Совершенствование технологии выплавки автоматных алюминиевых сплавов с целью получения литых заготовок с заданными структурой и свойствами

Актуальность работы. Алюминий и его сплавы по объемам производства и
потребления занимают второе место после стали, причем сфера их потребления постоянно расширяется и в ряде областей промышленности они успешно вытесняют традиционные материалы. Рост потребления алюминия и его сплавов обусловлен их свойствами, среди которых следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошую способность к формообразованию литьем и давлением.
Автоматные алюминиевые сплавы – это традиционные сплавы системы Al- Cu-Mg и Al-Mg-Si дополнительно легированные свинцом или свинцом совместно с висмутом в количестве 1,0-1,2%. Указанные добавки образуют в структуре слитка нерастворимые включения, которые способствуют ломкости стружки и уменьшению ее длины при обработке резаньем. Установлено, что свинец повышает стойкость инструмента и скорость резания, уменьшает расход охлаждающей эмульсии и снижает шероховатость получаемых поверхностей. Как известно, системы Al-Pb, Al-Pb-Bi относятся к системам с областью несмешиваемости в жидком состоянии. Производство этих сплавов обусловлено рядом технологических трудностей:
1. Невозможность обеспечить однородный химический состав сплава, а следовательно, и получить качественный слиток из-за неравномерного распределения свинцовых фаз оптимальных размеров;
2. Достаточно длительный процесс приготовления сплава в плавильных печах неизбежно вызывает потери свинца в процессе его окисления и замешивания оксида свинца со шлаком;
3. Преждевременный выход из строя футеровки плавильных печей в результате взаимодействия оксидов свинца с компонентами футеровки;
4. Высокая трудоемкость процесса и низкая производительность металлургического оборудования.
В связи с изложенным актуальной задачей для совершенствования технологии получения сплавов содержащих свинец является необходимость более

6
глубокого изучения физико-химических, тепло- и гидродинамических процессов, происходящих в системах с несмешивающимися компонентами в процессе плавки и литья слитков, что позволит повысить их качество и расширить рынок сбыта.
Степень разработанности темы. Особенности плавки и структурообразования монотектических сплавов на основе алюминия недостаточно изучены, так как получение их традиционными методами затруднено из-за расслоения сплава в процессе его охлаждения и кристаллизации. Наиболее полно изучены фазовый состав и структура гранулируемых сплавов системы Al-Pb, Al-Pb-Bi. Большой вклад в развитие металлургии гранул и технологи выплавки алюминиевых сплавов внесли Буше Н.А., Бочвар А.А., Добаткин В.И., Елагин В.И., Эскин Г.И., Белов Н.А., Батышев А.И., Черепок Г.В., Горбунов В.Г., Варга Г.И., Miller M., Pratt G.G. и др.
Многими исследователями установлено, что металлические расплавы в широкой температурно-концентрационной области являются химически неоднородными системами. В трудах таких ученых как Баум Б.А., Попель П.С., Ершов Г.С., Никитин В.И., Чикова О.А., Бродова Н.Г. и др. указывается, что разрушение микронеоднородности и перевод металлического расплава в гомогенное состояние происходит в области высоких температур. Микрогетерогенность монотектических сплавов системы Al-Pb связана с несмешиваемостью компонентов в жидком состоянии. Перевод расплава в состояние однородного раствора существенно замедляет процесс макрорасслоения, что способствует формированию при кристаллизации дисперсных включений свинца. Однако в производственных условиях при плавке и литье слитков автоматных сплавов создать высокий перегрев расплава и повышенные скорости охлаждения не представляется возможным. Поэтому весьма актуальным является разработка промежуточного материала (свинецсодержащей лигатуры), содержащей в большом количестве частицы свинца заданного размера, а также создание условий для максимального диспергирования свинца и его равномерного распределения в объеме расплава.

7
Между тем в научной и технической литературе сведений по этим вопросам недостаточно.
Данная работа выполнялась в соответствии с реализацией инновационных проектов «Ресурсы программы развития СФУ», 2007 г.; Соглашения о сотрудничестве и совместной деятельности между ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» и ООО «Красноярский металлургический завод», 2009г.; теме научно-исследовательской работы по договору No207/20677 от 12.05.2017 г. «Разработка МГД технологии для диспергирования свинца при выплавке автоматных алюминиевых сплавов и условий регулируемого структурообразования слитка в процессе кристаллизации».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованного комплекса технических и технологических решений для совершенствования технологии приготовления автоматных алюминиевых сплавов и получения литых заготовок с заданной структурой и свойствами.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
– анализ существующих технологий выплавки автоматных алюминиевых сплавов и определение влияния различных технологических факторов на склонность к укрупнению включений свинца и их равномерному распределению по сечению слитка;
– исследование макроструктуры опытных образцов автоматных сплавов, изготовленных с различной скоростью охлаждения и выявление условий, при которых уменьшается степень расслаивания несмешивающихся компонентов;
– разработка математической модели процессов теплообмена при получении гранул и определение скорости их охлаждения в зависимости от размера и условий охлаждения, исследование микроструктуры гранул;
– определение величины сил, действующих на частицы свинца у грани растущего кристалла и уточнение механизма распределения включений свинца между жидкой и твердой фазами;

