» » Непрерывное литье слитков из цветных металлов
23.04.2015

Сущность способа (рис. 125) состоит в том, что жидкий металл непрерывно поступает в специальную водоохлаждаемую изложницу — кристаллизатор или электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), придающие слитку надлежащее поперечное сечение, а затвердевший слиток непрерывно вытягивается из кристаллизатора. Кристаллизатор может представлять собой неподвижную изложницу с подвижным дном, роль которого выполняет поддон или слиток, устройство с постоянно движущимися стенками (валки, колесо с бесконечной лентой гусеничного типа и др.) или магнитную яму, контур которой создается электромагнитным индуктором, а подвижное дно — поддоном или слитком. Наиболее широкое применение в отечественной промышленности получили кристаллизаторы первого типа.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Непрерывное литье осуществляют на специальных установках, обеспечивающих спокойное опускание или вытягивание слитка с постоянной скоростью. В зависимости от направления вытягивания слитка (расположения оси кристаллизатора) эти установки делят на два вида — установки вертикального или горизонтального непрерывного литья (рис. 126). В начале литья в кристаллизатор на половину высоты вводят затравку или поддон, на них заливают жидкий металл и, когда он начнет кристаллизоваться, включают машину.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

При непрерывном литье получаемый слиток на ходу разрезается на мерные заготовки, процесс происходит непрерывно, пока имеется жидкий металл. В практике же работы большинства предприятий процесс литья прекращают после отливки считка длиной 2—7 м, а затем начинают вновь. Этот процесс называют полунепрерывным литьем. С точки зрения хода затвердевания металла оба процесса совершенно одинаковы, поэтому при описании кристаллизации и ее особенностей будем применять один. Термин «непрерывное литье».
Основная часть любой установки непрерывного литья сплошных круглых слитков — кристаллизатор. Различают два вида кристаллизаторов — высокие и низкие (рис 127). Кристаллизаторы первого вида имеют высоту Н, в несколько раз превышающую поперечный размер слитка (диаметр D или толщину). В этих кристаллизаторах охлаждение слитка происходит только через стенку, как в изложнице. Высота низких кристаллизаторов не превышает 1,5 диаметра или толщины слитка. Охлаждение слитка осуществляется не только через стенку, но и непосредственно водой, подаваемой на слиток по выходе из кристаллизатора или из специального трубчатого коллектора, охватывающего кристаллизатор по его периметру. Скорость охлаждения в высоких кристаллизаторах значительно меньше, чем в низких. В настоящее время для литья цветных сплавов применяют в основном низкие кристаллизаторы.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Выбор высоты кристаллизатора обусловливается составом сплава, его технологическими свойствами, размерами и конфигурацией слитка. Для литья сплавов, предрасположенных к возникновению больших термических напряжений и образованно трещин при быстром охлаждении, лучше применять высокие кристаллизаторы.
Внутренняя рабочая часть кристаллизатора выполняется из меди, твердых алюминиевых сплавов, гранита, т. е. материалов с хорошей теплопроводностью, необходимой прочностью и хорошо полирующихся, так как чистота поверхности слитка в значительной мере определяется качеством полировки рабочей поверхности кристаллизатора.
Кристаллизаторы для отливки полых слитков отличаются от кристаллизаторов для литья круглых слитков наличием водоохлаждаемого стержня, образующего внутреннюю полость.
В настоящее время широко применяют отливку слитков в электромагнитные кристаллизаторы (ЭМК), конструкция которых разработана в бывш. Советском Союзе. Использование ЭМК позволяет получать слитки без ликвационных наплывов, неслитин, трещин и других поверхностных дефектов и исключить механическую обработку их перед горячим деформированием.
