Исследование и разработка технологии производства алюминиевой катанки с добавкой циркония способом непрерывного литья и прокатки с целью получения из нее термостойких проводов ЛЭП тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Матвеева, Ирина Артуровна

• Матвеева, Ирина Артуровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Матвеева, Ирина Артуровна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Производство катанки из проводниковых алюминиевых сплавов

1.1.1. Технология и оборудование ВНИИМЕТМАШ

1.1.2. Технология и оборудование Continuus-Properzi

1.1.3. Технология и оборудование «Саутвайер»

1.2. Обзор производства катанки на примере Иркутского алюминиевого завода («ИркАЗ»)

1.2.1. Приемка шихтовых материалов

1.2.2. Приготовление расплава

1.2.3. Подготовка оборудования к работе

1.2.4. Литье и прокатка

1.3. Алюминий и сплавы, используемые в изделиях электротехнического назначения

1.3.1. Марки первичного алюминия и сплавов для электротехнического применения

1.3.2. Проводниковые сплавы для высокотемпературного применения

1.3.3. Сравнительный анализ термостойких сплавов систем А1-РЗМ и А1-Zr

1.4. Особенности влияния циркония на структуру и упрочнение алюминия

1.4.1. Фазовая диаграмма системы Al-Zr

1.4.2. Влияние циркония на структуру и упрочнение алюминиевых сплавов

1.4.3. Особенности совместного легирования алюминиевых сплавов цирконием и кремнием

Выводы по обзору литературы

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ

2.1 .Объекты исследования

2.2. Методики исследования

2.2.1. Анализ химического состава

2.2.2. Измерение удельного электросопротивления

2.2.3. Методика структурных исследований

2.2.4. Определение коэффициента термического расширения

2.2.5.Определение механических свойств

2.2.6. Расчет фазового состава

2.2.7. Определение водорода

3. Особенности плавки и литья алюминиевых сплавов с добавкой циркония49

3.1. Обоснование концентрации циркония и температуры расплава

3.2. Особенности введения циркония в алюминиевый расплав

3.3. Влияние температуры нагрева на структуру, твердость и электропроводность литой заготовки

Выводы по главе 3

4. Влияние деформационно-термической обработки и дополнительного легирования на свойства сплавов

4.1. Влияние режима термообработки на электросопротивление, временное сопротивление разрыву и термостойкость холоднокатаных листов сплавов системы А1-7г-Ре-81

4.2. Влияние режима термообработки на электросопротивление, временное сопротивление разрыву и термостойкость проволоки сплавов системы А\-1г-¥е-Ъ{

4.3. Совместное влияние циркония и кремния на электросопротивление и упрочнение низколегированных алюминиевых сплавов

5. Оптимизация состава и технологических параметров для обеспечения наилучшего соотношения между прочностью, электросопротивлением и термостойкостью

5.1. Анализ формирования структуры катанки из сплава

5.2. Влияние степени деформации на изменение удельного электрического сопротивления при ступенчатой термической обработке

5.3. Моделирование получения катанки А1-2г сплавов в лабораторных условиях

5.4. Моделирование длительного прогрева катанки в лабораторных условиях

5.5. Обоснование контроля технологических и структурных параметров для

достижения заданных свойств

Выводы по главе 5

6. Опытно-промышленное опробование технологии получения катанки сплава Al-Zr способом непрерывного литья и прокатки в условиях завода «ИркАЗ»

6.1. Приготовление расплава и получение катанки

6.2. Оптимизация режима термообработки

Выводы по главе 6

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ на получение катанки Al-Zr сплава

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологии производства алюминиевой катанки с добавкой циркония способом непрерывного литья и прокатки с целью получения из нее термостойких проводов ЛЭП»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Одной из важнейших областей применения алюминия является его использование для проводов воздушных линий электропередачи (ЛЭП). По данным на 2013 г. объем производства катанки из первичного алюминия (в частности, марок типа А5Еи А7Е) в РФ составляет около 250 тыс. тонн в год. Основная часть катанки идет на производство неизолированных проводов ЛЭП.

Одной из задач модернизации существующей электроэнергетической сетевой инфраструктуры является применение новых термически стабильных материалов, которые должны сочетать высокую электропроводность и достаточную прочность, сохраняющуюся после нагревов вплоть до 240 °С. Поскольку при таких температурах нелегированный алюминий сильно разупрочняется, то марки типа А5Е и А7Е для термостойких проводов не подходят. Для решения этой проблемы наиболее перспективным направлением является создание низколегированных алюминиевых сплавов с добавкой циркония. Ряд широко известных зарубежных компаний -производителей проводов, таких как: Lamifil (Бельгия), ЗМ (США), J-Power Systems (Япония) и другие, ведут разработки в области создания термостойких ("heat resistant") проводов, в которых используется проволока именно из алюминиево-циркониевых сплавов. Назначение малой добавки циркония (0,1-0,4 масс.%) состоит в том, чтобы сформировать в конечной структуре наночастицы фазы A^Zr (Ll2), которые позволяют резко повысить температуру рекристаллизации.

Исходной заготовкой для алюминиевой проволоки, из которой делают провода, является катанка, которую, как правило, получают способом непрерывного литья и прокатки (СНЛП), в частности на установках типа Properzi и Southwire. Достижение требуемых характеристик на Al-Zr проволоке (прежде всего, удельного электрического сопротивления (УЭС) и

прочностных характеристик) определяется заданной микроструктурой катанки, формирование которой происходит при обеспечении заданных режимов плавки и литья, а также режимов деформационно-термической обработки. Именно эти режимы определяют конечный уровень механических и физических характеристик катанки и полученной из неё проволоки, которые регламентируются международными стандартами 1ЕС 62004 и АБТМ В941-10 [1,2]. Оптимизация этих режимов является непростой задачей, что обусловлено сложностью процесса СНЛП, существенно отличающегося от традиционных способов, в которых литье слитков и последующая их деформационная обработка разделены.

Цель работы

Целью работы является создание научных основ технологии получения алюминиевой катанки с добавкой циркония способом непрерывного литья и прокатки для последующего производства проволоки, обеспечивающей заданный комплекс механической прочности, электросопротивления и термостойкости за счет формирования в их структуре наночастиц фазы А132г

(Ы2).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить влияние режимов приготовления расплава в плавильной печи, при которых достигается полное растворение циркония, и режимов литья, обеспечивающих отсутствие первичных кристаллов фазы А132г.

2. С использованием расчетных и экспериментальных методов исследовать распад пересыщенного цирконием алюминиевого твердого раствора (А1) с выделением вторичных частиц фазы А\ъЪг в процессе охлаждения после окончания кристаллизации и последующей деформационно-термической обработки.

3. Применительно к промышленным условиям завода ОК «РУСАЛ»

обосновать режимы получения катанки и ее термообработки для

6

последующего изготовления термостойкой проволоки, отвечающей требованиям марок ATI и АТЗ (в соответствии со стандартом IEC 62004).

Научная новизна

1. С использованием расчетных и экспериментальных методов обоснованы технологические параметры производства алюминиевой катанки с добавкой циркония свыше 0,2 % способом непрерывного литья и прокатки. Показано, что температура расплава на колесе-кристаллизаторе должна составлять не менее 720 °С при 0,2%Zr и не менее 760 °С при 0,3%Zr.

2. Изучена кинетика усвоения расплавом циркония из различных лигатур. Показано, что в отсутствии перемешивания для растворения 0,3%Zr из таблетированной лигатуры (80%Zr) требуется более 2-х часов, а для растворения из литой лигатуры А1-15%Zr достаточно 1 часа.

3. Показано, что достижение минимального уровня УЭС на Al-Zr катанке за время выдержки не более 10 часов можно добиться только за счет ее отжига по многоступенчатому режиму при температуре последней ступени в интервале 400-450 °С. При 350 °С требуется выдержка более 500 часов, а при температурах отжига свыше 450 °С происходит снижение прочности ниже допустимого уровня.

