Исследование и совершенствование процесса модифицирования плоских слитков из алюминиевых сплавов 5ХХХ серии

Одной из приоритетных задач для цветной металлургии была, остается и будет повышение эффективности литейного производства за счет совершенствования действующих и создания новых технологических процессов, расширения сортамента, повышения производительности и качества продукции.
Продукция из алюминиевых сплавов обладает высокими эксплуатационными и технологическими свойствами, поэтому по важности и распространенности они являются вторыми в мире после стали среди металлических конструкционных материалов. В России одним из приоритетных направлений программы развития промышленного сектора обозначено развитие алюминиевого производства до 2020 года для обеспечения растущего спроса на металлоизделия [1].
Мировой лидер алюминиевой промышленности Российская объединенная компания ОК РУСАЛ активно развивает научно-исследовательские направления в литейном производстве и в ближайшем будущем планирует довести долю сплавов до 80% от общего объема выпуска продукции.
Одним из перспективных направлений является производство плоских слитков из алюминиевых сплавов 5ХХХ серии для прокатного производства, которое не всегда готово удовлетворить постоянно растущие требования по качеству и свойствам, предъявляемые заказчиками. Поэтому разработка научно- обоснованных технических и технологических решений для обеспечения требуемого уровня качества плоских слитков из алюминиевых сплавов серии 5ХХХ для прокатного производства, несомненно, является актуальной научно- технической проблемой.
Данный тезис подтверждается тем, что настоящая работа выполнялась в соответствии с Федеральной программой «Стратегия развития цветной металлургии России на 2014-2020 годы и на перспективу до 2030 года», разработанной согласно поручения Правительства Российской Федерации от 16 июля 2013 г. N ДМ-П9-53пр, в рамках проекта 14.578.21.0193 «Разработка
6
теоретических и технологических решений снижения водорода в составе алюминия и низколегированных алюминиевых сплавов» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57816X0193, а также по договору с ОК «РУСАЛ» «Разработка технических решений по
достижению мелкозернистой структуры в плоских слитках сплавов серии 5ХХХ. Благодаря исследованиям таких известных ученых, как М.Б. Альтман, Г.Ф. Баландин, А.И. Батышев, К.А. Батышев, А.Ф. Белов, В.Д. Белов, Н.А. Белов, А.И. Беляев, А.А.Бочвар, И.Г. Бродова, А.И. Вейник, С.М. Воронов, И.Е. Горшков, Б.Б. Гуляев, В.Б. Деев, В.И. Добаткин, В.И. Елагин, В.М. Замятин, Е.Д. Захаров, В.В. Захаров, В.С. Золоторевский, В.А. Кечин, Б.А. Колачев, Г.Г. Крушенко, Б.А. Кулаков, В.А. Ливанов, Д.П. Ловцов, М.В. Мальцев, Л.И. Мамина, С.В. Махов, Л.Ф. Мондольфо, Р.К. Мысик, В.И. Напалков, Б.М. Немененок, В.И. Никитин, К.В. Никитин, М.Ф. Никитина, И.И. Новиков, В.К. Портной, Ри Хо Сен, И.Ф. Селянин, А.Н. Соколов, А.Г. Спасский, Ю.А. Филатов, И.Н. Фридляндер, М.В. Шаров, Г.И. Эскин, Д.Г. Эскини др. разработаны научные основы плавки, кристаллизации цветных металлов и сплавов, внесен существенный вклад в дальнейшее развитие теории и технологии литейного производства, что явилось научной базой при проведении исследований в настоящей работе для обоснования и дальнейшего совершенствования технологии плавки и литья
плоских слитков из алюминиевых сплавов [4, 6-10].
Однако по-прежнему задача прогнозирования размера зерна по объему
слитков для алюминиевых сплавов, в том числе 5ХХХ серии до сих пор остается нерешенной и требует проведения дополнительных исследований в данном направлении.
Объектом исследований в работе являются алюминиевые сплавы 5ХХХ серии, технологические процессы и оборудование для производства крупнотоннажных плоских слитков методом полунепрерывного литья.

7
Целью диссертационной работы является:
Разработка комплекса технических и технологических решений, обеспечивающих достижение мелкозернистой структуры для плоских слитков 5ХХХ серии.
Для достижения данной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
– исследовать механизм образования мелкозернистой структуры при изготовлении плоских слитков из алюминиевых сплавов 5ХХХ серии;
– разработать методику прогнозирования структуры слитка с учетом реального химического состава сплава и применяемого модификатора;
– разработать компьютерную модель процесса модифицирования при изготовлении плоских слитков с учетом конструктивных и технологических параметров литья;
– усовершенствовать экспресс метод оценки модифицирующей способности лигатур для алюминиевых сплавов;
– проанализировать модифицирующую способность лигатур системы Al-Ti-B в зависимости от технологических и конструктивных параметров промышленного производства плоских слитков;
– с учетом промышленных условий предприятий ОК РУСАЛ разработать и внедрить эффективную технологию для достижения мелкозернистой структуры плоского слитка при полунепрерывном литье для алюминиевых сплавов 5ХХХ серии.
В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
1. В результате обобщения экспериментального материала, полученного непосредственно в промышленных условиях, и анализа научно-технической литературы установлено, что модифицирование алюминиевых сплавов обусловлено совместным воздействием Al3Ti и TiB2, а Al3Ti является мощным инициатором зародышеобразования из-за его перитектической реакции с α-Al и существует, в том числе в виде покрытия на гранях ТiB2.

