СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКА ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF MAKING INGOTS FROM NONFERROUS METAL ALLOYS

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов и может быть использовано при производстве слитков.
Из существующего уровня техники известен способ модифицирования структуры литого металла, включающий ускоренную кристаллизацию на поверхности водоохлаждаемых валков-кристаллизаторов с последующей деформацией закристаллизовавшейся части (RU 2257419 C1, МПК C22F 1/04, 2005 г.).
Кристаллизация на поверхности валков с последующей деформацией позволяет получить высокие скорости охлаждения и, как следствие, измельчение зерненного строения слитка, однако требует сложной системы механических узлов, что приводит к усложнению всего процесса.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения слитка, включающий подачу расплава в индуктор, воздействие на расплав и удержание расплава от растекания в области кристаллизации переменным электромагнитным полем заданной частоты, охлаждение жидкости непосредственно на поверхности расплава и кристаллизацию слитка (SU 1375403А1, МПК B22D 11/01, 1988 г.).
Недостатком данного способа является то, что слитки, получаемые в процессе литья, имеют неоднородную структуру в объеме, так как скорость кристаллизации расплава на поверхности и в сердцевине слитка существенно различается (поверхность - 50 мкм, сердцевина 85 мкм).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества сплава, выражаемое в равномерном по сечению измельчении зерненного строения получаемого полуфабриката.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения слитка из сплавов цветных металлов, включающем подачу расплава в индуктор, воздействие на расплав и удержание расплава от растекания в области кристаллизации переменным электромагнитным полем заданной частоты, охлаждение слитка путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно на поверхность расплава и кристаллизацию слитка, согласно изобретению, частоту электромагнитного поля выбирают, исходя из выражения
где
γ - электропроводность расплава;
сл
r - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка, составляющий не более 20 мм;
0
µ - магнитная постоянная.
На фиг.1 схематично представлено устройство для реализации предлагаемого способа получения слитка из сплавов цветных металлов, на фиг.2 - структура сплава 01417М.
Представленное устройство содержит индуктор 1 и охладитель 2.
Способ получения слитка из сплавов цветных металлов осуществляют следующим образом. Индуктор 1, питаемый током заданной частоты, создает переменное электромагнитное поле. Охладитель 2 предназначен для подачи на расплав охлаждающей жидкости. Расплав металла 3 подается в область действия электромагнитного поля индуктора 1. Под действием электромагнитного поля в жидком металле 3 наводятся вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем приводит к возникновению электромагнитных сил. Потенциальная составляющая электромагнитных сил 4 удерживает расплав металла от растекания и позволяет исключить использование дополнительных форм для удержания, а вихревая составляющая приводит объем металла в движение по траектории 5. Посредством охладителя 2 непосредственно на расплав подается охлаждающая жидкость 6, за счет чего происходит ускоренная кристаллизация расплава металла 3 в зоне 7. Вынужденная конвекция, обеспечиваемая движением расплава металла по траектории 5, уравнивает условия охлаждения по всему сечению слитка. Расплав непрерывно затвердевает, образуя твердую фазу 8 слитка, и отводится из зоны действия электромагнитного поля.
Для обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности расплава рекомендуется использовать в качестве охладителя 2 спрей-охладитель. Высокий коэффициент теплоотдачи при использовании такой конструкции охладителя объясняется сбиванием паровой пленки, образуемой за счет вскипания охлаждающей жидкости при контакте с расплавом металла.
Выбор частоты электромагнитного поля производится с учетом электропроводности расплава и требований к геометрическим размерам получаемого слитка из условия
где
γ - электропроводность расплава;
сл
r - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка;
0
µ - магнитная постоянная.
Экспериментально было определено, что для получения эффекта ускоренной кристаллизации от быстрого охлаждения алюминиевого сплава радиус вписанной в отливаемый слиток сферы не должен быть более 20 мм. При увеличении радиуса больше указанного будет появляться неравномерность структуры в сечении по мере удаления от внешней поверхности, связанная с ухудшением условий охлаждения.
Таким образом, например, для получения слитка радиусом 5 мм из алюминиевого сплава 01417М на него воздействуют переменным электромагнитным полем с частотой
где
6
-1
γ=22·10 - электропроводность алюминиевого сплава 01417М в жидком состоянии (Ом·м);
сл
r=0,005 - радиус сферы, вписанной в отливаемый объем слитка, м;
0
-7
µ=4·π·10 - магнитная постоянная, Гн/м.
Устойчивое формирование слитка обеспечивается за счет выполнения двух условий:
1. положение зоны кристаллизации 8 должно быть в области наибольшей концентрации электромагнитных сил, например, для цилиндрического индуктора, на половине высоты индуктора;
2. необходимость соблюдения равенства электромагнитного давления (отношение электромагнитной силы к поверхности, на которую эта сила действует), создаваемого индуктором, и гидростатического давления, создаваемого объемом жидкого металла. Управление положением зоны кристаллизации при литье в цилиндрический индуктор возможно путем изменения скорости поступательного движения слитка.
Величина гидростатического давления зависит от высоты столба жидкого металла над зоной фазового перехода. Величина электромагнитного давления зависит от величины тока в индукторе. Следовательно, для обеспечения устойчивого формирования слитка заданной формы необходимо либо поддерживать постоянной высоту столба жидкого металла при постоянной величине тока, либо регулировать величину тока в индукторе при изменении высоты столба жидкого металла.
Данным способом из алюминиевого сплава 01417М были получены образцы радиусом 5 мм для исследования микроструктуры. Образцы имели мелкокристаллическую структуру с размером зерен от 10 до 15 мкм (фиг.2 и таблица 1).
Таблица 1
Размеры эвтектической составляющей сплава 01417М
d, мкм
5
10
15
20
n/N·100%
20
45
25
5
N - общее число замеров, n - количество значений структурной составляющей в определенном интервале размеров
Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
- позволяет получать отливки с размером зерна менее 20 мкм;
- удержание расплава электромагнитными силами позволяет исключить конструктивные элементы для создания формы полуфабриката;
- отсутствие промежуточного контакта (формы) между охлаждающей жидкостью и расплавом позволяет получить высокий коэффициент теплоотдачи с поверхности слитка и значительно увеличить скорость кристаллизации;
- воздействие на расплав электромагнитным полем позволяет создать профиль движения металла в объеме его жидкой фазы на поверхности зоны кристаллизации, обеспечивающий выравнивание условий охлаждения по сечению получаемого слитка.