4. Установлено, что кремний, который в алюминии электротехнических марок (А5Е, А7Е) рассматривается как вредная примесь, при наличии добавки циркония может быть полезным элементом, который позволяет уменьшить время отжига за счет ускорения выделения фазы AbZr из алюминиевого твердого раствора.

Практическая значимость

Разработаны технологические рекомендации на получение алюминиевой катанки с добавкой циркония способом непрерывного литья и прокатки, в том числе применительно к условиям алюминиевого завода ОАО «ИркАЗ-СУАЛ» (ОК РУСАЛ).

Разработаны технологические рекомендации по термической обработке алюминиевой катанки с добавкой циркония в промышленных печах.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов подтверждается использованием современных методик исследования и поверенных измерительных установок и приборов (оптико-эмиссионный спектрометр марки ARL 4460, универсальная испытательная машина Zwick Z250, прибор по определению удельной электрической проводимости ВЭ-26НП и др.)

1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Алюминиевая катанка - горячекатаная проволока, обычно круглого сечения, диаметром 9-25 мм [3]. Получают на машинах непрерывного литья с последующей прокаткой на прокатном стане. В дальнейшем получившуюся катанку можно использовать для холодной перетяжки в проволоку различного назначения (производство проводов, кабелей, сварочная проволока и т.д.) или, например, для целей раскисления стали.

1.1. Производство катанки из проводниковых алюминиевых сплавов

В настоящее время подавляющая часть мирового производства катанки из цветных металлов и сплавов, в том числе более 90 % алюминиевой катанки, осуществляется с использованием технологии непрерывного литья и прокатки (НЛП) [4].

Основными преимуществами способа непрерывного литья и прокатки по сравнению с производством катанки из слитков являются:

1. Достаточно большой, более 2 т, вес бухты (вес бухты при производстве из слитков составляет менее 100 кг), что резко снижает количество стыковых сварок при производстве проволоки, за счет чего значительно повышается качество проволоки и производительность волочильных машин.

2. Высокое качество катанки, в том числе вследствие большей равномерности химического состава, а также механических и физических свойств по ее длине и сечению.

3. Высокая степень механизации и автоматизации процесса производства катанки при практически полном исключении ручного труда (в непрерывной технологической линии производства, включающей расплавление исходного сырья, разливку, прокатку, термообработку, смотку и отгрузку готовой продукции одновременно заняты 7-10 человек).

В настоящее время основными производителями литейно-прокатных агрегатов для производства катанки из алюминия и алюминиевых сплавов в мире являются фирмы:

1. "Континуус-Проперци" (Италия),

2. "Саутвайер" (США),

В СССР литейно-прокатные агрегаты выпускались совместно ВНИИМЕТМАШ и АЗТМ (Алма-Атинский завод тяжелого машиностроения). В 60-х годах прошлого столетия на алюминиевом заводе в Запорожье была пущена первая машина такого типа конструкции. С 90-х годов XX века производство литейно-прокатных агрегатов ВНИИМЕТМАШ не осуществляется.

Литейно-прокатные агрегаты различных фирм-изготовителей имеют практически одинаковый состав основного технологического оборудования, однако их технические и эксплуатационные характеристики имеют заметные различия, которые кратко рассмотрены ниже.

1.1.1. Технология и оборудование ВНИИМЕТМАШ

Литейно-прокатные агрегаты, в которых совмещены процессы непрерывного литья и непрерывной прокатки, обычно включают литейную машину и непрерывный прокатный стан. В технологическую линию агрегата входят: печной участок, литейная машина, линия транспортировки литой заготовки к прокатному стану, прокатный стан, моталка, на которую наматывается полученная катанка, что схематично представлено на рис. 1.1

[5].

Печной участок предназначен для подготовки металла к литью. Участок должен обеспечивать непрерывную подачу подготовленного соответствующим образом металла к литейной машине в количестве, соответствующем мощности агрегата.

Обычно печной участок состоит или из одного сдвоенного миксера емкостью 2x20 т, или из двух миксеров емкостью по 20 т каждый,

10

установленных каскадом (последовательно один за другим): в первый миксер заливают металл из ковшей, а из второго ведут литье. Миксеры соединены между собой желобом, и металл из первого миксера самотеком перетекает во второй. Миксеры стационарные, истечение металла из летки регулирует оператор литейной машины пикой вручную.

Рис. 1.1. Схема агрегата непрерывного литья и прокатки алюминиевой катанки [4]

1 - литейная машина роторного типа, 2 - ножницы барабанные, 3 - правильно-тянущая машина, 4 - черновая группа прокатного стана, 5 - чистовая группа прокатного стана,6 -линия охлаждения, 7 - ножницы делительные, 8 - проводка моталки, 9 - моталка, 10 -масло-эмульсионный подвал, 11- подвал линии охлаждения.

На литейной машине расплав кристаллизуется на литейном колесе и получается трапециевидная заготовка. В агрегатах для производства алюминиевой катанки в качестве литейных применяют роторные литейные машины. Такая машина представляет собой литейное колесо, охваченное стальной бесконечной лентой (угол охвата около 180 °). Стенки движущегося вместе с застывающим металлом кристаллизатора образуются периферийной выточкой в медном водоохлаждаемом бандаже и перекрывающей выточку стальной лентой. В месте отхода ленты от колеса металл выдается в виде застывшей литой заготовки.

Существует несколько наиболее характерных схем роторных литейных машин, нашедших промышленное применение. Основное различие схем - в способе охвата лентой барабанов и колеса (рис. 1.2). На литейных машинах

(рис. 1.2 а, б, г) лента охватывает барабаны большого диаметра и при работе испытывает гиб с разгибом, а на литейных машинах (рис. 1.2 в, е, д) она испытывает гиб с перегибом и огибает барабаны небольшого диаметра. В то же время на машинах (рис. 1.2 а, б, г) помимо разгибания слитка в плоскости литейного колеса, что свойственно всем роторным машинам, слиток приходится отгибать еще и от плоскости колеса в сторону, для того, чтобы обойти ленту.

машин

Рис. 1.2. Схемы роторных литейных

1 - литейное колесо,2 - приемная ванна с дозатором, 3 - холостое колесо, 4 - натяжное колесо, 5 - слиток, 6 - лента

Основной рабочий орган литейной роторной машины - это медный водоохлаждаемый бандаж. Конструкция его очень разнообразна в различных машинах даже одной и той же фирмы-изготовителя. Однако, по теплоотводящим свойствам все бандажи примерно одинаковы. Вода подается на внутреннюю и боковые поверхности бандажа через форсунки, установленные на коллекторах, т.е. также как на ленту. Приемная ванна с дозатором имеет три степени свободы в пространстве, что дает возможность подстраиваться таким образом, чтобы трубка дозатора занимала определенное положение относительно центра мениска металла в кристаллизаторе.

Лента, охватывающая литейное колесо, изготавливается из низкоуглеродистой стали. Толщина ленты 2-3 мм, поэтому концы ее

12

соединяются электросваркой. Сварной шов располагается под углом 30-45° к боковой стороне ленты. Стойкость ленты, как правило, составляет 15-20 ч литья. Для устранения вибраций, возникающих на валу литейного колеса и отрицательно сказывающихся на качестве отливаемой заготовки, в редукторах привода предусматриваются специальные люфты между зубьями шестерен.

Совершенствование роторных машин направлено на увеличение их единичной мощности как за счет увеличения диаметра литейного колеса, так и за счет увеличения сечения заготовки.

На прокатном стане происходит термическая/пластическая деформация заготовки.

Моталки, специально разработанные для ЛПА, позволяют сматывать катанку, непрерывно поступающую с прокатного стана. Для алюминиевой катанки применяют шпульные моталки, сматывающие эту катанку в бухты массой до 2 т с рядной укладкой витков.