Полунепрерывное литье слитков ведут на машинах различных конструкций. Широко применяют роликовые машины (рис. 128, а), в которых слиток перемещается с помощью одной или нескольких пар роликов. Ролики прижимаются к слитку с большим усилием прижимным устройством. Машины этого типа наиболее просты и дешевы, однако при литье возможен перекос, который вызывает искривление слитка. Большое распространение получили тросовые (рис. 128, е) и цепные (рис. 128, г) машины. Поддон, на котором находится слиток, прикреплен в этих машинах к тросам или цепям. На этих машинах получают слитки длиной 5—7 м. Для получения слитков небольшой длины (1,6—3 м) используют гидравлические и винтовые машины (рис. 128, в). Поддон у таких машин установлен либо на мощном винте, либо на траверсе с вмонтированной в нее гайкой, либо на штоке гидравлического цилиндра. Во всех машинах последних трех типов обычно устанавливают два электродвигателя — один для рабочего хода, другой — для холостого (для подъема поддона). Скорость холостого хода в несколько раз больше рабочего. Машины всех перечисленных типов имеют систему передач, позволяющую подбирать нужную скорость движения для разных по размерам слитков. Достигается это с помощью либо вариатора, либо сменных шестерен или шкивов.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Для непрерывного литья используют только роликовые машины, так как все другие конструкции не позволяют получать слиток бесконечной длины.
Способ вертикального непрерывного литья обусловливает в характере затвердевания слитков ряд закономерностей, установленных В.И. Добаткиным и В.А. Ливановым применительно к литью цилиндрических слитков алюминиевых сплавов с непосредственным охлаждением водой. Кристаллизация металла начинается от стенок кристаллизатора немного ниже открытой поверхности. По мере опускания слитка твердая корка постепенно утолщается, наконец, кристаллы достигают центральной оси слитка, и он оказывается затвердевшим. Это происходит обычно несколько ниже нижней кромки кристаллизатора. Таким образом, в верхней части слитка, находящейся в кристаллизаторе, постоянно сохраняется жидкий металл. Объем, занимаемый им, называется лункой. Нижняя граница лунки, т е, фронт (поверхность) кристаллизации, в общем случае имеет форму конуса и при установившемся процессе литье сохраняет форму и не меняет положения в пространстве (рис 129).
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Закон постоянства формы лунки выражается отношением vк = vл cos α, где — скорость кристаллизации, мм/мин; vл — скорость извлечения слитка, мм/мин; α — угол между направлениями кристаллизации и движения слитка. Температура металла в лунке практически равна (на 2—3° выше) температуре кристаллизации чистых металлов и температуре ликвидуса сплавов; она не зависит от скорости и температуры литья.
Наличие лунки в верхней части слитка обеспечивает надежное питание усадки, так как жидкий металл свободно подтекает к фронту кристаллизации, и усадочные пороки в виде раковин, рыхлоты и пористости возникать не могут.
В цилиндрических слитках лунка имеет форму перевернутого колокола (рис. 129, а). У края слитка поверхность фронта кристаллизации вогнута внутрь, на расстоянии 0,37 радиуса кривизна меняется на обратную, фронт становится выпуклым. В центре угол наклона фронта становится равным нулю, т е. дно лунки плоское.
С повышением теплопроводности сплава и уменьшением его энтальпии глубина лунки уменьшается. Для получения качественных слитков глубина лунки не должна быть слишком большой, иначе выход газа, всплывание неметаллических включений и питание усадки затрудняются. Практика литья слитков легких сплавов показала, что оптимальная глубина лунки, обеспечивающая получение плотного слитка, составляет около 2/3 диаметра слитка.
Кроме лунки, представляющей собой полностью жидкую область при не прерывном литье сплавов, кристаллизующихся в температурном интервале, имеется еще переходная твердо жидкая область Она ограничена изотермами ликвидуса и солидуса. Протяженность этой области в вертикальном направлении увеличивается от краев к центру слитка. Существование этой переходной области предопределяет развитие пористости в слитках непрерывного литья Если ширина твердо-жидкой области достигает большой величины, то поступление расплава для питания усадки затрудняется, и в итоге появляется усадочная дендритная пористость. Ширина переходной области зависит от многих факторов и поэтому трудно поддается аналитическому описанию. Обнаружено, что увеличение скорости литья приводит к соответствующему возрастанию размеров двухфазной переходной зоны. Чем больше поперечный размер слитка, тем больше относительный объем переходной зоны.
Затвердевание заготовок при горизонтальном непрерывном литье по сравнению с вертикальным имеет ряд особенностей. Имеет место отставание начала затвердевания заготовки в верхней части кристаллизатора, обусловленное термоконвективными потоками, в результате которых температура металла в этой части кристаллизатора оказывается более высокой, чем в нижней. Величина запаздывания (Δh) увеличивается с увеличением скорости литья vл (v1, v2, v3) и радиусом заготовки (см. рис. 129, б):
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Центр затвердевания заготовки смещается относительно геометрического кверху на величину ΔR (см. рис. 129). С увеличением диаметра слитка величина ΔR увеличивается, а с повышением скорости литья уменьшается. Максимальная величина смещения не превышает 10 % от диаметра заготовки.
