СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ МЕДИ
METHOD OF CONTINUOUS HORIZONTAL CASTING OF COPPER

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии литейного производства, и может быть использовано для изготовления различных изделий (отливок), таких как: прутки, трубные заготовки и т.п.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен, например, способ непрерывного горизонтального литья металла, включающий приготовление расплава, подачу его в кристаллизатор и извлечение слитка путем шаговой вытяжки [а.с. СССР №1118477, заявл. 27.04.1983, опубл. 15.10.1984, МПК B22D 11/14].
Известный способ имеет следующие недостатки:
- экологическую опасность, возникающую из-за вредных выбросов в атмосферу газообразных продуктов литья;
- низкое качество изготавливаемых изделий, обусловленное неравномерностью структуры (поры, различные нежелательные включения и т.д.);
- высокую энергоемкость и трудозатраты при последующей обработке изделий (обдирка поверхностей и прокатка).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ непрерывного горизонтального литья меди, включающий приготовление расплава в печи с покрытием его поверхности слоем флюса - прокаленного древесного угля и созданием над расплавом атмосферы из угарного газа, кристаллизацию расплава в кристаллизаторе, шаговое вытягивание и подготовку полученных изделий для дальнейшей транспортировки и хранения.
Характеристики полученных изделий следующие:
2
- прочность на разрыв - не более 160 Н/м;
- пластичность - менее 30 %
[п. РФ №2027541, заявл. 30.06.1993, опубл. 27.01.1995, МПК B22D 11/14, B22D 11/04].
Способ-прототип не позволяет получать изделия с гарантированным качеством и максимальной производительностью (потери металла, например, при обдирке поверхностей изделий).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание экологически безопасного способа непрерывного горизонтального литья меди, позволяющего получать плотные отливки гарантированного качества при максимальной производительности и с одновременным расширением ассортимента изделий за счет математических расчетов технологических параметров процесса литья, обеспечивающих улучшение эксплуатационных характеристик готовых изделий.
В известном способе непрерывного горизонтального литья меди, включающем приготовление расплава в печи с покрытием его поверхности слоем флюса - прокаленного древесного угля и созданием над расплавом атмосферы из угарного газа, кристаллизацию расплава в кристаллизаторе, шаговое вытягивание и подготовку полученных изделий для дальнейшей транспортировки и хранения, согласно изобретению температуру расплава повышают поэтапно для осуществления следующих процессов:
- на I этапе - плавления меди;
- на II этапе - рафинирования и восстановления меди до содержания в ней кислорода не более 8 ppm с одновременной стабилизацией расплава по составу и температуре и выведением газообразных продуктов реакции; скорость, шаг и частоту шагов вытягивания рассчитывают в зависимости от вида получаемых изделий, ассортимент которых состоит из трубных заготовок и прутков различной конфигурации.
При непрерывном литье скорость вытягивания равна скорости литья. Увеличение скорости литья смещает лунку жидкой меди в сторону конца кристаллизатора и даже может вывести ее за его пределы, что приведет к вытеканию меди через кристаллизатор. Очевидно, что для устойчивой безопасной работы с возможно большей производительностью нужно соблюдать скорость литья такой, чтобы дно лунки было близко к концу кристаллизатора, но не выходило за его пределы.
Математические расчеты такого технологического параметра процесса литья, как скорость вытягивания, проводили с помощью компьютерной программы, составленной по методике, описанной к книге [Подбельский В.В. «Язык Сu++», М.: «Финансы и статистика», 2005]. Указанная компьютерная программа позволяет решить систему дифференциальных уравнений, в которых в качестве исходных данных использовали: 1) размер заготовки (наружный и внутренний диаметр трубы или наружный диаметр прутка), учитывая таким образом вид получаемого изделия, 2) исходную температуру расплава меди на входе в кристаллизатор и температуру готового изделия, 3) длину, внутренний и наружный диаметр кристаллизатора, 4) тепловые характеристики графита (теплоемкость и теплопроводность), 5) тепловые характеристики меди (теплоемкость и теплопроводность, табличные значения температуры кристаллизации и удельную теплоту плавления).
Теплофизическое описание процесса литья с помощью дифференциальных уравнений приведено в книге [A.M.Кац, Е.Г.Шадек «Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов» М.: Металлургия, 1983, с.17-43, уравнение (41)].
Непосредственной целью решения дифференциальных уравнений является нахождение температур в любой точке отливаемого прутка. По ним строили температурные кривые зависимости температуры на оси и на поверхности прутка и изотермы, изображающие, в частности, границу между жидкой и твердой медью, то есть форму и расположение лунки в кристаллизаторе.
Задавая в исходные данные набор скоростей литья, получали семейство указанных кривых, анализ которых позволял выбрать скорость, обеспечивающую близость координат дна лунки и конца кристаллизатора.
Шаг рассчитывали также, как и в прототипе [п. РФ №2027541, заявл. 30.06.1993, опубл. 27.01.1995, МПК B22D 11/14, B22D 11/04]. Частоту шагов определяли как отношение скорости вытягивания к величине шага.