В бывшем СССР (а теперь в России) алюминиевую катанку диаметром от 7 до 25 мм получают на литейно-прокатных агрегатах типа ЛПА-АК, разработчиком которых является ВНИИМЕТМАШ. Наибольшее количество катанки выпускается круглого сечения, но иногда с ЛПА получают катанку секторного сечения - секторные жилы, используемые для трехжильного кабеля со сплошным (не свитым из тонких проволок) сечением жил.

Разработкой ЛПА для производства алюминиевой и медной катанки в

бывшем СССР, а теперь в России, с середины 50-х годов занимается ОАО

«АХК ВНИИМЕТМАШ» (г. Москва). С 1961 г. было пущено в эксплуатацию

20 агрегатов для производства алюминиевой катанки ЛПА-АК [4]. Первые

советские ЛПА имели 17-клетьевой стан с трехвалковыми регулируемыми

клетями, сгруппированными в три группы - по 6+6+5 клетей в каждой.

Между группами имеется увеличенное межклетьевое расстояние, благодаря

которому осуществляют дополнительное охлаждение проката при

производстве определенных сортов катанки. Разделение на группы клетей

13

позволило создать очень простые и надежные редукторы привода клетей. Последующие выпускаемые в России ЛПА имели 12-клетьевые прокатные станы с двухвалковыми клетями. Клети собраны в два блока по шесть клетей, привод общий. Между блоками устанавливают летучие ножницы для обрезки переднего конца. Производительность стана по алюминиевой катанке составляет 8 т/час.

1.1.2. Технология и оборудование Сопйпиш-Ргорет

Мировым лидером по разработке и производству линий непрерывного литья и проката цветных металлов (ССЯ-линий) является итальянская компания Сопйпиш-Ргорет. Ее основателем является Иларио Проперци, который в 1947 г. оформил патент на технологию непрерывного литья и проката для изготовления прутков-заготовок для производства проволоки из цветных металлов [6]. Процесс получения такого прутка (катанки) заключается в том, что жидкий металл прямо из плавильной печи направляется в кристаллизатор, выполненный по радиусу с закрытым калибром, из которого затвердевший металл поступает в непрерывный прокатный стан, а затем готовый продукт сматывается в бухты.

Когда эта технология достаточно усовершенствовалась, «процесс Проперци» взяли на вооружение многие производители. В течение 10 лет было налажено промышленное производство медных прутков-заготовок. В дальнейшем, благодаря технологическому развитию, стало возможным изготовление методом непрерывного литья и проката прутков из алюминия и алюминиевых сплавов. К сегодняшнему дню в разных странах сданы в эксплуатацию свыше 400 ССЯ-линий различной производительности, при этом более 85% алюминиевой катанки в мире производится на оборудовании Сопйпиш-Ргорет. С середины 1960-х годов стратегическое значение для компании Сопйпиш-Ргорега имеет российский рынок. Компания успешно работает с российскими фирмами, как в области продаж, так и в плане технического сотрудничества.

Суть метода непрерывного литья Проперци заключается в следующем. Разливочный аппарат оборудован литейным колесом диаметром от 1,4 до 3,2 м в зависимости от требующейся производительности. Литейное колесо имеет медный обод с полостью, размер которой совпадает с размером литого изделия. Полость закрывается стальной лентой. Лента циркулирует по мере вращения литейного колеса и может натягиваться при помощи отклоняющего ролика. Расплавленный металл может поступать в полость горизонтально или вертикально с помощью специального сопла. Если в линии установлен прокатный стан, то литейное колесо обычно работает по принципу вертикальной заливки.

После охлаждения и затвердевания металл в виде прутка направляется к правильному устройству через экстрактор и тянущиеся ролики. После выпрямления пруток проходит через вращающиеся ножницы, которые используются для его деления на равные куски, которые поставляются к автоматическому укладчику. Этот способ может быть использован для литья чушек в виде прутков. Его преимущество состоит в том, что литая поверхность остается очень чистой, ровной, свободной от поверхностных оксидов и усадочных раковин.

Что касается конструктивного оформления литейной машины, у разных производителей оно может быть различным. В частности, фирма «Проперци» использует двухколесные литейные машины, в которых плоскость литейного колеса повернута на 7-8° относительно оси прокатки, что требует такого же разворота заготовки после ее выхода из кристаллизатора; подобные литейные машины имеют и отечественные литейно-прокатные агрегаты.

Традиционный метод Проперци применяется в кабельной промышленности для производства проволоки разного размера. В этом случае пруток не режется, а направляется в прокатный стан. Литой пруток в клетях стана прокатывается до диаметров от 7,2 до 9,5 мм. При производстве катанки диаметром 9,5 мм две последние клети не используются.

В линии прокатного стана устанавливается намоточное устройство (корзинного типа или в виде двойной моталки). После того как одна бухта готова, летучие ножницы отрезают катанку, и вся система автоматически переключается на следующую бухту.

В основном, этим способом перерабатываются нелегированный алюминий и деформируемые сплавы алюминия, хотя на машинах «Проперци» отливались и сплавы с высоким содержанием кремния.

Начиная с 2005 г. «процесс Проперци» стал использоваться на некоторых предприятиях России.

1.1.3. Технология и оборудование «Саутвайер»

Агрегаты фирмы «Саутвайер» оснащаются как двухколёсными, так и четырехколесными литейными машинами в зависимости от назначения и производительности агрегата [7].

По составу прокатного оборудования литейно-прокатные агрегаты (ЛПА) подразделяются на агрегаты с трехвалковыми прокатными станами (отечественные агрегаты и агрегаты фирмы «Проперци») и агрегаты с двухвалковыми станами (агрегаты фирмы «Саутвайер»). В последние годы фирма «Проперци» использует также комбинированные станы, в которых черновые клети - двухвалковые, промежуточные и чистовые - трехвалковые.

Для смотки катанки обычно используются шпулевые моталки, обеспечивающие плотную рядную намотку катанки с минимальным натяжением. При этом фирма «Проперци» и фирма «Саутвайер» в своих агрегатах используют моталки типа фирмы «OTT» (Франция) с горизонтальной осью намотки с массой бухт более 2000 кг.

Современные прокатные комплексы оснащены также системами термической обработки заготовки с отжигом и закалкой, в процессе которой формируется окончательная структура сплава, которая обеспечивает необходимую технологичность при последующей деформации, а также заданный уровень эксплуатационных характеристик.

1.2. Обзор производства катанки на примере Иркутского алюминиевого завода («ИркАЗ»)

Ниже будет поэтапно рассмотрена схема получения катанки из жидкого алюминия в условиях Иркутского алюминиевого завода (далее ИркАЗ).

Процесс производства катанки условно можно разделить на следующие этапы: приемка шихтовых материалов, приготовление расплава, подготовка оборудования к работе, литьё и прокатка.

1.2.1. Приемка шихтовых материалов

Перед тем, как осуществлять загрузку шихтовых материалов в миксер, в обязательном порядке проводится входной контроль данных материалов на предмет их соответствия заданному уровню качества, в том числе и на соответствие химического состава шихтовых материалов по сертификату качества на эти материалы. Литейщиком производится визуальная оценка наличия упаковки и маркировки, а также целостности упаковки, поскольку нарушение упаковки не допускается. По внешнему виду шихтовые материалы визуально оцениваются на соответствие технической спецификации заказчика (в ОК РУСАЛ существует единая техническая спецификация, описывающая различные требования к легирующим материалам - от химического состава до упаковки и способа хранения). Оценивается каждая таблетка и каждая чушка, соответственно. В случае обнаружения каких-либо несоответствий составляется акт. Далее производится расчёт массы шихты, загружаемой в миксер, и происходит переход ко второму этапу - приготовлению расплава.

При производстве электротехнической катанки на ИркАЗе применялась лигатура А1В5 [8]. Назначение лигатуры А1В5 - очистка расплава от тяжелых примесей (Ti, V, Сг).

1.2.2. Приготовление расплава

Для производства катанки из алюминия первичного марок А5Е, А7Е и сплавов применяется двухзонный стационарный электрический миксер, вместимость каждой зоны - 15 тонн. Футеровка миксера выполнена из шамота. Для поддержания работоспособности миксера по утвержденному на заводе графику производится его капитальный ремонт.