Затвердевание заготовки при горизонтальном непрерывном литье существенно отличается от затвердевания при вертикальном непрерывном литье. Поверхность (фронт) кристаллизации в процессе вытягивания заготовки и во время остановок периодически изменяется; происходит обрыв корочки заготовки с образованием зависших участков, образующих дополнительные зоны кристаллизации.
Для слитков непрерывного литья характерны значительные внутренние термические напряжения. Как уже отмечалось, подобные напряжения появляются вследствие наличия разницы температур у отдельных слоев и участков слитка в период затвердевания и охлаждения. Возникающие напряжения могут достигать такой величины, что в слитке появляются трещины. Трещины могут быть холодными и горячими. Как правило, горячая трещина является источником, из которого затем развивается холодная трещина. Самостоятельные холодные трещины могут появляться при охлаждении слитков и после литья, при хранении.
В круглых слитках наблюдаются трещины двух типов: внутренние — радиальные (круговые и поперечные) и поверхностные радиальные (рис. 130). Внутренние трещины появляются при излишне большой скорости литья, когда разница в температуре внутренних и наружных слоев становится очень большой. Внутренние слои в ходе затвердевания и охлаждения стремятся сократить раз меры, этому препятствуют наружные более холодные и потому более прочные слои, и внутренние слои оказываются под действием растягивающих напряжений. Во избежание появления внутренних трещин уменьшают скорость литья и интенсивность охлаждения (применяют высокие кристаллизаторы, используют сжатый воздух вместо воды для непосредственного охлаждения слитка).
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Поверхностные радиальные трещины возникают при слишком малой скорости литья, когда лунка неглубокая и заканчивается выше уровня, где вода непосредственно попадает на слиток. Температура наружных слоев, попавших в зону сильного охлаждения, резко понижается, слои начинают сокращаться, но этому препятствует уже затвердевшая сердцевина. В результате наружные слои оказываются растянутыми, и в них могут появиться трещины. При дальнейшем охлаждении деформация растяжения в наружных слоях сменится сжатием, и возникшие трещины закроются, так что в литом металле рассмотреть их можно с трудом. Образование поверхностных трещин — характерный пример случая, рассмотренного в разделе о напряжениях, когда обычная схема (растяжение внутренних и сжатие наружных слоев) временно изменяется на обратную. Это происходит из-за того, что первоначальная разность температур, существовавшая в момент формирования внутренних слоев и затем непрерывно уменьшавшаяся, резко возросла и превысила исходное значение (слиток выходит из кристаллизатора и непосредственно охлаждается водой). Затем разница температур вновь начинает уменьшаться и при полном охлаждении слитка достигает нуля. Уменьшение разницы температур в наружных и внутренних слоях обусловливает сжатие первых и растяжение вторых. Для предотвращения образования поверхностных трещин несколько увеличивают скорость литья.
В плоских слитках возникающие, напряжения могут вызывать трещины, расположение которых показано на рис. 131. Причины их появления те же, что и в круглых слитках . Кроме того, в плоском слитке металл возле узких граней охлаждается быстрее, чем у широких граней. Эта неравномерность является дополнительной причиной появления трещин
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Необходимо отметить, что образование трещин в слитках в очень сильной степени зависит от равномерности подачи металла в кристаллизатор и охлаждающей воды на слиток. Кроме того, понятно, что чем больше поперечные размеры слитка, тем больше опасность появления трещин. На небольших слитках трещины появляется очень peдко. Появление трещин во многом зависит от свойств самого металла Малопластичные при обычных температурах сплавы склонны к холодным трещинам. Склонность к горячим трещинам тесно связана с составом сплава, его пластичностью выше солидуса, величиной зерна, газонасыщенностью расплава и прочими факторами.
Направленное затвердевание металла и интенсивный отвод тепла при непрерывном литье способствуют получению более плотных слитков и ограничивают возможность образования в них усадочных раковин и пор по сравнению с литьем в водоохлаждаемые изложницы. Метод непрерывного литья слитков в настоящее время интенсивно развивается как в направлении освоения новых сплавов, так и в направлении повышения качества крупных слитков Практически всю массу слитков из алюминиевых и магниевых деформируемых сплавов отливают непрерывным способом При этом диаметры слитков достигают 1,5 м, а сечение плоских слитков 0,6x1,6 м.
