Роль распределителей расплава в кристаллизаторе при полунепрерывном литье слитков алюминиевых сплавов

УДК 621.74.047:669.715

РОЛЬ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ РАСПЛАВА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ ПРИ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ СЛИТКОВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В.П. Ефремов, А.Ю. Сухих, канд. техн. наук

Рассмотрены вопросы гидродинамики в лунке кристаллизатора. Показано влияние распределителя металла при полунепрерывном литье на качество слитка.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, полунепрерывное литье, распределительные воронки, структура слитков, качество профилей.

The Role of Melt Distributors in a Mould in the Case of Semicontinuous Casting of Aluminium Alloy Ingots. V.P. Yefremov, A.Yu. Sukhikh, V.M. Zamyatin, G.A. Suslov.

Problems of hydrodynamics in the molten pool in a mould are discussed. The effect of melt distributors on the ingot quality in the case of semicontinuous casting is shown.

Key words: aluminium alloys, semicontinuous casting, melt distributing boxes, ingot structure, shape quality.

Качество слитков алюминиевых сплавов, отливаемых полунепрерывным методом, существенно зависит от характера течения расплава до кристаллизатора и от распределения расплава в лунке слитка. В 60-70-е годы прошлого века для распределения расплава в кристаллизаторе широкое распространение на ВСМОЗе получили чугунные распределительные воронки с боковыми отверстиями 0 8-10 мм. Во избежание смачивания их алюминиевым расплавом и попаданий включений графита из чугуна в слиток [1] литейные распределительные воронки покрывали жидким стеклом, которое впоследствии было заменено мелом.

Для строительства самолетов Ил-96, Ту-160, Ан-124, Ту-204, Ту-214 потребовались длинномерные панели и профили из высоколегированных алюминиевых сплавов серий 2ххх и 7ххх, получение которых было возможно только из крупногабаритных цилиндрических слитков диаметром 680, 845, 960, 1200 мм и плоских слитков поперечным сечением 450x1200 мм, 550x1470 мм. В процессе освоения технологии литья крупногабаритных цилиндрических слитков на ВСМОЗе появились новые распределительные воронки из асботермосиликата, разра-

ботанные в ВИЛСе. Воронки из асботермоси-ликата не смачивались расплавом, но при контроле макроструктуры слитков было обнаружено большое количество крупных зерен и участков с веерной структурой, не допустимых в длинномерных изделиях.

Одним из методов получения мелкозернистой и однородной по сечению слитка структуры является модифицирование расплава лигатурами, содержащими бор (например, Д1—5Т|—1В). Однако ограничение на введение лигатур, содержащих бор, в алюминиевые сплавы авиационного назначения требует поиска альтернативных путей получения однородной структуры слитков.

Образованию веерной структуры в слитках способствует высокий температурный градиент в жидкой ванне кристаллизующего слитка вблизи фронта затвердевания и спокойное состояние расплава в лунке. Механическое перемешивание расплава в лунке кристаллизующегося слитка помогает устранению образования веерной структуры. Однако из-за возможности замешивания оксидных плен в лунку кристаллизующегося слитка широкого распространения такая технология не получила. Из существующих способов предотвращения образования веерной структуры в слит-

ках наиболее простым является струйное перемешивание расплава в лунке [2]. Реализация его осуществляется за счет создания направленного движения расплава в лунке струйками, выходящими из боковых отверстий распределительной воронки. Анализ конструкции существующих распределительных воронок показал, что скорости истечения расплава из отверстий распределительных воронок 0,09-0,17 м/с не обеспечивают получения слитков без веерной структуры. С использованием уравнения непрерывности потока рассчитали скорости истечения расплава из воронок в зависимости от диаметра и количества отверстий.

где V - скорость литья, м/ч;

Б - площадь сечения слитка, м2;

у0 - скорость истечения расплава из отверстий литейной распределительной воронки, м/с;

Э0- площадь одного отверстия литейной распределительной воронки, м2;

N - число отверстий в литейной воронке.

На основе расчетных данных сконструировали и изготовили воронки, обеспечивающие скорость истечения расплава из отверстий литейной воронки до 0,3 м/с. Воронки с различным диаметром и числом отверстий опробовали при отливке слитков 0 680 мм сплава В95пч.

Результаты контроля макроструктуры слитков 0 680 мм сплава В95пч полностью

подтверждают предположение об исключении условий образования веерной структуры при повышении скорости истечения расплава из отверстий литейной распределительной воронки (табл. 1). С достижением скорости истечения расплава из отверстий литейной распределительной воронки более 0,23 м/с веерная структура в слитках полностью отсутствует. Воронку, изготовленную по варианту 6 и обеспечивающую скорость истечения струек расплава 0,27 м/с, не использовали в дальнейшем из-за того, что возникали сложности с прохождением расплава через отверстия 0 4 мм в воронке.