Катанка производится на литейно-прокатном комплексе, который помимо миксера включает в себя литейно-прокатный агрегат и устройство для намотки бухт - моталку.

На начальном этапе проводят проверку исправности и подготовку к работе миксера, которая также включает оценку чистоты миксера (рабочая зона должна быть чистой, на стенках и скосах миксера не должно быть шлаковых наростов). Футеровка осматривается перед каждой плавкой, при необходимости проводится внеочередная чистка миксера. Температура атмосферы миксера может поддерживаться в интервале 730-810 °С, контролируется постоянно при помощи термопары, показания температуры выводятся на пульте управления миксером.

Все литейно-прокатные агрегаты на заводе ИркАЗ - производства ВНИИМЕТМАШ, способны выпускать катанку диаметром от 9,5 до 15 мм. Жидкий металл для производства катанки в литейном отделении ИркАЗа поступает из промышленных корпусов в вакуумных ковшах со съемными крышками ёмкостью 3,5 и 4 т расплавленного алюминия. Ковш представляет собой стальную емкость, дно и стенки которой футерованы теплоизоляционными кирпичами. Он оснащен выливным носком, разливочным носком и съемной крышкой.

Расчёт шихты производится с учётом сортности поступающего алюминия-сырца (содержание Fe, Si и т.д., масс.%).

С целью снижения суммарного содержания тяжелых примесей, негативно влияющих на величину электропроводности (повышающих

величину удельного электрического сопротивления (УЭС)), перед подачей металла в миксер производится очистка алюминия путём добавления в специально выделенный для этой цели ковш лигатуры А1В5. Лигатура помещается в пустой ковш до забора алюминия-сырца из электролизной ванны из расчета 1 кг лигатуры А1В5 на 1 т жидкого алюминия. В некоторых случаях, например, при изменении корзины сырья (кокс, пек, анодная масса, глинозём), расход лигатуры А1В5 может быть изменен как в меньшую, так и в большую сторону.

Стандартное время отстоя алюминия в ковше с лигатурой составляет 30-40 мин. При получении результатов анализа с высоким содержанием титана, ванадия (I ТЧ + V более 35 ррт) производят присадку лигатуры А1В5 в миксер. В этом случае пластину лигатуры кладут на скос рабочего окна миксера, прогревают в течение 3-5 мин, затем утапливают в расплаве, перемешивают, снимают шлак, выполняют отстаивание расплава. Время дополнительного отстаивания расплава в миксере составляет не менее 30 мин.

При получении ковша с первичным алюминием производится его взвешивание на специальных весах. Также, производится визуальный контроль поверхности расплава на предмет отсутствия кусков шлака размером более 50 мм и электролита. После заливки металла в миксер состояние пустого ковша визуально оценивается на наличие электролита с составлением соответствующего акта.

При приготовлении расплава допускается использовать технологические отходы катанки, при этом масса завалки не превышает 10% от массы жидкого металла в ковше. Время отстаивания металла в ковше после завалки технологических отходов - не менее 5 мин, после чего каждый ковш визуально осматривается на отсутствие шлака на поверхности расплавленного металла перед заливкой в миксер. При наличии шлака на поверхности, он обязательно удаляется.

Заливка алюминия-сырца в миксер производится через специальный карман, расположенный на задней стенке миксера. Температура металла в ковше измеряется переносной термопарой ТХА, и должна составлять не менее 800°С. При заливке через карман миксера литейщик контролирует состояние струи металла, которая должна быть ровной, без разбрызгивания и переполнения заливочного устройства. Заливка алюминия-сырца марки АВ производится не позднее «третьего ковша», в случае такой необходимости. Температура расплава в кармане миксера в процессе подготовки сплава должна быть на уровне 750-780 °С. Замер также осуществляется при помощи переносной термопары ТХА.

В случае необходимости подшихтовки лигатура дополнительно отдается в миксер через рабочее окно. Отдача флюса в миксер происходит равномерно по всей поверхности расплава, в количестве 0,5-1,0 кг/т. Перемешивание расплава длится 5 мин, далее технологическая выдержка -10 мин, далее перемешивание - 5 мин и снова выдержка - 20 мин (при температуре не менее 750 °С).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Матвеева, Ирина Артуровна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. IEC 62004-2007. Thermal-resistant aluminium alloy wire for overhead line conductor.

2. ASTM B941-10. Standard Specification for Heat Resistant Aluminum-Zirconium Alloy Wire for Electrical Purposes.

3. ГОСТ 13843-78. Катанка алюминиевая. Технические условия.

4. Обзор рынка алюминиевой катанки в России, издание 2-е, июль 2013.

5. Целиков А.И. Металлургические машины и агрегаты: настоящее и будущее. Москва: Металлургия, 1979. — 144 с.

6. http://www.properzi.com

7. http://www.southwire.com

8. ГОСТ 53777-2010. Лигатуры алюминиевые. Технические условия.

9. Применение алюминиевых сплавов: Справ.изд./Альтман М.Б., Андреев А.Д., Арбузов Ю.П. и др. - М.: Металлургия, 1985, 344 с.

10. http://www.rusal.ru.

11. ГОСТ 11069-2001. Алюминий первичный. Марки.

12. Алюминий. Свойства и физическое металловедение: Справочник / Под ред. Дж. Хэтча. М.: Металлургия, 1989.

13. ГОСТ 20967-75. Катанка из алюминиевого сплава. Технические условия.

14. Воронцова Л. А. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях-М., «Энергия», 1971, 224 с.

15. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочник/ Под ред. Ф.И. Квасова, И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1984.

16. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение, термообработка и рентгенография. - М. МИСиС, 1994. - 480 с.

17. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А.. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: МИСиС, 1999.

18. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ.изд./ Под ред. Елагина В.И., Ливанова В.А. - М.: Металлургия, 1984, 408 с.

19. Захаров М.В., Лисовская Т.Д., Влияние различных элементов на электропроводность, твердость и температуру рекристаллизации

алюминия марки AB, Известия вузов «Цветная металлургия», 1965, № 3.

20. Крупотхин Я., Гохштейн М. Влияние малых добавок церия, железа, кобальта и никеля на механические свойства и электропроводность алюминия, «Металловедение и термическая обработка металлов», 1966, №8.

21. Knych Т., Jablonski М., Smyrak В.: New aluminium alloys for electrical wires of fine diameter for automotive industry, Archives of Metallurgy and Materials 54, 3 (2009).

22. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. М.: ВИЛС, 1995, 341 с.

23. Добаткин В.И., Федоров В.М., Бондарев Б.И. и др. Гранулируемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием переходных металлов. Технология легких сплавов №3, 2004, с. 22-29.

24. Федоров В.М. Новые жаропрочные алюминиевые сплавы, легированные малорастворимыми переходными металлами. Технология легких сплавов, №2, 1993, с.67-81.

25. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1973, 320 с.

26. Исследование структуры и свойств жаропрочных литейных сплавов эвтектического типа на базе системы алюминий-церий. Канд. дис. Наумовой Е.А. (1999).

27. Белов H.A. Оптимизация структуры и состава конструкционных литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа. Дисс. докт. тех. наук,-М., 1994, 328 с.

28. Федоров В.М. Некоторые особенности легирования алюминиевых сплавов переходными металлами в условиях метастабильной кристаллизации. Авиационная промышленность, 1980, №12, с.42-45.

29. Белов H.A. «Структура и упрочнение литейных сплавов системы алюминий - никель-цирконий», Металловедение и термическая обработка металлов, 1993, N 10, С. 19-22.

30. Литейный сплав на основе алюминия АНЖ1 Белов H.A., Золоторевский B.C., Лузгин Д.В. пат.РФ 2039115 з-ка 92009436 от 03.12.92 г.

31. Алабин А.Н. //Исследование и разработка алюминиевых сплавов с добавкой циркония, упрочняемых без закалки. Канд.дисс., МИСиС, 2005.

