизна. В результате систематических промышленных исследований отдельных стадий технологии производства слитков из сплавов системы Al-Mg-Si удалось выявить закономерности влияния параметров процессов рафинирования, модифицирования и литья жидких алюминиевых сплавов.серии 6000 на структуру, механические свойства, качество поверхности слитков и изготовленных из них прессованных и штампованных полуфабрикатов. Анализ полученных данных позволил:

- разработать новый способ литья слитков из алюминиевых сплавов се
рии 6000 в многокристаллизаторные литейные системы с горячим верхом
и графитовыми кристаллизаторами (А.с. № 831295);

- установить аналитическое соотношение между диаметром слитка, диа
метром литникового отверстия в теплоизоляционной плите, скоростью
литья и коэффициентом расхода металла, обеспечивающее устойчивый
процесс литья слитков с качественной поверхностью (А.с.№ 933199);

разработать новый способ рафинирования сплавов серии 6000, включающий обработку их флюсом (А.с. № 1181323) и продувку смесью активного и нейтрального газов (А.с. № 1420963) и обеспечивающий стабильное получение содержания водорода в расплавах в пределах 0.15-0.20 см³ /100 г металла;

усовершенствовать способ модифицирования алюминиевых сплавов серии 6000 путем непрерывной подачи прутка (из лигатуры алюминий -5% титана -1% бора) в расплав на пути миксер кристаллизатор и стабильно получать мелкозернистую структуру (1500-2000 зерен в 1см²) слитков вне зависимости от времени разливки.

Практическая значимость. Внедрение в производство высокопроизводительных многокристаллизаторных литейных систем с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами, прогрессивных способов рафинирования и модифицирования обеспечило стабильное получение слитков с высоким качеством поверхности и мелкозернистой однородной структурой. Это дало возможность акционерному обществу Каменск-Уральский металлургический завод выполнять зарубежные заказы на слитки, профили, прутки, штамповки и другую продукцию, удовлетворяющую требованиям стандартов ведущих стран мира.

По разработанной технологии за 1994-1995 годы отлито более 3000 тонн слитков из сплавов 6060, 6061, 6063, 6082, АД31. Выполнено большое количество зарубежных контрактов на поставки продукции из этих

сплавов. Доля автора в экономическом эффекте от использования результатов работы составила 139541 тыс.рублей в ценах 1994-1995 годов. По результатам работы выпущены новые или сделаны дополнения в существующие технологические инструкции по всему технологическому циклу.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Качественную поверхность, дисперсную однородную макро- и микроструктуру слитков из алюминиевых сплавов серии 6000 можно получить при полунепрерывном лнтье слитков в графитовые кристаллизаторы : с горячим верхом только при определенном соотношении параметров литья (скорость и температура литья, давление и расход охлаждающей воды) и применении ряда конструктивных особенностей литейной системы.

2. Зерноизмельчающая способность лигатуры А1 - Ті - В при модифицировании ею сплавов системы Al - Mg - Si зависит от состава лигатуры, размера интерметаллидных частиц 1 в ее структуре , промежутка времени от момента введения лигатуры в жидкий сплав до момента кристаллизации последнего. Только при определенном сочетании этих факторов возможно получение слитков из сплавов системы Al - Mg -Si с мелкозернистой и однородной по объему структурой (до 2000 зерен на 1 см² площади шлифа). Наиболее вероятными центрами кристаллизации этих сплавов являются кластеры (Ті, А1)хВу , формирующиеся при введении лигатуры А1 - 5 % Ті - 1 % В в расплав.

3. Содержание водорода и неметаллических включений в слитках алюминиевых сплавов серии 6000 можно существенно уменьшить путем применения комплексного рафинирования жидкого расплава карналли-товым флюсом в печи и смесью аргона и хлора в миксере.

4. Зернистая структура слитков из сплавов серии 6000 оказывает существенное наследственное влияние на структуру и свойства изготовленных из них полуфабрикатов.

Апробация работы Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих научно-практических конференциях:

5. Шестой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 1975 г.

6. Восьмой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Верхняя Салда, 1979 г.

7. Девятой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Красноярск, 1981 г.

4. Десятой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Каменск - Уральский, 1984 г.

5. Отраслевой конференции по литейному производству, г. Каменск-Уральский, 1992 г.

6. Отраслевом семинаре по производству слитков в системы с горячим верхом, г. Каменск - Уральский, 1993 г.

7. Восьмой всероссийской конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов, г. Екатеринбург, 1994 г.

Объем работы

Диссертация состоит из введения , пяти глав , общих выводов, списка литературы и трех приложений. Изложена на 236 страницах, включая 196 страниц машинописного текста , 49 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 116 наименований.