С целью получения скорости истечения струек расплава в пределах 0,23-0,30 м/с в лунку кристаллизующихся слитков диаметром от 200 до 1200 мм, обеспечиваемой литейной воронкой с отверстиями диаметром 67 мм, провели расчет количества отверстий по эмпирической формуле:

где N - число отверстий; К - коэффициент, равный:

19 - для слитков 0 800 мм и более; 18 - для слитков 0 500-799 мм; 16 - для слитков 0 300-499 мм; 14 - для слитков 0 <300 мм; О - диаметр отливаемого слитка, мм; у - скорость литья слитка, м/ч.

На рис. 1 представлена номограмма для определения количества отверстий 0 7 мм в

Таблица 1 Влияние диаметра выходных отверстий и скорости истечения расплава из распределительной воронки на макроструктуру слитков 0 680 мм сплава В95пч

Вариант Диаметр выходного отверстия, мм Число отверстий Скорость истечения, м/с Отлито слитков, шт. Результаты контроля макроструктуры

с веером единичные крупные зерна удовлетворительные

шт. % шт. % шт. %

1 10 15 0,09 4 4 100 0 0 0 0

2 10 12 0,11 168 73 43,5 95 56,5 0 0

3 8 15 ОДЗ 11 1 9,1 10 90,9 0 0

4 8 12 0,17 23 2 8,7 21 91,3 0 0

5 7 12 0,23 64 0 0 20 31,3 44 68,7

6 4 30 0,27 1 0 0 1 100 0 0

7 6 12 0,30 45 0 0 16 35,6 29 64,4

воронке в зависимости от диаметра отливаемых слитков.

Рис. 1. Номограмма для определения числа отверстий 0 7 мм в литейной распределительной воронке в зависимости от диаметра отливаемых слитков

В результате проведенной работы была снижена вероятность образования веерной структуры по всему сечению крупногабаритных слитков. Однако при использовании чугунных распределительных воронок на их донной части могут образовываться обедненные кристаллы, которые затем, попадая в слиток, обусловливают неоднородность его макроструктуры [1]. Кроме того, при многократном использовании воронки происходит постепенное размывание отверстий, что приводит к снижению скорости истечения расплава. В начале 90-х годов на нашем предприятии получили распространение распределительные воронки, выполненные из тита-

новых сплавов ПТЗМ, ПТ7М, ОТ4-0. Основные преимущества и недостатки чугунных и титановых литейных распределительных воронок представлены в табл. 2.

При отливке слитков на поверхности воронок независимо от материала воронок происходит образование настылей. Вторичный разогрев воронок в процессе литья слитков приводит к отрыву настылей и замешиванию их в кристаллизующийся расплав. Впоследствии при ультразвуковом контроле полуфабрикатов обнаруживаются дефекты, инициаторами которых являются оксидные плены и шлаковые включения.

Для защиты воронок от воздействия расплава на предприятии до 2005 г. применяли известковый раствор. Последний в качестве защитного покрытия воронки не обеспечивал требуемой степени защиты материала воронки от воздействия алюминиевого расплава.

С целью защиты материала воронки от взаимодействия с алюминиевым расплавом опробовали три способа химико-термической обработки [3]: карбидизацию, циркона-цию, борирование.

Для карбидизации использовали титановую прямоугольную «щелевую» воронку, предназначенную для отливки плоских слитков восьмигранного сечения 310x1110мм. Данный вид покрытия увеличил стойкость литейной воронки в 5 раз по сравнению с серийной технологией. В дальнейшем произошло зара-

Таблица 2 Преимущества и недостатки чугунных и титановых воронок

Чугунные воронки Титановые воронки

Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки

1. Простота в изготовлении. 2. Высокая теплопроводность материала 1. Доработка воронок в условиях цеха: - механическая обработка поверхности; - дополнительное изготовление ручек для фиксирования воронки в кристаллизаторе. 2. Чувствительность материала к изменению температуры (нагрев, охлаждение) 1. Стойкость материала к многократным теплосменам (нагрев, охлаждение). 2. Наличие отходов, идущих на изготовление воронок. 3. Большая стойкость отверстий к размыванию алюминиевым расплавом 1. Применение сварки при изготовлении воронок. 2. Низкая теплопроводность материала. 3. Высокая стоимость материала

Рис. 2.

а

стание нижнеи поверхности воронки конгломератом.