32. Ю.В. Матвеев, В.П. Гаврилова, В.В. Баранов. «Легкие проводниковые материалы для авиапродов». Кабели и провода, 2006, № 5 (300) С.22-23.

33. P. Uliasz, T.Knych, A.Mamala, B.Smyrak "Investigation in Properties' Design of Heat Resistant AlZrSc Alloy Wires Assigned for Electrical Application" in «Aluminium Alloys: Their Physical and Mechanical Properties", Ed. J.Hirsch. B.Scrotzki and G.Gottstein, DCM, 2008, P. 248255 (Proc. ICAA11, Germany Aahen, 22-26.09.08).

34. United States Patent 5067994 Aluminium alloy, a method of making it and an application of the alloy (publication 11/26/1991).

35. United States Patent 4402763 High conductive heat-resistant aluminum alloy (publ. 09/06/1983).

36. Patent JP №1-52468 Способ изготовления проволоки из проводящего термостойкий алюминиевого сплава, (опубл.08.08.1995).

37. Алюминиевый композитный усиленный провод - новое изобретение дл высоковольтных воздушных ЛЭП, Энергоэксперт, №3, 2007, с.60-62.

38. Белов Н.А., Алабин А.Н. Сравнительный анализ легирующих добавок применительно к изготовлению термостойких проводов на основе алюминия // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. - №9. - с.54-58.

39. Н.А. Белов, А.Н. Алабин, А.Ю. Прохоров. «Влияние добавки циркония на прочность и электросопротивление холоднокатаных алюминиевых листов. Изв.вузов. Цв.металлургия, 2009, № 4,С.42-47.

40. Н.А.Белов, А.Н.Алабин, А.Ю.Прохоров, Н.В.Скворцов «Влияние промежуточного отжига на электросопротивление проволоки низколегированных алюминиевых сплавов системы Al-Zr-Fe-Si», Металловедение и термическая обработка металлов, 2012, № 4, С. 1419.

41. A. Alabin, N. Belov "Effect of Iron and Silicon on Strength and Electrical Resistivity of Al-Zr Wire Alloys". Proceedings of ICAA13: 13th International Conference on Aluminum Alloys, 03-0.7.06.2012. Pittsburgh, PA, USA, Eds. H. Weiland, W.A.Cassada, A.D. Rollett, WILEY, 2012

(ISBN 978-1-11845-804-4), p. 1539-1544.

131

42. А.Ю. Прохоров, Н.А. Белов, А.Н. Алабин «Особенности технологии плавки и литья слитков проводниковых алюминиево-циркониевых сплавов в промышленных условиях», Литейщик России, 2010, №4, С.30-34.

43. Исследование и разработка технологии плавки и литья термостойкого алюминиевого сплава с добавкой циркония с целью получения слитков для электротехнического применения. Канд. дис. А.Ю. Прохоров (2011).

44. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справ.изд./Альтман М.Б., Андреев А.Д., Балахонцев Г.А. и др. - М.: Металлургия, 1983, 430 с.

45. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Пер с англ. - М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

46. Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов - М.: МИСиС, 2005.

47. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов - М.: Издательский Дом МИСиС, 2010, 511 с.

48. Belov N.A, Alabin A.N, Eskin D.G., and Istomin-Kastrovskiy V.V. "Optimization of Hardening of Al-Zr-Sc Casting Alloys", Journal of Material Science, 2006, 41, p.5890-5899.

49. Forbord В., Lefebre W., Danoix F., H. Hallem, K. Marthinsen. Three dimensional atom probe investigation on the formation of A13(Sc,Zr)-dispersoids in aluminium alloys Scr. Mater, 2004, vol.51, 333-337.

50. B. Forbord, H.Hallem, K.Marthinsen. The effect of alloying elements on precipitation and recrystallisation in Al-Zr alloys. Proceedings of the 9th International Conference of aluminium alloys (2004).

51. Belov N.A., "Aluminium Casting Alloys with High Content of Zirconium". Proc.5th Int.Conf.on Al-Alloys and Their Physical and Mechanical Properties (ICAA5), 1-5.07.96 Grenoble, France,Materials Science Forum, 1996 Vol. 217-222, P.293-298.

52. Lae, P. Guyot, C. Sigli. Cluster dynamics in Al-Zr and Al-Sc alloys.

fh

Proceedings of the 9 International Conference on Aluminium Alloys (2004).

53. К. B. Hyde, A. F. Norman and P. B. Prangnell: Mater. Sci.Forum, 2002, 396^02, 39-44.

54. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия. 1978. 248 с.

55. M.E. Drits, S. G. Pavlenko, L. S. Toropova, Yu.G. Bukov and L.B. Ber Mechanism of the influence of scandium in increasing the strength and thermal stability of alloys of the Al-Mg system Sov. Phys. Dokl., 1981, 26, (3), 344-346.

56. M.J. Jones, F. J. Humphreys: Interaction of recrystallization and precipitation: The effect of A13Sc on the recrystallization behaviour of deformed aluminium Acta Mater., 2003, 51, 2149-2159.

57. J. Royset and N. Ryum: Proc. 4th Int. Conf. on 'Aluminium alloys', Vol. I, Atlanta, GA, USA, September 1994, 194-201.

58. R.A. Emigh, E.L. Bradley and J.W. Morris, Jr: in 'Light-weight alloys for aerospace applications II', (ed. E. W. Lee and N. J.Kim), 27-43; 1991, TMS.

59. M. G. Mousavi, C. E. Cross and 0. Grong: Sci. Technol. Weld. Joining, 1999, 4, 381-388.

60. C. Liu, Y.Bi, R. Benedictus. Modeling A13Zr precipitation in an AA7075 Alloy. Proceedings of the 9th International Conference of Aluminium alloys (2004)

61.Z. Yin, Q. Pan, Y. Zhang and F. Jiang: Effect of minor Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al-Mg based alloys Mater. Sci. Eng., 2000, A 280, 151-155.

62. D. Cousineau, M. Sahoo, P. D. Newcombe, T. Castles and F. A. Fasoyinu: Proc. "AFS 105th casting congress", Dallas, TX, USA, April-May 2001, 157-184.

63. C. E. Cross and 0. Grong: Proc. 6th Int. Conf. on 'Aluminum alloys', Toyohashi, Japan, July 1998, 1441-1446.

64.F.A.Costello, J.D.Robson and P. B. Prangnell: The Effect of Small Scandium Additions to AA7050 on the As-Cast and Homogenized Microstructure Mater. Sci. Forum, 2002, 396-402, 757-762.

65.Y. Harada and D. C. Dunand: Thermal expansion of A13Sc and A13(Sc0.75X0.25) Scripta Mater., 2003, 48, 219-222.

66. G. M. Novotny and A. J. Ardell: Mater. Sci. Eng., 2001, A 318, 144-154.

67. A. Tolley, V. Radmilovic, U. Dahmen. Scr. Mater., 2005, vol. 52, pp. 621625.

68. L.S.Toropova, D.G.Eskin, M.L.Kharakterova, and T.V.Dobatkina, Advanced Aluminum Alloys Containing Scandium. Structure and Properties, Amsterdam, OP A, 1998.

69. R0yset, N.Ryum. Scandium in aluminum alloys. International Materials Reviews 2005, vol.50 nol.

70. Zhihong Jia, Guiqing Hu, Eterge Forbord, Jan Ketil Solberg Enhancement of recrystallization resistance of Al-Zr-Mn by two-step precipitation annealing, Vol. 483-484, 195-198.

71. E. M. Sokolovskaya, E. F. Kazakova, E. I. Poddyakova and A.A. Ezhov: Met. Sci. Heat Treat., 1997, (5), 211-213.

72. Marquis E.A., Seidman D.N. Nanoscale structural evolution of Al3Sc precipitates in A1 (Sc) alloys Acta mater. 49(2001) 1909-1919.