8
– исследование влияния поверхностных свойств на гомогенизацию расплавов системы Al-Cu-Mg-Pb и формирование структуры слитка;
– применение электромагнитной, гидродинамической и теплодинамической численно-математической модели для расчета параметров системы ковш- индуктор и анализа движения алюминиевого расплава и траекторий движения частиц свинца в процессе диспергирования;
– опытно-промышленная апробация результатов исследования и выработка рекомендаций для их внедрения в действующее производство.
Научная новизна полученных результатов:
1. На основе результатов математического моделирования теплообмена в процессе гранулирования расплава лигатурного сплава системы Al-15%Pb установлены закономерности изменения скорости охлаждения и времени кристаллизации гранул в зависимости от их размера и условий охлаждения.
2. Подтвержден и научно обоснован механизм образования в структуре гранул включений частиц второй фазы богатых свинцом различных размеров, в зависимости от температурных условий формообразования.
3. В результате анализа капиллярных, кристаллизационных и гравитационных усилий, действующих на частицу свинцовой фазы перед растущим кристаллом, выявлена закономерность их распределения по сечению слитка: кристаллом захватываются частицы менее 0,1-0,25 мкм, а более крупные – вытесняются в междендритное пространство, где происходит их укрупнение за счет коалесценции.
4. Уточнены и расширены представления о возможности получения слитков из автоматного сплава системы Al-Cu-Mg-Pb с мелкозернистой структурой и дисперсными включениями свинца за счет его модифицирования оловом в количестве до 0,2 мас.%, при этом температура гомогенизации микрогетерогенного расплава снижается с 11000С до 720-7500С.
5. Разработана новая энергоэффективная технология приготовления автоматного алюминиевого сплава в транспортном ковше с применением электромагнитного перемешивания и на основе численно-математической модели

9
диспергирования свинца определены оптимальные параметры технологического процесса.
Практическая значимость работы:
1. Разработан способ получения лигатурного сплава системы Al-Pb, защищенный патентом РФ No245442 опубликованный 27.06.2012 г.
2. Разработан способ получения лигатуры Al-Ti-B, защищенный патентом РФ No2215810 опубликованный 10.11.2003 г., применяемой для модифицирования расплава при отливке слитков из автоматных алюминиевых сплавов.
3. Разработаны технологические режимы гранулирования лигатурного сплава, снижающие расслаивание несмешиваемых жидких фаз и получение гранул с дисперсными включениями свинцовой фазы.
4. Использование олова в качестве модифицирующей добавки в расплав автоматного алюминиевого сплава позволяет снижать температуру его гомогенизации и получить сплав с мелкозернистой структурой и дисперсными включениями свинца при общепринятых температурах плавки и литья.
5. Разработана эффективная технология диспергирования свинца в расплаве на основе алюминия при его обработке в транспортном ковше, с применением электромагнитного перемешивания.
6. Результаты исследования внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» и используются для подготовки магистров по направлениям 22.04.02 «Металлургия», 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов», а также аспирантов по специальности 05.16.04 «Литейное производство»
7. Результаты исследования внедрены на ООО «Красноярский металлургический завод» в технологический процесс получения цилиндрических слитков из автоматных алюминиевых сплавов.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы следующие современные физико-химические методы исследования расплавов, металлургических систем и процессов на универсальных установках с применением стандартных сертификационных средств измерения:

10
металлографический, сканирующая электронная микроскопия, термический анализ материалов, термодинамический анализ и др.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты математического моделирования процесса теплообмена при гранулировании лигатурного сплава системы Al-Pb и механизм образования в структуре гранул свинцовой фазы различной формы и размеров.
2. Результаты исследования влияния поверхностных свойств расплавов автоматных сплавов и их модифицирования на структуру литых заготовок и характер распределения включений свинцовой фазы при кристаллизации и затвердевании слитка.
3. Результаты анализа новой технологии диспергирования свинца в расплав на основе алюминия в транспортном ковше с использованием электромагнитного перемешивания.
Степень достоверности полученных данных. Достоверность экспериментальных данных и выводов подтверждается использованием современных методик и методов исследования металлургических и литейных процессов, использовании численно-математического моделирования и статистического анализа. Предложенные технологические решения прошли успешные опытно-промышленные испытания и приняты к внедрению.
Соответствие диссертации паспорту специальности ВАК 05.16.04 – Литейное производство
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует формуле специальности, определяемой:
«Теорией и технологией производства литых заготовок и изделий из металлических сплавов и других материалов, включая разработку новых литейных сплавов; изучения процессов происходящих в расплавах во время их плавки, внепечной обработки, заливки в литейную форму, кристаллизации и последующего охлаждения в форме, а также исследованием физико-химических процессов».

11
Области исследования соответствующие пунктам:
1. «Исследование физических, физико-химических, теплофизических, технологических и служебных свойств материалов, как объектов и средств реализаций литейных технологий»;
2. «Исследование тепло- и массопереноса, гидродинамических, реологических и других процессов, происходящих в расплавах, отливках и литейных формах»;
3. «Исследование влияния обычных, наномодифицирующих, электрических, магнитных и других процессов, происходящих в расплавах, отливках и литейных формах, механических и других видов обработки на свойства расплавов, отливок и литейных форм»;
4. «Исследование литейных технологий для их обоснования и оптимизации».
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях, съездах, конгрессах и выставках: IX, XIV Съезд литейщиков России 2009, 2019 гг.; IX, X International Congress and Exhibition «Non-Ferrous metals and Minerals» 2017, 2019 г. Krasnoyarsk, Russia; VIII научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Проспект Свободный» 2017 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10-ти научных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и в двух патентах на изобретение.
Личный вклад соискателя заключается в общей постановке задач, в проведении экспериментальных работ, анализе и интерпретации полученных данных. Приведенные в диссертации результаты получены либо самим автором, либо при его активном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 76 источников и 2 приложения. Основной материал изложен на 112 страницах, включая 9 таблиц и 54 рисунка.