Воронка с нанесенным покрытием из оксида циркония (7г02) через подслой молибдена показала более высокую стойкость защитного слоя к расплаву. В процессе эксплуатации воронки, подвергнутой цирконации, происходил отрыв отдельных фрагментов покрытия .

Воронки с вышеуказанными покрытиями не нашли серийного применения при отливке слитков из-за сложности нанесения и низкой их стойкости при эксплуатации, а также из-за большой вероятности попадания частичек покрытия в лунку кристаллизующегося слитка.

Борирование - технологический процесс насыщения поверхности нитридом бора [3], направленный на повышение твердости, износостойкости и жаропрочности материала. Для нанесения покрытия (нитрид бора) на поверхность литейной распределительной воронки применяли аэрозольный баллон марки «В-Б1:ор» фирмы СопСа1 Покрытие обладает следующими преимуществами:

- защищает инструмент от воздействия жидкого металла;

- противостоит температурам свыше 1200 °С;

- способно высыхать на воздухе;

- имеет высокие свойства порошковых покрытий.

После проведения работы и до настоящего времени для защиты титановых литейных воронок от взаимодействия с алюминиевым расплавом применяют нитрид бора.

В промышленных условиях для распределения расплава в кристаллизаторе кроме титановых воронок (рис. 2, а) применяют также сачки из стеклосетки (рис. 2, б) марки ССФ 1,0-0 (табл. 3).

Способы распределения расплава в кристаллизаторе:

- титановая воронка; б - сачок из стеклосетки

Как видно из табл. 3, при распределении расплава в кристаллизаторе с помощью сачка из стеклосетки марки ССФ 1,0-0 увеличивается вероятность образования участков с веерными кристаллами и уменьшается вероятность образования единичных крупных зерен в слитках. При использовании титановой распределительной воронки наблюдается обратная картина.

В последнее время на отечественных заводах для распределения расплава в кристаллизаторе применяют зарубежные фильтры-распределители канального типа, а также комбинированные фильтры-распределители «Combo Bag» (комбобеги) производства фирм Kabert Industries, Pyrotek и др., состоящие из нескольких слоев (рис. 3, а) стекловолокон-ной ткани различного сечения [4]. Однако высокая стоимость и некоторые конструктивные недостатки [5] таких фильтров-распределителей ограничивают их использование. Для

Таблица 3

Преимущества и недостатки способов распределения расплава

Титановая распределительная воронка Сачок из стеклосетки

Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки

Снижение образования участков с веерной структурой

проведения эксперимента нами предложен фильтр-распределитель из плотной базальтовой ткани (рис. 3, б).

Рис. 3. Внешний вид фильтров-распределителей:

а - фирма Kabert Industries; б - Корпорация ВСМПО-АВИСМА

Основными задачами фильтровального мешка, установленного в кристаллизаторе, являются:

- задержание неметаллических включений, которые иногда образуются в результате турбулентности потока расплава в желобе на пути от пенокерамического фильтра до кристаллизатора;

- равномерное распределение расплава от центра к стенкам кристаллизатора.

Как видно на рис. 3, фильтры-распределители иностранного производства характеризуются тем, что имеют дополнительные отверстия для вертикального выхода расплава в глубь лунки кристаллизующегося слитка. В дальнейшем провели опытно-промышленное опробование фильтров-распределителей собственного изготовления при отливке цилиндрических слитков 0 680 мм сплава Д16ч.

Параллельно отливали аналогичные слитки с применением титановых распределительных воронок. Приготовление сплава Д16ч и отливку слитков осуществляли в литейном цехе Корпорации ВСМПО-АВИСМА на плавильно-литейном оборудовании, состоящем из 10-тонной электроплавильной печи типа САН, вакуумной раздаточной печи с электрическим обогревом, литейной машины с тросовым приводом. Ванны электрической печи и вакуумной раздаточной печи футерованы высокоглиноземистым алюминиевым малоцементным бетоном марки А11^агС 95, содержащим более 95 % А1203. При переливе из печи в вакуумную раздаточную печь расплав рафинировали плавленым криолитсодержа-щим флюсом. После снятия шлака расплав вакуумировали. Слитки отливали с фильтрацией расплава в восходящем потоке через пенокерамический фильтр марки РР1 40 и два слоя стеклосетки марки ССФ 1,0-0. Затем слитки гомогенизировали. Качество отлитых слитков оценивали по результатам исследования макроструктуры, излома, содержания водорода, по коэффициенту поглощения ультразвуковых колебаний. Полуфабрикаты, изготовленные из слитков, подвергали ультразвуковому контролю (УЗК) с контрольным отражателем 0 1,6 мм.