73. Seidman D.N., Marquis E.A., Dunand D.C. Precipitation strengthening at ambient and elevated temperatures of heat-treatable Al(Sc) alloys. Acta materialia 50 (2002) 4021-4035.

74. Sato Т., Kamio A., Lorimer G.W., in Proc. ICAA5 (Eds. J. H. Driver etc.), Transtec Publications, Zuerich, Mater. Sci. Forum, 217-222, Part 2, 895900, 1996.

75. Дриц M.E., Торопова JI.C., Быков Ю.Г., Гущина Ф.Л., Елагин В.И., Филатов Ю.А. Метастабильная диаграмма состояния системы Al-Sc со стороны, богатой алюминием. // Изв. АН СССР. Металлы, 1983, №1, с. 179-182.

76. Elliot R.P., Shunk F.A. The Al-Sc system. // Journal of the Less-Common Metals. 1979, v.63, p.87-97.

77. J. D. Robson, M. J. Jones and P. B. Pragnell: Extension of the N-model to predict competing homogeneous and heterogeneous precipitation in Al-Sc alloys Acta Mater., 2003, 51, 1453-1468.

78. C. Tan, Z. Zheng and B. Wang: Proc. 3rd Int. Conf. on 'Aluminium alloys', Vol. I, NTH, Trondheim, Norway, June 1992, 290-294.

79. L.S. Toropova, D.G. Eskin, M.L. Kharakterova, and T.V. Dobatkina, Advanced Aluminum Alloys Containing Scandium. Structure and Properties, Amsterdam, OP A, 1998.

80. T. Knych, M. Piwowarska, P. Uliasz, Studies on the Process of Heat Treatment of Conductive AlZr Alloys Obtained in Various Productive Processes. Archives of metallurgy and materials; 56, 3; 685-692.

81. S. Costa, H. Puga, J. Barbosa, A.M.P. Pinto, The effect of Sc additions on the microstructure and agehardening behavior of as cast Al-Sc alloys, Materials and Design 42 (2012) 347-352.

82. C.B. Fuller, D.N. Seidman, Temporal evolution of the nanostructure of Al(Sc,Zr) alloys: Part II-coarsening of A13(Scl-xZrx) precipitates, Acta Mater. 53 (2005) 5415-5428.

83. E. Clouet, A. Barbu, L. Lae, G. Martin, Precipitation kinetics of A13Zr and A13Sc in aluminum alloys modeled with cluster dynamics, Acta Mater. 53 (2005) 2313-2325.

84. K.E. Knipling, R.A. Karnesky, C.P. Lee, D.C. Dunand, D.N. Seidman, Precipitation evolution in Al-O.ISc, Al-O.lZr and Al-0.1Sc-0.1Zr (at.%) alloys during isochronal ageing, Acta Mater. 58 (2010) 5184-5195.

85. A. Deschamp and P. Guyo, In situ small-angle scattering study of the precipitation kinetics in an Al-Zr-Sc alloy, Acta Mater. 55 (2007) 27752783.

86. W. Lefebvre, F. Danoix, H. Hallem, B. Forbord, A. Bostel, K. Marthinsen, Precipitation kinetic of A13(Sc,Zr) dispersoids in aluminium, J. Alloys Compd. 470 (2009) 107-110.

87. B. Forbord, W. Lefebvre, F. Danoix, H. Hallem, K. Marthinsen, Three dimensional atom probe investigation on the formation of A13(Sc,Zr)-dispersoids in aluminium alloys, Scripta Mater. 51 (2004) 333-337.

88. M. Vlach, I. Stulikova, B. Smola, J. Piesova, H. Cisarova, S. Danis, J. Plasek, R. Gemma, D. Tanprayoon, V. Neuber, Effectof coldrolling on precipitation processes in Al-Mn-Sc-Zr alloy, Mat. Sci. Eng. A 548 (2012) 27-32.

89. W.W.Zhou, B. Cai, W.J. Li, Z.X. Liu, S. Yang, Heat-resistant Al-0.2Sc-0.04Zr electrical conductor, Mat. Sci. Eng. A 552 (2012) 353-358.

90. C. Booth-Morrison, Z. Mao, M. Diaz, D.C. Dunand, C. Wolverton, D.N. Seidman, Role of silicon in accelerating the nucleation of A13(Sc,Zr) precipitates in dilute Al-Sc-Zr alloys, Acta Mater. 60 (2012) 4740-4752.

91. C. Booth-Morrison, D. N. Seidman, D.C. Dunand, Effect of Er additions on ambient and high-temperature strength of precipitation-strengthened Al-Zr-Sc-Si alloys, Acta Mater. 60 (2012) 3643-3654.

92. M.E. van Dalen, T. Gyger, D.C. Dunand, D.N. Seidman, Effects of Yb and Zr microalloying additions on the microstructure and mechanical properties of dilute Al-Sc alloys, Acta Mater. 59 (2011) 7615-7626.

93. C.Booth-Morrison, D.C. Dunand, D.N. Seidman, Coarsening resistance at 400 0C of precipitation-strengthened Al-Zr-Sc-Er alloys, Acta Mater. 59 (2011) 7029-7042.

94. ГОСТ 1121-SI Сплавы алюминиевые. Методы спектрального анализа.

95. Флеминге М. Процессы затвердевания. Пер. с англ. - М.: Мир, 1977, 423 с.

96. Solidification characteristics of aluminum alloys. Volume 1, wrought alloys. Jennart Bâckerud, etc. - Copyright, 1990.

97. Горелик С.С., и др. Рентгенографический и электронно-оптический анализ.: Учеб. Пособие для вузов. -4-е изд. доп. и перераб.-М.: МИСИС,2002.-360с.

98. Испытания материалов. Справочник. Под ред. Х.Блюменауэра. Пер. с нем. 1979 г. 448с.

99. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

100. ГОСТ 10446-80. Проволока. Метод испытания на растяжение.

101. ГОСТ 11701-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент.

102. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: МИСиС. 1998,400с.

103. ГОСТ 9012-59 Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю.

104. ГОСТ 2999-75 Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу.

105. ГОСТ 21132.1-98. Алюминий и сплавы алюминиевые. Метод определения водорода в твердом металле вакуум-нагревом.

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 ПРОЕКТ

Выпуск 1 стр. 1 из 12

УТВЕРЖДАЮ: Проректор по науке и инновациям НИТУ «МИСиС»

_М.Р. Филонов

« » 2013

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ на получение катанки А1^г сплава

ТР-171213-002-02066500-2013

Срок действия неограничен

Разработаны: от НИТУ МИСиС:

Директор ИЦ ИЛТМ _/Белов H.A./

Зав. каф. ТЛП _/Белов В.Д./

Нач. отд. СИ ИЦ ИЛТМ _/Алабин А.Н./

Доцент каф. ТЛП _/Горбунов В.А./

от OK РУСАЛ:

Руководитель проекта по производству

сплавов _/Матвеева И. А./

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

Настоящие технические рекомендации (ТР) распространяются на операции плавки и литья сплава А12гЕ, последующей деформационной и термической обработки для получения катанки с заданным уровнем характеристик. Катанка сплава А12гЕ предназначена для применения в электротехнической области, в частности, для производства термостойкой проволоки.

Содержание

1. Назначение...........................................................................................................139

2. Шихтовые материалы..........................................................................................139

3. Оборудование.......................................................................................................139

4. Подготовительные операции...............................................................................140

5. Приготовление расплава сплава А12гЕ...............................................................141

6. Литье сплава А12гЕ..............................................................................................141

7. Получение 9,5 мм катанки сплава АХХтЕ............................................................142

8. Термическая обработка сплава А12гЕ.................................................................143

9. Контроль качества................................................................................................143

10. Использование бракованных литых заготовок и катанки................................145

11. Требования безопасности при получении катанки сплава А12гЕ...................145

Приложение А..........................................................................................................147

Приложение Б...........................................................................................................149

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

1. Назначение

1.1. Катанка из алюминиевого сплава А\7тЕ должна быть произведена в соответствии с настоящими рекомендациями и соответствовать технической документации (техническим условиям (ТУ)), утвержденным в установленном порядке.