8
2. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены следующие
закономерности при модифицировании алюминиевых сплавов серии 5ХХХ:
а) увеличение расхода модификатора AlTi5B1 до 2,5 кг/т приводит к измельчению размера зерна в пробах TP-1 почти в два раза с минимальным
размером макрозерна до 94 мкм;
б) наиболее благоприятная концентрация модифицирующих частиц
лигатурного прутка наблюдается при введении в расплав лигатурного прутка марки Al-Ti5-B1 в следующих случаях расхода и места ввода лигатурного прутка:
– 0,5 кг/т до фильтра МТФ и 2,0 кг/т во входной портал дегазатора.
– 1,0 кг/т до фильтра МТФ, 1,0 кг/т во входной портал дегазатора, 0,5 кг/т после фильтра МТФ.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Создана новая инженерная методика прогнозирования размера зерна в слитке, отлитого полунепрерывным способом, учитывающая реальные физико- химические свойства сплава и модификатора.
2. Разработаны компьютерные модели с использованием программных комплексов ANSYS Fluent и ProCAST со встроенным модулем CAFE с учетом конструктивных и технологических параметров полунепрерывного процесса литья плоского слитка, в том числе разливка расплава в кристаллизатор через распределительную коробку Combo Bag, позволяющие
– определить форму и размеры лунки во время кристаллизации плоского слитка из сплавов 5ХХХ серии;
– спрогнозировать структуру плоского слитка на стационарной стадии кристаллизации полунепрерывным методом;
– вычислить распределение объемной концентрации легирующих веществ модификатора системы Al-Ti5-B1 вдоль металлотракта от миксера до кристаллизатора.
3. Предложена методика оценки качества модифицирующих лигатур системы Al-Ti-B, применяемых в производстве слитков, которая позволит более

9
объективно осуществлять входной контроль модификаторов и снизить количество
брака по структуре плоских слитков.
4. Разработан и внедрен комплекс новых технических и технологических
решений для производства плоских слитков алюминиевых сплавов 5ХХХ серии непрерывным методом, включающий:
– технологический регламент по производству плоских слитков серии 5ХХХ, позволяющий получать плоские слитки с мелкозернистой структурой и подтвержденный проведением опытных плавок на предприятии ОК РУСАЛ и актом внедрения (Приложение А);
– устройство для исследования модифицирующей способности лигатур (Патент на полезную модель No 166586 U1 Российская Федерация, МПК G01N 33/20;
– установка для исследования модифицирующей способности лигатур (Патент на полезную модель No 166581 U1 Российская Федерация, МПК G01N 33/20.
5. Результаты исследований внедрены в учебный процесс и используются при обучении магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия», магистерской программе 22.04.02.07 «Теория и технология литейного производства цветных металлов и сплавов» и аспирантов по специальности 05.16.04 «Литейное производство» (Приложение Б).
Методология и методы исследований, используемые в настоящей работе, основаны на основных законах термодинамики, теории литья и кристаллизации, с применением современных методик и методов исследований: методов планирования эксперимента и статистического анализа данных; численного моделирования с использованием программных комплексов ProCAST и ANSYS.
В работе выносятся на защиту следующие положения:
а) результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма образования мелкозернистой структуры при кристаллизации крупнотоннажных слитков из алюминиевых сплавов серии 5ХХХ;
б) результаты исследований влияния легирующих компонентов на

10
формирование мелкозернистой структуры плоских слитков из алюминиевых
сплавов серии 5ХХХ;
в) методики исследования, прогнозирования и контроля показателей
структуры плоского слитка, изготовленного полунепрерывным методом;
г) результаты компьютерного моделирования процесса модифицирования при изготовлении плоских слитков с учетом конструктивных технологических
параметров литья в промышленных условиях;
д) новая технология литья плоских слитков из алюминиевых сплавов серии
5ХХХ, гарантирующих получение мелкозернистой структуры.
Степень достоверности научных положений и полученных результатов обоснована: применением научно обоснованных методов исследований, компьютерного моделирования и обработки результатов; соответствием результатов исследований, полученных автором, с результатами других исследователей в этой области; практической реализацией полученных результатов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 152 источников, и двух приложений. Основной материал изложен на 160 страницах, включая 32 таблицы, 17 формул и 75 рисунков.
Настоящая работа является продолжением комплекса научно- исследовательских работ, выполняемых на кафедре «Литейное производство» Института цветных металлов и материаловедения (ИЦМиМ) ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ) в рамках научно- исследовательских работ с ОК «РУСАЛ». Включенные в диссертацию и выносимые на защиту результаты настоящей работы представляют собой ту часть общих результатов научно-исследовательских работ по рассматриваемой проблеме, и выполнены автором с соавторами за годы совместной работы, которые получены или непосредственно автором, или при его ведущем участии.

11
Работа выполнена при научной консультации кандидата технических наук,
доцента кафедры «Литейное производство» ИЦМиМ ФГАОУ ВО СФУ Безруких Александра Иннокентьевича.
Автор работы выражает глубокую благодарность за консультации в области алюминиевого производства кандидату технических наук, доценту кафедры «Литейное производство» ИЦМиМ ФГАОУ ВО СФУ Губанову Ивану Юрьевичу, кандидату технических наук, директору литейных проектов ООО «РУСАЛ ИТЦ» Фролову Витору Федоровичу.