Исследование процессов получения деформированных полуфабрикатов из стружковых отходов сплавов алюминия и изучение их свойств

Повышенный интерес к металлургии вторичного алюминия, в последние годы выражающийся в относительно стремительных темпах развития указанного производства, обусловлен высокими технико-экономическими показателями в структуре себестоимости продукции и возможностью реализации его в экологически более чистых вариантах [1].
Около 90% произведенного вторичного алюминия используется в автомобильной промышленности в качестве литейных сплавов, а остальная доля приходится на деформируемые сплавы алюминия, из которых получают изделия обработкой давлением [2]. Вопросы переработки образующихся в том или ином виде отходов играют существенную роль в цикле изготовления продукции из алюминия и его сплавов. Объем перерабатываемого металла в последнее время постоянно увеличивается, поэтому стремления промышленных работников направлены на реализацию новых, более совершенных, технологий вовлечения образующихся отходов в производственный оборот. Так, например, транснациональная алюминиевая компания Hydro, Норвегия (с производством полного цикла), одной из целей в своей стратегии развития прописывает увеличение объемов производства, связанного с переработкой вторичного алюминия. В Hydro делают прогноз об увеличении объема перерабатываемого вторичного алюминия и фокусируются [3]:
на поддержании высокого качества продуктов из переработанного вторичного алюминия;
 сокращении потерь металла в процессе переработки;
уменьшении вредных выбросов в атмосферу и улучшении всего производственного процесса;
 разработке новых сплавов, из которых в дальнейшем можно производить продукцию специального назначения.
При оценке преимуществ получения цветных металлов и сплавов из отходов производства по сравнению с их получением из рудного сырья руководствуются следующими показателями: содержанием металла в сырье,
6
извлечением его в готовую продукцию, расходом топливно-энергетических ресурсов, количеством отходящих газов, которое определяет капитальные и эксплуатационные затраты на их очистку.
Рациональная переработка отходов производства по-прежнему остается важной задачей для предприятий металлургической отрасли. Благодаря переработке металлического лома удается достичь существенного снижения затрат для всего производства. Экономия проявляется и в затратах на приобретение основного материала шихтового типа, и в расходах на оплату энергоресурсов, и во многом другом. Благодаря переработке и вторичному использованию лома металла снижается общая нагрузка на природные ресурсы, которые достаточно сильно истощились к настоящему времени, а также улучшается общая экологическая обстановка.
Однако осуществляемая система переработки отходов цветных металлов через их переплав не полностью удовлетворяет требованиям экономии и рационального использования вторичных металлов и сплавов. Недостаточная эффективность традиционной технологии при переработке, например стружковых отходов, обусловлена такими факторами, как повышенный угар металла, увеличенный объем газопылевых выбросов, значительные затраты электроэнергии на переплав, высокая трудоемкость.
Особенно это актуально для отходов, образующихся при обработке алюминия и его сплавов в виде стружки в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности, так как их количество значительно превышает объемы отходов других цветных металлов и сплавов.
Таким образом, совершенствование технологии переработки отходов стружковых материалов без их переплава, основанной на применении методов порошковой металлургии и обработки металлов давлением (ОМД), является актуальной задачей.
Данная работа является результатом комплекса экспериментальных и теоретических исследований, проводимых в течение ряда лет учеными Сибирского и Уральского федеральных университетов, выполненных в рамках проекта «Разработка технологий и устройств для производства совмещенными методами изделий из новых материалов на основе сплавов цветных металлов и

7
исследование их свойств» по программе развития СФУ «Поддержка на конкурсной основе разработок по научно-методическому обеспечению образовательного процесса по приоритетным областям развития СФУ», молодежных грантов СФУ, а также грантов Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.
В трудах таких ученых, как В. З. Жилкин, Н. В. Шепельский, В. Н. Щерба, Ю. Г. Дорофеев, О. В. Падалко, В. М. Сегал, О.А. Ганаго, И. Ю. Мезин, Н. А. Белов, Г.И. Рааб, В.В. Капорович, Н.А. Костин, С. С. Кипарисов, В. Н. Корнилов, Ю. Н. Логинов, Ю. А. Горбунов, А.Г. Залазинский и др. представлена информация об особенностях обработки давлением некомпактных металлических материалов, формировании структуры, напряженно- деформированном состоянии и уровне механических свойств длинномерных полуфабрикатов, в том числе и из сплавов на основе алюминия.
Однако, несмотря на большое количество научных работ в этой области, технологии переработки в полуфабрикаты и изделия металлической стружки, особенно из сплавов на основе алюминия, в основном сосредоточены на применении несовершенного плавильного передела, что обуславливает необходимость поиска и опробования новых научно-технологических решений, направленных на реализацию экономически более выгодных вариантов, исключающих стадию переплава.
Целью диссертационной работы является создание комплекса научно- технологических решений для повышения эффективности переработки сортных сыпучих стружковых отходов из сплавов алюминия АД31 и АК12.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
анализ научно-технической литературы в рассматриваемой области с целью выбора потенциальных методов переработки сыпучих отходов из сплавов алюминия;
 формирование общей технологической схемы для переработки сыпучих металлических отходов с использованием приемов порошковой металлургии и ОМД;