1.2. Химический состав алюминиевой катанки сплава А\7гЕ приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав А\-Ъг сплава

Сплав Компоненты, масс.% Примеси, масс.% (не более)

Zr Fe Si I (Mn, Cr, Ti, V) Прочие

Al-Zr 0,18-0,25 0,14-0,28 0,04-0,17 0,017 0,005

2.Шихтовые материалы

2.1. Исходными шихтовыми материалами для приготовления сплава А1-2г являются:

2.1.1. Первичные материалы:

- алюминий А5Е и выше (ГОСТ 11069-2001);

2.1.2. Лигатуры в соответствии с ГОСТ 53777-2010: алюминий-железо (10 % Бе)*, алюминий-кремний(10 % 81)** и алюминий-цирконий (10 % Ъг)***.

* для шихты допускается использование железа технической чистоты;

** для шихты допускается использование первичного кремния не ниже марки КР00 (ГОСТ 2169-69) или сплав АК12 пч (ГОСТ 1583-93).

*** в качестве шихты допускается использование иных лигатур, содержащих цирконий, обеспечивающих быстрое растворение лигатуры в расплаве.

2.1.3. Отходы сплава А12гЕ собственного производства, годного по химическому составу, в количестве до 50 % от массы плавки.

2.2. Все шихтовые материалы должны быть очищены от грязи, влаги, масел, следов коррозии, а перед введением в расплав по ходу плавки подогреты.

3. Оборудование

3.1. Погрузчик, крановое хозяйство или другое подъемное устройство для разгрузки шихтовых материалов, грузоподъемностью не менее 5 тонн.

3.2. Весы для взвешивания и дозировки шихты, слитков и отходов массой не менее 5000 кг.

3.3. Лотки для выгрузки и складирования шихтовых материалов.

3.4. Короба для дозировки шихтовых материалов.

153

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

3.5. Шихтозавалочное приспособление.

3.6. Плавильные печи (миксеры).

3.7. Газодинамические насосы, электромагнитные мешалки или иные устройства, обеспечивающие перемешивание расплава.

3.8. Устройства для фильтрации (пенокерамический фильтр не менее 40 рр1) и рафинирования расплава (аргоном) типа СНИФ.

3.9. Литейно-прокатный стан типа ВНИИМЕТМАШ для получения катанки.

3.10. Плавильный инструмент: ковши для отбора проб, скребки и т.д.

3.11. Термопары погружения хромель-алюмелевые, термопарные кабели и регистрирующие приборы с градуировкой ХА.

3.12. Печь для термической обработки, обеспечивающей равномерный прогрев бухты катанки в интервале температур 350 - 450 °С.

3.13. Аналитическое оборудование: световой и/или сканирующий электронный микроскопы, испытательная машина на разрыв, эмиссионный спектрометр, микроомметр.

4. Подготовительные операции

4.1. Распределить шихтовые материалы в специальные лотки раздельно по соответствующим группам.

4.2. Установить на лотках информационные таблички и указать на них номер партии шихты и её состав в соответствии с сертификатом качества.

4.3. Очистить шихтовые материалы от грязи, влаги, масел, следов коррозии.

4.4. В соответствии с шихтовым маршрутом рассчитать шихту для приготовления сплава А12гЕ, исходя из условий следующего рекомендованного содержания компонентов в сплаве (табл.2).

Таблица 2

Рекомендованный химический состав сплава А12гЕ по легирующим элементам

Zr Fe Si AI

0,22 0,18 0,06 Основа

4.5. Подготовленные шихтовые материалы загрузить в дозировочные короба, взвесить нетто-массу шихты в соответствии с расчетом сплава А12гЕ (табл.2).

4.6. После прогрева тщательно окрасить весь плавильный инструмент защитной краской, рабочий слой футеровки желобов и других приспособлений, соприкасающихся с алюминиевым расплавом.

4.7. Провести прогрев пенокерамического фильтра, желобов металлопровода и других устройств для снижения тепловых потерь при литье алюминиевого расплава.

№

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

5. Приготовление расплава сплава АК£гЕ

5.1. Подготовить шихту для приготовления сплава А12гЕ из расчета содержания компонентов в сплаве в соответствии с табл. 2.

5.2. Температура подготовленного алюминиевого расплава (включая первичный алюминий и отходы собственного производства) для введения шихтовых материалов должна быть не ниже 800 °С.

5.3. При температуре алюминиевого расплава не ниже 800 °С вводить шихтовые материалы: лигатуры алюминий-железо (10 % Бе), алюминий - цирконий (10% Ъх) и алюминий-кремний (10%81). Допускается использование иных лигатур обеспечивающих заданный химический состав табл.1. Для более быстрого усвоения расплавом железа, кремния и циркония рекомендуется поддерживать температуру расплава в миксере не ниже 800 °С.

Погружаемая в расплав лигатура не должна приводить к снижению температуры расплава ниже 800 °С.

Для ускорения растворения рекомендуется перемешивать расплав с применением газодинамических насосов, электромагнитных перемешивателей или иных устройств. При необходимости контролировать растворение шихтовых материалов при помощи ручного инструмента.

Процесс растворения шихтовых материалов можно считать законченным, если на дне печи (миксера) и на поверхности расплава полностью отсутствуют твердые куски шихты.

После полного растворения шихтовых материалов следует дать выдержку в течение не менее 30 мин при 800 °С для выравнивания состава сплава. В случае длительного простаивания расплава рекомендуется использовать защитные покровные флюсы, обеспечивающие защиту поверхности от окисления. Все операции не должны приводить к снижению температуры расплава в миксере ниже 800 °С.

5.4. Отобрать и подготовить пробу для химического анализа в соответствии с ГОСТ 24231-80. При неудовлетворительном химическом составе расплава произвести необходимую корректировку, после чего повторно произвести отбор пробы.

5.5. Перед подачей расплава на кристаллизатор провести его рафинирование: фильтрацию через пенокерамический фильтр (не менее 40 рр1) и дегазацию аргоном в устройстве типа СНИФ.

6. Литье сплава А№гЕ

6.1. Передачу расплава из печи (миксера) в кристаллизатор осуществлять единым уровнем, исключая каскады, бурления, разрушения оксидной плены в металлопроводе.

■/94

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

6.2. Обеспечить минимальное снижение температуры жидкого металла на пути его следования от миксера до кристаллизатора, применяя теплоизолирующие материалы. Температура расплава сплава А^гЕ в лотке непосредственно перед кристаллизатором должна быть выше температуры начала образования первичных кристаллов фазы А^г, т.е. выше температуры

ликвидуса (Тип) для конкретного Ег-содержащего сплава, которая определяется

0 128

соотношением Тпч=885,9 С2г' , где Сгг - концентрация циркония в сплаве. В качестве справочного материала приведен расчет Тцч (программа ТИегтосак) в зависимости от концентрации циркония в сплаве (табл.3).Рекомендуемая температура расплава при концентрации циркония -0,22 % должна быть 740-750 С. В иных случаях провести корректировку в соответствии с приведенной формулой или таблицей 3.

Таблица 3

Расчетные значения ликвидуса в системе Al-Zr__

Концентрация циркония, масс. % Температура ликвидуса*, °С

0,1 660

0,2 720

0,25 741

0,3 758

0,4 787

0,5 812

0,6 830

* - расчет проведен в программе Thermocalc (база данных TTAL5)

6.3. Контроль температуры осуществлять при помощи термопары (в частности хромель-алюмелевой) непосредственно в миксере, лётке и лотке перед кристаллизатором.

6.4. Габариты слитка (трапеции), материал и температура кристаллизатора должны обеспечивать требуемую скорость охлаждения при кристаллизации - не менее 10 К/с.

6.5. Рекомендуемая температура воды на ходе в литейную машину - не выше 21 °С, а на выходе из литейной машины не выше 38 °С при обороте колеса 1,9 об/мин.