Металлографический анализ макроструктуры темплетов от слитков проводили в поперечном направлении. Травление макротемп-летов осуществляли методом погружения в водный раствор ЫаОН. После промывки в ванне с проточной водой макротемплеты осветляли в растворе азотной кислоты НЫ03. Установлено, что макроструктура слитков мелкозернистая и однородная по всему сече-нию(рис. 4 а, б) без участков с веерной структурой и единичных крупных зерен.

Излом слитков сплава Д16ч мелкозернистый и однородный по всему сечению, без наличия оксидных плен, шлаковых и других видимых невооруженным глазом включений. Содержание водорода определяли методом плавления в потоке инертного газа на приборе Н-т^ 2020 по ГОСТ Р 50965, а коэффициент поглощения ультразвуковых колебаний - на приборе типа УД2-12 по методике МР-46-40. Контроль качества металла проводили

б

Рис. 4. Типичная макроструктура

в центре и на 1/2 радиуса цилиндрического звуковых колебаний, механических свойств слитка. Результаты определения содержания приведены в табл. 4, 5. В результате УЗ-водорода, коэффициента поглощения ультра- контроля профилей дефекты не обнаружены.

Таблица 4

Показатели качества слитков сплава Д16ч, отлитых при использовании разных способов

распределения расплава в лунке

Способ распределения расплава Газосодержание, см3/100г Коэффициент поглощения ультразвуковых колебаний, дБ/см о , МПа в' о02, МПа -, % %

центр 1/2 радиуса

Титановая воронка 0,13 1,31 1,28 199 158 3,8 4,4

Фильтр-распределитель из базальтовой ткани 0,11 1,27 1,22 198 123 4,8 5,0

Требования НД 0,2 2,0 - - - -

Таблица 5

Показатели качества профилей из сплава Д16ч, изготовленных из слитков с разными способами распределения расплава в лунке

Способ распределения расплава Место отбора образца Продольное Поперечное Высотное

МПа МПа % МПа МПа % МПа МПа %

Титановая воронка Выходной конец 49.4 49.5 37,9 37,1 14,8 17,2 45,3 45,7 32,7 32,1 13,2 18,8 40,4 40,9 28,1 29,5 7,3 7,5

Утяжиный конец 49,5 49,2 37,6 36,9 14,4 15,6 46,9 45,3 34,1 33,1 17,2 15,6 41,5 41,5 29,3 28,7 8,0 7,5

Фильтр-распределитель из базальтовой ткани Выходной конец 47,5 48,0 35,1 35,6 16,8 16,0 46,1 45,7 31,9 32,3 21,6 17,6 39,3 39,1 28,8 28,1 8,5 8,5

Утяжиный конец 48,1 48,1 37,0 36,5 17,2 16,0 45,1 46,6 33,0 34,7 20,6 16,4 40,6 40,8 27,8 28,7 8,5 9,0

Требования НД 46 34 10 40 28 6 35 27 4

Выводы

1. Материал, состав защитного покрытия, количество и диаметр отверстий литейной распределительной воронки оказывают существенное влияние на показатели качества слитка из алюминиевых сплавов, отливаемых методом полунепрерывного литья.

2. Увеличение скорости выхода струек расплава из отверстий до 0,23-0,30 м/с, способствует устранению условий образования веерной структуры.

3. Для распределения расплава в кристаллизаторе изготовлен и опробован фильтр-распределитель из базальтовой ткани отечественного производства, который не уступает по своим характеристикам зарубежным аналогам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Добаткин В.И. и др. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Изд. 2-е. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

2. Замятин В.М., Мушников В.С., Малиновский Р.Р. и др. Устранение веерной структуры в крупногабаритных слитках из алюминиевых сплавов//Цветные металлы. 1989. № 12. С. 76-78.

3. Безъязычный В.Ф., Замятин В.Ю., Замятин А.Ю., Замятин Ю.П. Основы обеспечения качества металлических изделий с неорганическими покрытиями. - М.: Машиностроение,

2005. - 608 с.

4. Овсянников Б.В., Кожекин А.Е., Замятин В.М., Колобнев Н.И. Влияние металлургических и технологических факторов на склонность к образованию кристаллизационных трещин плоских слитков из алюминиевого сплава 1370// Цветные металлы. 2007. № 6. C. 91-94.

5. Кожекин А.Е., Дорошенко Н.М., Замятин В.М., Овсянников Б.В. Структура и химическая неоднородность в плоских слитках сплава 7075// Технология легких сплавов. 2007. № 1. C. 94-97.