8
 исследование структуры и свойств длинномерных деформированных полуфабрикатов, изготовленных за счет реализации различных способов брикетирования и последующего дискретного прессования из стружки сплавов АД31 и АК12;
 компьютерное моделирование и оценка возможности получения длинномерных деформированных полуфабрикатов из предварительно брикетированной стружки методом непрерывного прессования;
 исследование структуры и свойств длинномерных деформированных полуфабрикатов, полученных путем брикетирования и непрерывного прессования из стружки сплавов АД31 и АК12;
планирование эксперимента и исследование структуры и свойств длинномерных деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов, полученных волочением из прессованных разными способами прутков.
Научную новизну имеют следующие результаты.
1. Установлены закономерности формирования свойств по длине длинномерных деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов АД31 и АК12, изготовленных с использованием технологической схемы: стружка–брикетирование–дискретное прессование.
2. Выявлены закономерности изменения свойств по длине длинномерных деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов АД31 и АК12, полученных по технологической схеме: стружка–брикетирование–непрерывное прессование.
3.На основе результатов компьютерного моделирования дана оценка влияния технологических параметров процесса непрерывного прессования стружковой заготовки из исследуемых сплавов на характер течения металла и обоснован диапазон их изменения.
4. Установлены закономерности изменения механических свойств при волочении полученных прессованием заготовок из стружки исследуемых сплавов в зависимости от деформационно-скоростных условий обработки и применения отжигов.

9
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.
1.Разработано и защищено патентом РФ No 2429943 устройство для получения проволоки и профилей из некомпактных материалов, позволяющее реализовать метод непрерывного прессования для изготовления деформированных полуфабрикатов из стружки сплавов АД31 и АК12.
2. С применением методов математического планирования эксперимента получены регрессионные зависимости для расчета прочностных свойств проволоки после волочения заготовок, полученных прессованием стружковых отходов исследуемых сплавов.
3. Обоснованы и практически опробованы технологические режимы горячего и холодного брикетирования, прессования, волочения и отжига для получения длинномерных деформированных полуфабрикатов в виде прутков и проволоки с заданным уровнем прочностных и пластических свойств.
4. На всех технологических переделах изучена структура металла, начиная от некомпактного и заканчивая деформированным состоянием, в зависимости от условий и параметров термодеформационной обработки.
5.Результаты исследований внедрены в учебный процесс СФУ и используются для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Металлургия», а также аспирантов по специальности 05.16.05 – Обработка металлов давлением.
Методология и методы исследований базируются на основных законах термодинамики и теории обработки металлов давлением с применением современных методик изучения механических свойств и металлографического анализа, а также численного моделирования с использованием ряда программных комплексов.
На защиту выносятся:
 результаты компьютерного моделирования процессов совмещенной прокатки-прессования (программные комплексы QFORM V8) и волочения (программный комплекс ABAQUS) прутков и проволоки из стружки сплава АД31;

10
 технологические решения для получения прутков и проволоки из сыпучих стружковых отходов алюминиевых сплавов АД31 и АК12 с требуемым уровнем прочностных и пластических свойств;
 результаты экспериментальных исследований, включающие оценку уровня и характер изменения прочностных и пластических свойств в процессе термодеформационной обработки полуфабрикатов из стружки сплавов АД31 и АК12.
Степень достоверности научных положений и полученных результатов доказана применением научно обоснованных методов обработки металлов давлением, компьютерного моделирования, использованием методов математического планирования эксперимента и статистической обработки результатов; практической реализацией технологических решений.
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на ежегодной международной научно-технической Уральской школе- семинаре металловедов – молодых ученых (г. Екатеринбург, 2015, 2016, 2017 г.г.), ежегодных международных конгрессах «Цветные металлы и минералы» (г. Красноярск, 2015, 2016 г.г.), II Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства» (г. Магнитогорск, 2016 г.), международных конгрессах «Техноген-2017» и «Техноген-2019» «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований» (г. Екатеринбург, 2017, 2019 гг.) и др.
Результаты диссертационной работы отражены в 25 печатных трудах, в том числе 1 монографии, 11 статьях в изданиях из перечня ВАК, 3 статьях в базах цитирования Scopus и Web of Science и 1 патенте РФ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 105 источников, и трех приложений. Основной материал изложен на 150 страницах, включая 15 таблиц и 65 рисунков.