6.6. Контроль химического состава (прежде всего по содержанию циркония) необходимо осуществлять в начале, середине и конце плавки.

6.7. Контроль по содержанию водорода необходимо осуществлять в начале, середине и конце плавки после рафинирования в дегазаторе. Содержание водорода допускается определять непосредственно на полученной катанке сплава AlZrE.

7. Получение 9,5 мм катанки сплава AlZrE

7.1. Начальная температура заготовки (трапеции) на входе в прокатный стан должна быть не выше 500 °С.

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

7.2. Температура охлаждающей эмульсии в прокатном стане должна быть не

выше 40 °С.

7.3. Катанку наматывать в бухты одним отрезком от 800 до 1200 кг.

7.4. Температура верхнего повива катанки после окончания намотки бухты должна быть не выше 300 °С.

8. Термическая обработка сплава AlZrE

8.1. Термическую обработку проводить в электрических печах сопротивления в воздушной атмосфере (желательно с принудительной циркуляцией воздуха), обеспечивающих точность поддержания температуры не хуже 5 К.

8.2. Катанку сплава AlZrE рекомендуется термообрабатывать, используя специальный двухступенчатый отжиг:

1) первая ступень отжиг при 345 - 355 °С в течение не менее 3 ч,

2) вторая ступень отжига при 440 - 455 °С в течение не менее 7 ч.

8.3. Термической обработке следует подвергать только годные бухты катанки (см. п.9 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА).

8.4. Контроль температуры осуществлять при помощи термопары (в частности хромель-алюмелевой) и соответствующей измерительной аппаратуры, обеспечивающей заданную точность. Желательно применение записывающих устройств, фиксирующих изменение температуры в процессе термообработки. Отчет времени начинать при полном прогреве бухты катанки. Перед началом отсчета времени термообработки необходимо убедиться, что перепад температур в печи находится в заданных пределах.

8.5. Допускается предварительный нагрев печи до 350 °С с последующей загрузкой бухт катанки в печь.

8.6. Время нагрева до заданной температуры и перерыв между первой и второй ступенями не лимитируются. Допускается проводить нагрев и выдержку на каждой ступени в несколько этапов (промежуточное охлаждение на воздухе).

8.7. Скорость охлаждения бухт катанки после термообработки не лимитируется.

9. Контроль качества

Химический состав плавок на специально отобранных образцах определять по ГОСТ 25086, ГОСТ 11739, ГОСТ 7727. Механические свойства определять в соответствии с ГОСТ 1497. Удельное электрическое сопротивление в соответствии с ГОСТ 7229-76. Допускается определение химического состава, механических свойств и удельного электрического сопротивления другими методами, не уступающими по точности стандартным. 9.1.0сновнымикритериями качества расплава сплава AlZrE являются:

а) соответствие химическому составу в соответствии с требованиями табл.1 и рекомендациями табл.2.

/93

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

б) соответствие требованиям по содержанию водорода (допустимое содержание водорода не выше 0,24 г/см3). Контроль химического состава и содержание водорода необходимо осуществлять в начале, середине и конце плавки после рафинирования в дегазаторе.

9.2.0сновнымикритериями качества литой заготовки (трапеции) сплава AlZrE являются:

а) отсутствие дефектов литейного происхождения, выявляемых невооруженным глазом (трещины и крупных поры (особенно в центральной части темплета трапеции), неполное заполнение формы кристаллизатора, нарушении геометрии и т.д.);

б) отсутствие дефектов, выявляемых микроструктурным анализом (наличие первичных кристаллов фазы A^Zr, иглообразных железистых включений, окисные плены, микротрещины, поры и т.д.). Пример эталонной и дефектной структуры приведен на рис. 1 Приложения А.

Металлографический контроль литой заготовки сплава AlZrE рекомендуется проводить на световом или электронном сканирующем микроскопе при малых (х 100-200) и больших увеличениях (не менее х500). На стадии освоения серийного производства структурный контроль литой заготовки (трапеции) рекомендуется проводить в начале и конце каждой плавки.

Шлифы для анализа под световым микроскопом (СМ) рекомендуется готовить механической полировкой с последующим травлением в 1% растворе HF в воде или с использованием электролитической полировки. Шлифы для сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) предпочтительнее готовить электролитической полировкой. Это позволяет более надежно определять морфологию и размеры вторых фаз. Электролитическую полировку рекомендуется проводить в электролите следующего состава: 6 частей спирта С2Н5ОН, 1 часть хлорной кислоты НСЮ4 и 1 часть глицерина, при напряжении 10-12 В и температуре не более 15 °С. Возможно использование электролитов и других составов, обеспечивающих соответствующее качество шлифа.

9.3.0сновнымикритериями качества исходной (нагартованной) катанки сплава AlZrE являются:

а) отсутствие поверхностных дефектов литейного происхождения, выявляемых невооруженным глазом; соответствие диаметра и овальности катанки,

б) дополнительным критерием качества нагартованной катанки сплава AlZrE является достижение следующего уровня механических свойств:

временное сопротивление не менее 140 МПа;

относительное удлинение не менее 8 %.

9.4.Основными критериями качества термообработанной катанки сплава AlZrE являются:

а) механические свойства и значение удельного электрического сопротивления:

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

- Временное сопротивление (не менее): 120 МПа;

- Относительное удлинение (не менее): 15 %;

- Удельное электрическое сопротивление: 28,5 мкОм-мм.

- Присутствие вторичных выделений фазы А^г (Ы2) с размером 10-20 нм в структуре катанки. Пример эталонной тонкой структуры 9,5 мм катанки А\-7г сплава приведен на рис.3

б) подтверждение достижения заданной термостойкости на проволоке, полученной из термообработанной катанки (сохранение исходных свойств проволоки - не менее 90 %);

в) отсутствие в структуре излома дефектов с размером более 5 мкм (неметаллических включений) испытанного образца проволоки (п.п. б) п.9.4). Пример эталонной и некондиционной структур приведен на рис.2 Приложения А.

На стадии освоения серийного производства рекомендуется осуществлять контроль достижения заданной термостойкости на проволоке каждой плавки.

10. Использование бракованных литых заготовок и катанки

10.1. Литая заготовка и катанка, бракованные не по химическому составу (нарушение геометрии, неслитины, повышенная пористость, грубая микроструктура и т.д.), могут быть использованы в качестве шихты при последующих выплавках сплава AlZrE.

10.2. Литая заготовка, бракованная по химическому по составу, может быть использована в качестве шихты при необходимой корректировке химического состава.

10.3. Литая заготовка и/или катанка, бракованная из-за наличия неметаллических включений может быть использована в качестве шихты при необходимом рафинировании.

10.4. Бракованную термообработанную катанку подвергать повторному отжигу при 450 °С если:

- временное сопротивление катанки не ниже 140 МПа;

- если температура на первой ступени соответствовала345-355 °С, а на второй ступени - ниже 440 °С).

- если температура на первой ступени превышала 350 °С, то катанка может быть использована в качестве шихты при последующих выплавках сплава AlZrE.

11. Требования безопасности при получении катанки сплава AlZrE

Все работы, связанные с выполнением технологических операций по выплавке и литью сплава AlZrE, должны соответствовать «Правилам по охране труда в

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1

литейном производстве» (ПОТ Р М-002-97) и инструкции по технике безопасности при работе в плавильных цехах.

Все работы, связанные с выполнением технологических операций по термической обработке сплава AlZrE, должны соответствовать «Межотраслевым правилам по охране труда при термической обработке металлов» (ПОТ Р М-005-97) и инструкциям по технике безопасности на производстве. Все производственное оборудование должно соответствовать требованиям ГОСТов 12.1.012, 12.1.019, 12.1.030, 12.2.003, 12.2.007, 12.2.049, 12.2.064, 12.3.002, 12.3.027.

НИТУ «МИСиС» ТР-171213 -002-02066500-2013 Проект

Выпуск 1