Осуществление способа непрерывного горизонтального литья меди в заявляемых условиях обеспечивает его экологическую безопасность, повышает эксплуатационные характеристики изготавливаемых из бескислородной меди изделий с одновременным расширением их ассортимента. При этом исключаются последующие энергоемкие операции по обработке изделий: обдирка поверхностей и прокатка, вызывающие также потери металла, что позволяет судить о безотходном характере производства. Кроме того, математические расчеты параметров вытягивания и их реализация приводят к максимальной производительности предлагаемого способа.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Анализ патентной и научно-технической информации не выявил использования совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое решение, в известных объектах по их функциональному назначению для решения поставленной задачи. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Возможность реализации заявляемого изобретения в промышленных условиях отечественных предприятий металлургической промышленности свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
ПРИМЕР. Способ непрерывного горизонтального литья меди (Получение прутков диаметром 20 мм).
Для осуществления способа использовали следующие исходные материалы (шихту):
- медь катодная марок М0, M1 (ГОСТ 859-2001);
- качественные привозные отходы и лом меди, незагрязненные маслом и посторонними предметами, класс А, группа 1, сорт 1 (ГОСТ 1639).
Шихту загружали в индукционную печь и температуру расплава повышали поэтапно для осуществления следующих процессов:
- на I этапе - плавления меди при температуре 1084°С с покрытием поверхности расплава слоем флюса - прокаленного древесного угля и созданием над расплавом атмосферы из угарного газа;
- на II этапе - рафинирования и восстановления меди при температуре 1180-1200°С до содержания в ней кислорода не более 8 ppm с одновременной стабилизацией расплава по составу и температуре в течение 8-12 часов и выведением газообразных продуктов реакции путем вытяжной вентиляции, что обеспечило экологическую безопасность на рабочем месте.
После чего производили литье через графитовый кристаллизатор путем шагового вытягивания.
Для конкретного случая литья прутка диаметром 20 мм из полученного путем решения дифференциальных уравнений набора кривых выбраны кривые для литья со скоростью 1 м/мин. Ход этих температурных кривых по оси прутка (r=0) и на поверхности (r=R=0,01 м) изображен на фиг.1 и в таблице 1. В данном конкретном случае длина графитового кристаллизатора равняется 115 мм, толщина слоя изоляции медного блока от расплава меди - 50 мм, протяженность медного блока (соответственно - первичного охлаждения) составляет 65 мм. Традиционное вторичное охлаждение затвердевшей заготовки занимает 200 мм. Остывание на воздухе считали закончившимся на расстоянии 2 метров от начала кристаллизатора.
Таблица 1
х, м
t (r=0), °C
t (r=R), °C
Вход в кристаллизатор
0.000
1200
1200
Начало зоны первичного охлаждения в медном блоке
0.050
1190.50
1166.92
Конец зоны первичного охлаждения в медном блоке, начало зоны вторичного охлаждения
0.115
1000.19
951.72
Конец зоны вторичного охлаждения, начало остывания на воздухе
0.315
64.29
60.57
Остывание на воздухе
0.350
35.00
35.00
Изотермические кривые в продольном сечении отливаемого прутка диаметром 20 мм представлены на фиг.2. Изотерма 1084°С - температура кристаллизации меди - изображает форму лунки: все, что левее ее - жидкая медь, все, что правее - твердая, закристаллизовавшаяся медь.
В частном случае отливки прутка ⌀ 20 мм максимальная скорость вытягивания составила по расчету 1 м/мин. Практически оптимальной скоростью вытягивания являлась величина 0,9-1,1 м/мин, при которой медь на выходе из кристаллизатора сохраняет наиболее равномерное распределение примесей в объеме заготовки. Это приводит к повышению качества изделий, исключает трудозатраты и потери металла при последующей обработке.
Шаг рассчитывали также, как и в прототипе [п. РФ №2027541, заявл. 30.06.1993, опубл. 27.01.1995, МПК B22D 11/14, B22D 11/04], величина которого составила 8 мм.
Частоту шагов определяли как отношение скорости вытягивания к величине шага, причем для получаемых прутков она составила 125 шагов в мин. После чего подготавливали полученные изделия для дальнейшей транспортировки и хранения, например, сматывали в бухты.
Аналогично производили расчет режимов вытягивания для прутков других конфигураций, но предварительно определяли диаметр круглого прутка, эквивалентного им в тепловом отношении, для использования при решении уравнений.
При получении трубных заготовок кристаллизаторы снабжали дорном, а полученные заготовки для дальнейшей транспортировки и хранения, например, резали на отрезки нужной длины.
Следует отметить, что на всех стадиях осуществления процесса литья и других операций отсутствовали потери меди, что свидетельствует о безотходном характере заявляемого способа.
Изготовленные изделия анализировали известными методами с получением нижеприведенных результатов:
- исследование макроструктуры выявило ее радиальный характер;
2
- определение механических свойств на разрывной машине Р-10 установило величину прочности на разрыв - до 200 Н/м и пластичности - до 45%;
- химический анализ определил величину содержания кислорода в меди, из которой изготовляли изделия, не более 8 ppm.
Как видно из описания условий и примера конкретного осуществления заявляемый «Способ непрерывного горизонтального литья меди» по сравнению с известным техническим решением, взятым за прототип [п. РФ №2027541, заявл. 30.06.1993, опубл. 27.01.1995, МПК B22D 11/14, B22D 11/04], обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:
- возможность получения изделий с гарантируемым качеством за счет повышения эксплуатационных характеристик отливок из бескислородной меди;
- расширение ассортимента изделий;
- исключение энергоемких затрат при последующей переработке изделий;
- максимальную производительность;
- экологическую безопасность на рабочем месте при дальнейшей переработке.