Поверхность слитков, полученных способом непрерывного литья в кристаллизаторы скольжения, как правило, хуже, чем слитков из изложниц. Улучшения качества поверхности достигают применением полированных кристаллизаторов и смазки и электромагнитных кристаллизаторов. В большинстве случаев для смазки используют касторовое или трансформаторное масло, наносимые на рабочую поверхность кристаллизатора до начала и во время литья
Важными и далеко еще не решенными проблемами при непрерывном литье слитков крупного сечения являются низкая плотность центральных зон, зональная ликвация (неоднородность химического состава в наружных и центральных зонах слитка) и образование термических трещин. Повышения плотности и снижения зональной неоднородности в большинстве случаев достигают увеличением скорости охлаждения, но при литье слитков большого сечения интенсивное охлаждение приводит к появлению больших термических напряжений. Эти напряжения тем больше, чем больше площадь поперечного сечения слитка. Поэтому получить качественные слитки диаметром более 800 мм непрерывным литьем очень трудно Для этого более целесообразен метод погружения.
Кроме обычного способа непрерывного литья, для получения литых заготовок небольшого сечения применяют ряд своеобразных способов. Один из них — получение литой проволочной заготовки из алюминиевых сплавов диаметром 6—8 мм — предложил В.Г. Головкин в 1943 г.
Установка для получения литой проволоки состоит из печи, роликов с системой охлаждения и барабанов для намотки литой проволоки (рис. 132). Емкость печи 0,5—1,0 м3, глубина ванны 100—150 мм. В ванне имеется перегородка, отделяющая загрузочную камеру от разливочной, в которую металл перетекает через отверстие в перегородке у подины. Назначение перегородки состоит в удержании шлака и предотвращении колебаний уровня расплава при загрузке. Металл вытекает из разливочной камеры через отверстия в асбошиферных матрицах; число отверстий достигает 8—12. Отверстия в матрицах располагаются на расстоянии около 5 мм от уровня расплава в печи. Это расстояние должно строго соблюдаться, так как скорость движения затвердевающей заготовки должна быть точно равна скорости истечения расплава. Поэтому загрузку производят мелкими специально отливаемыми чушками. Вытекающая из матрицы струя металла попадает под сильное водяное охлаждение, образующаяся заготовка подхватывается приемным роликом и далее 3—4 парами тянущих роликов. После роликов заготовка наматывается на барабан.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов

Литье алюминиевых сплавов ведут обычно при 700—710°С со скоростью 30—45 м/ч. Полученная заготовка имеет довольно грубую структуру, кристаллы вытянуты вдоль заготовки. После литья ведут отжиг и затем волочение. Описанный способ получения проволочной заготовки кажется на первый взгляд малопроизводительным и трудоемким. Однако если учесть общие затраты труда, времени, электроэнергии и материалов, которые необходимы для производства слитков, резки их на заготовки, нагрева и прессования, то преимущества его налицо.
Для производства литых заготовок малых сечений из алюминия и некоторых его сплавов применяют способы, предложенные Проперци и Ригамонти, Отличительная черта обоих способов состоит в том, что металл 1 заливается на обод шкива, где имеются канавки или ручьи Через шкив перекинута стальная гибкая лента, закрывающая канавки на ободе (рис. 133). Заливка производится на участке, где лента набегает на шкив На противоположном участке выходит твердая заготовка 2 трехгранного сечения на машинах Проперци и прямоугольного в вице полосы на машинах Ригамонти. Лента и обод шкива, где происходит кристаллизация, обильно охлаждаются водой. Во многих случаях получаемая заготовка сразу же идет на многоклетевой стан непрерывной прокатки. Диаметр рабочего шкива составляет 90—1000 мм толщина стальной ленты 1,5 мм. Заготовку трехгранного сечения (сторона равна 22 мм) отливают со скоростью 6—9 м/мин, полосу сечением 15x200 мм — со скоростью 12 м/мин. Главное преимущество отливки малогабаритных заготовок состоит в том, что литье их обходится значительно дешевле, чем литье крупных слитков, кроме того, устраняется необходимость в мощных прессах, используемых для обработки давлением этих крупных слитков.
Непрерывное литье слитков из цветных металлов